緩沖式軟開(kāi)關(guān)直流變換器的諧波分析

本文對緩沖式軟開(kāi)關(guān)直流變換器進(jìn)行了分析，并且將變換器的輸入和輸出波形的諧波與硬開(kāi)關(guān)電路相比較。結果表明該電路在具備了軟開(kāi)關(guān)特性的同時(shí)，還可以有效地降低高次諧波含量。

1　引言

在開(kāi)關(guān)電源發(fā)展過(guò)程中，由于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應用使開(kāi)關(guān)頻率和功率密度得到了提高，但是工作頻率的提高卻導致了其內部電磁環(huán)境的惡化，影響開(kāi)關(guān)電源本身和外部電子設備的正常工作。在抑制EMI方面，抑制干擾源是一個(gè)治本的方法。但是將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與抑制EMI結合起來(lái)，還需要在電路拓撲設計和參數選擇等方面加以研究。

在功率電子技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，緩沖電路最早是被用來(lái)改善開(kāi)關(guān)元件的工作條件，如避免SCR的誤觸發(fā)和安全導通等。在現代電力電子技術(shù)中，廣泛采用高頻化全控型功率開(kāi)關(guān)元件，緩沖電路的作用已經(jīng)轉變到了減小開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現軟開(kāi)關(guān)方面。由于緩沖式軟開(kāi)關(guān)技術(shù)具有其特有的優(yōu)點(diǎn)，各種無(wú)損耗、低損耗的無(wú)源或有源形式的緩沖技術(shù)正受到越來(lái)越密切的關(guān)注、研究和應用。通過(guò)研究我們發(fā)現，緩沖式軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的同時(shí)，對抑制高次諧波也有比較明顯的作用。本文以buck電路為例，利用互感元件構成緩沖式軟開(kāi)關(guān)電路，并對其諧波特性進(jìn)行比較分析。

2　電路拓撲與工作原理

電路拓撲如圖1所示。開(kāi)關(guān)元件T在開(kāi)通時(shí)與L2串聯(lián)，用以實(shí)現對開(kāi)關(guān)電流的緩沖，延緩其上升的速度，實(shí)現開(kāi)關(guān)元件T的零（低）電流開(kāi)通；開(kāi)關(guān)元件T在關(guān)斷時(shí)，二極管D2續流導通，電容C1對s點(diǎn)電位的下降起到緩沖作用——T兩端電壓上升的速度被減緩，從而實(shí)現開(kāi)關(guān)元件T的零（低）電壓關(guān)斷?；ジ性淖饔迷谟趯?shí)現L3和C2儲能和能量釋放之間的無(wú)損壞傳輸。加入隔離二極管D2、D3用以防止C2與 L2 、L3之間構成LC諧振，否則將導致開(kāi)關(guān)應力的增加和過(guò)渡過(guò)程的延長(cháng)。

圖1　緩沖式軟開(kāi)關(guān)電路

根據電路工作狀態(tài)，采用時(shí)域分段方法分析各區間的工作情況。電路進(jìn)入穩定工作狀態(tài)后，開(kāi)關(guān)導通時(shí)，互感器的等效漏感Lσ與開(kāi)關(guān)串聯(lián)，并且iLσ=0，所以在開(kāi)關(guān)導通瞬間，iT=0——實(shí)現零電流開(kāi)通。

在開(kāi)關(guān)導通的同時(shí)，L3上感應電壓uL3>0，D3導通，給電容C2充電。這個(gè)過(guò)程一直持續到uC2=Vi，D2導通，對L3續流。隨后iL3逐漸衰減至零，D2、D3截止。

開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，由于漏感Lσ的續流，使二極管D2導通。此時(shí)電容電壓uc2=Vi，因此開(kāi)關(guān)元件兩端電壓uT=0——由于電容電壓不能突變，因此C2的緩沖作用實(shí)現了零電壓關(guān)斷。

電容C2放電過(guò)程帶有一個(gè)附加的振蕩過(guò)程：當uC2=0時(shí)，L1、L2的續流作用使C2反向充電，uC20，導致二極管D3導通。此時(shí)電流iL3一部分給電容C2充電，使uC2=0；另一部分流入L1。由于L1上的感應電壓為負值，續流電流iL3逐漸減小至零，使得L2上的電流也減小至零。這時(shí)二極管D1導通，給L1續流， L1中的儲能向負載和電容C1釋放，直到下一個(gè)導通時(shí)刻的到來(lái)。仿真波形如圖2所示。從仿真結果看，開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)通電流和關(guān)斷電壓被有效地緩沖，其負載線(xiàn)動(dòng)態(tài)軌跡緊靠坐標軸（圖3）。從uD1、iD1波形可以看出，其關(guān)斷是一個(gè)漸變的過(guò)程，說(shuō)明緩沖電路對這種無(wú)源開(kāi)關(guān)元件也具有降低開(kāi)關(guān)損耗的作用。

圖2　仿真波形　 圖3　開(kāi)關(guān)元件的動(dòng)態(tài)軌跡

3　諧波分析與比較

在圖4所示的硬開(kāi)關(guān)buck電路中，PMOS管T和二極管D1作為開(kāi)關(guān)元件，是主要的躁聲源。除輻射影響外，它的輸入電流和輸出電壓中的諧波對外電路影響較大。

從工作波形分析與仿真結果中可以看到，與硬開(kāi)關(guān)電路相比，緩沖電路對外部電路而言，主要是對直流變換電路的輸入電流和輸出電壓波形產(chǎn)生影響：

a 由于開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，互感L3支路給電容C2充電，因此濾波電感中的電流iL1除激磁分量iL1a外，還有一個(gè)負載分量iL1b,即：

負載分量的增加，使輸入電流波形產(chǎn)生一個(gè)正向脈動(dòng)。但由于緩沖作用使輸入電流的di/dt值減小，因此總的諧波含量下降（見(jiàn)圖5）。

圖4 硬開(kāi)關(guān)buck電路　　圖5 輸入電流諧波比較

b 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，二極管D2續流導通，電容C2放電——緩沖開(kāi)關(guān)電壓。放電結束后，D3續流導通。這是一個(gè)換路過(guò)程，此時(shí)，L1、L2、L3成串聯(lián)關(guān)系，由于在串聯(lián)支路中，L1與L3的同名端方向相反，支路總電感量減?。?/P>

L=L1+L2-L3

為維持磁勢平衡，電感電流則相應增大：

從以上分析可以看出，緩沖電路的兩個(gè)緩沖過(guò)程，對電網(wǎng)而言，由于變換器輸入電流諧波成分的降低而減小了污染；對輸出而言，脈動(dòng)的影響也不大，諧波并無(wú)明顯的增加，因此容易濾除。

圖6　濾波電感的電流波形　　圖7　濾波電感的電流諧波

4　結束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看到，緩沖式軟開(kāi)關(guān)電路不但具有軟開(kāi)關(guān)特性，減小開(kāi)關(guān)損耗，而且還可以起到抑制諧波的作用。這對于降低電磁干擾和減小電網(wǎng)污染具有重要意義。