全桥谐振电流源的分析与设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:为提高频率、减少开关损耗覆EMI,谐振变换器得到了广泛的压用。分析了感性负载下垒桥逆变电流源的各个工作模式,重点分析了谐振等效电路,并进行了相应的仿真。根据谐振理论分析及参数选择,设计了一种新型的全桥逆变电流源,该电流源具有输出正弦波形良好,谐振器件电压、电流应力适当厦负载范围宽等特点、仿真和实验结果验证了理论分析。 关键词:交流电流源;全桥逆变;谐振;开关应力 中图分类号:TM46 文献标识码:A 文章编号:0219—271 3(2005)06-0007-05 O 引言 高频变换能有效地减小功率变换器的体积、重量。但也带来了高的开关应力、高频变压器漏感引起的电压尖峰、电磁干扰(EMI)、高频开关损耗、效率低等问题.而谐振变换具有工作频率高、开关损耗小、效率高、重量轻、体积小、EMI小、开关应 力低等特点,因此近来得到广泛的研究。 谐振变换器有串联和并联两种基本类型。串联谐振变换器具有能隔断直流分量、避免变压器饱和以及轻载效率高,适合高压小电流输出等特点。并联谐振变换器负载可开路、对电容脉动电流要求小以及适合低压大电流输出等特点。根据电流源电路的特点,选择并联谐振方式,并进一步设计成两级I/C谐振网络。 本文第一部分分析感性负载下电流源的各个工作模式,第二部分是对并联谐振方式的理论分析、仿真研究及实验结果,第三部分是由并联谐振改进的两级I/C谐振网络的设计.为便于分析,在电流源工作模式分析中不加进谐振网络。 l 电流源的工作模式 主电路是由一级Buck电路加全桥逆变电路组成的,如图l所示。Buck电路通过输出大电感产生近似恒定的恒流源,再通过全桥逆变变成方波电流源,作为二次侧电源的供电电源。 假没开关器件是理想器件,电感和电容均为无损耗的储能元件,线路其它损耗可忽略,电感电流“纹波很小,在分析其它电流波形时可认为恒值。对于感性负载,其工作状态分为8个阶段,主要工作波形如图2所示。各阶段的等效电路如图3所示。 1)阶段l[t0-t1] t0时刻,因负载电流相对于参考方向为负,开关管S2及S5内寄生二极管导通给负载电流续流,D1及S1导通给电感电流续流。 2)阶段2[t1-t2]负载电流换向,开关管S2及S5零电压开通,t2时刻,iD1=0,二极管D1零电流关断。 3)阶段3[t2-t3]电压下降为零,Buck电感L与负载电感串联,负载电流基本保持不变。 4)阶段4[t3-t4]时刻,S1关断,电感电流通过二极管D2、开关管S2及S5导通,负载电流基本保持不变。 5)阶段5[t4-t5]时刻,S2及S5关断,负载电流相对参考方向仍为正,此时,S3及S4的寄生二极管给负载电流续流。D1及D2导通给电感电流续流,电感和负载电压箝位为Vdc,负载电流在Vdc的作用下迅速下降,电感电流iL因感抗大而只有较小的下降。其间,S3及S4有导通信号,但负载电流仍为正,仍是S3及S4的寄生二极管导通续流。 6)阶段6[t5-t6]时刻,负载电流换向,S3及S4零电压导通,当iD1=0时,D1零电流关断。 7)阶段7[t6-t7]V1电压下降为零,Buck电感L与负载电感串联,负载电流基本保持不变。 8)阶段8[t7-t8]t7时刻,S1导通,S3及S4继续导通,Buck电感L与负载电感串联,负载电流基本保持不变。 2 并联谐振的设计 假设逆变桥输出电流为‰谐振电感电流iL谐振电容电流iC,负载电流iR,则等效电路模型如图4所示,其中ip为方波电流源。 式中ω=2πf; ωi=iω,i=1,3,5…n。 设LC谐振角频率为ω,则   对于开关频率的k次谐波,LC的阻抗值如下。 取ω0=ω,即谐振频率等于开关频率,由式(6)可知,|Zab|→∝,|Zab|与Q成反比,即Q值越大,|Zab|越小,滤波效果越好,但同时谐振电感、电容上电流也越大,考虑到大电流情况下,谐振电感、电容不易设计,实际电路取值Q≈3。 采用了PSPICE仿真软件进行仿真验证。仿真参数如下:直流电源电压300V,开关频率l00kHz,质因数Q=3,负载阻抗50Ω,谐振电感、电容分别是15.9μH,159nF,从图5仿真波形上看,负载电流近似为正弦波,谐波分量较小。 根据以上的数据,我们对电流源主电路进行了实验,得到未加谐振网络与加谐振网络负载电流波形分别如图6(a)和图6(b)所示。 对比图6(a)、图6(b)可见.加谐振网络负载电流波形得到了改善,基本上呈正弦波值得注意的是,以上仿真和实验都是在重载情况下做的,当负载很轻时,由式(6)可知,Q值小,谐振网络效果不明显, 3 两级LC谐振网络的设计 两级LC谐振式电路如图7所示。C1及L1主要用于滤除开关毛刺以及限制负载最大电流,G2及L2是主谐振网络,主要用于改善负载电流波形,使其趋于正弦波,降低电流高次谐波分量。电流源在满足输出要求的情况下,采用平均值反馈方式。取样电流是滤波电感L上的电流,忽略纹波电流。 由电路可知, 所以从滤波电容上漏走的电流大小可以表示为 从式(9)可以了解到对于同样的给定输出电流,负载上的输出电流并不是确定的,而与负载、输出频率和滤波参数有密切的关系。考虑到实际装置隔离驱动负载是小确定的,为了保证任何负载下输出电流基本固定,加大输出电感L,减小输出电容C,可以使负载电流接近电感的电流,使负载趋于阻感性负载,保证负载电流处于某一范围。 根据以上的分析,进行了实验验证。实验参数如下:直流电源电压300V,逆变和Buck开关频率都为100kHz,C1=2.2nF,L1=115μH,C2=1OnF,L2=lOOμH。图8是实验所得波形,重载及轻载闭环前波形良好正弦,工作稳定可靠,轻载闭环后负载和谐振网络近似为纯感性,负载电流波形为三角波。 4 结语 本文主要介绍了Buck电路和全桥电路谐振电流源的工作模式,并根据谐振理论将方波的电流信号变成良好的正弦电流信号,从而减少了EMI及提高了效率。对并联谐振轻载情况下谐振效果不明显的缺陷,又进一步设计了两级LC谐振网络。仿真和实验效果表明该谐振电流源在不同负载下都能达到良好效果。作为具有良好正弦波形的高频电流型交流母线,在分布式电源系统日益发展的今天,将越来越显示其广阔的应用前景。
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