緩沖式軟開關(guān)直流變換器的諧波分析

本文對緩沖式軟開關(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關(guān)電路相比較。結(jié)果表明該電路在具備了軟開關(guān)特性的同時，還可以有效地降低高次諧波含量。

1　引言

在開關(guān)電源發(fā)展過程中，由于軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用使開關(guān)頻率和功率密度得到了提高，但是工作頻率的提高卻導(dǎo)致了其內(nèi)部電磁環(huán)境的惡化，影響開關(guān)電源本身和外部電子設(shè)備的正常工作。在抑制EMI方面，抑制干擾源是一個治本的方法。但是將軟開關(guān)技術(shù)與抑制EMI結(jié)合起來，還需要在電路拓?fù)湓O(shè)計和參數(shù)選擇等方面加以研究。

在功率電子技術(shù)發(fā)展過程中，緩沖電路最早是被用來改善開關(guān)元件的工作條件，如避免SCR的誤觸發(fā)和安全導(dǎo)通等。在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中，廣泛采用高頻化全控型功率開關(guān)元件，緩沖電路的作用已經(jīng)轉(zhuǎn)變到了減小開關(guān)損耗，實現(xiàn)軟開關(guān)方面。由于緩沖式軟開關(guān)技術(shù)具有其特有的優(yōu)點，各種無損耗、低損耗的無源或有源形式的緩沖技術(shù)正受到越來越密切的關(guān)注、研究和應(yīng)用。通過研究我們發(fā)現(xiàn)，緩沖式軟開關(guān)技術(shù)在實現(xiàn)軟開關(guān)的同時，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(gòu)成緩沖式軟開關(guān)電路，并對其諧波特性進(jìn)行比較分析。

2　電路拓?fù)渑c工作原理

電路拓?fù)淙鐖D1所示。開關(guān)元件T在開通時與L2串聯(lián)，用以實現(xiàn)對開關(guān)電流的緩沖，延緩其上升的速度，實現(xiàn)開關(guān)元件T的零（低）電流開通；開關(guān)元件T在關(guān)斷時，二極管D2續(xù)流導(dǎo)通，電容C1對s點電位的下降起到緩沖作用——T兩端電壓上升的速度被減緩，從而實現(xiàn)開關(guān)元件T的零（低）電壓關(guān)斷。互感元件的作用在于實現(xiàn)L3和C2儲能和能量釋放之間的無損壞傳輸。加入隔離二極管D2、D3用以防止C2與 L2 、L3之間構(gòu)成LC諧振，否則將導(dǎo)致開關(guān)應(yīng)力的增加和過渡過程的延長。

圖1　緩沖式軟開關(guān)電路

根據(jù)電路工作狀態(tài)，采用時域分段方法分析各區(qū)間的工作情況。電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，開關(guān)導(dǎo)通時，互感器的等效漏感Lσ與開關(guān)串聯(lián)，并且iLσ=0，所以在開關(guān)導(dǎo)通瞬間，iT=0——實現(xiàn)零電流開通。

在開關(guān)導(dǎo)通的同時，L3上感應(yīng)電壓uL3>0，D3導(dǎo)通，給電容C2充電。這個過程一直持續(xù)到uC2=Vi，D2導(dǎo)通，對L3續(xù)流。隨后iL3逐漸衰減至零，D2、D3截止。

開關(guān)斷開時，由于漏感Lσ的續(xù)流，使二極管D2導(dǎo)通。此時電容電壓uc2=Vi，因此開關(guān)元件兩端電壓uT=0——由于電容電壓不能突變，因此C2的緩沖作用實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。

電容C2放電過程帶有一個附加的振蕩過程：當(dāng)uC2=0時，L1、L2的續(xù)流作用使C2反向充電，uC20，導(dǎo)致二極管D3導(dǎo)通。此時電流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(yīng)電壓為負(fù)值，續(xù)流電流iL3逐漸減小至零，使得L2上的電流也減小至零。這時二極管D1導(dǎo)通，給L1續(xù)流， L1中的儲能向負(fù)載和電容C1釋放，直到下一個導(dǎo)通時刻的到來。仿真波形如圖2所示。從仿真結(jié)果看，開關(guān)元件的開通電流和關(guān)斷電壓被有效地緩沖，其負(fù)載線動態(tài)軌跡緊靠坐標(biāo)軸（圖3）。從uD1、iD1波形可以看出，其關(guān)斷是一個漸變的過程，說明緩沖電路對這種無源開關(guān)元件也具有降低開關(guān)損耗的作用。

圖2　仿真波形　 圖3　開關(guān)元件的動態(tài)軌跡

3　諧波分析與比較

在圖4所示的硬開關(guān)buck電路中，PMOS管T和二極管D1作為開關(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(jié)果中可以看到，與硬開關(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 由于開關(guān)開通時，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，還有一個負(fù)載分量iL1b,即：

負(fù)載分量的增加，使輸入電流波形產(chǎn)生一個正向脈動。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（見圖5）。

圖4 硬開關(guān)buck電路　　圖5 輸入電流諧波比較

b 開關(guān)斷開后，二極管D2續(xù)流導(dǎo)通，電容C2放電——緩沖開關(guān)電壓。放電結(jié)束后，D3續(xù)流導(dǎo)通。這是一個換路過程，此時，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(yīng)增大：

從以上分析可以看出，緩沖電路的兩個緩沖過程，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，脈動的影響也不大，諧波并無明顯的增加，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(jié)束語

通過以上分析可以看到，緩沖式軟開關(guān)電路不但具有軟開關(guān)特性，減小開關(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。