缓冲式软开关直流变换器的谐波分析

2011-03-30 21:47:45来源: 互联网

本文对缓冲式软开关直流变换器进行了分析,并且将变换器的输入和输出波形的谐波与硬开关电路相比较。结果表明该电路在具备了软开关特性的同时,还可以有效地降低高次谐波含量。

1 引言

在开关电源发展过程中,由于软开关技术的应用使开关频率和功率密度得到了提高,但是工作频率的提高却导致了其内部电磁环境的恶化,影响开关电源本身和外部电子设备的正常工作。在抑制EMI方面,抑制干扰源是一个治本的方法。但是将软开关技术与抑制EMI结合起来,还需要在电路拓扑设计和参数选择等方面加以研究。

在功率电子技术发展过程中,缓冲电路最早是被用来改善开关元件的工作条件,如避免SCR的误触发和安全导通等。在现代电力电子技术中,广泛采用高频化全控型功率开关元件,缓冲电路的作用已经转变到了减小开关损耗,实现软开关方面。由于缓冲式软开关技术具有其特有的优点,各种无损耗、低损耗的无源或有源形式的缓冲技术正受到越来越密切的关注、研究和应用。通过研究我们发现,缓冲式软开关技术在实现软开关的同时,对抑制高次谐波也有比较明显的作用。本文以buck电路为例,利用互感元件构成缓冲式软开关电路,并对其谐波特性进行比较分析。

2 电路拓扑与工作原理

电路拓扑如图1所示。开关元件T在开通时与L2串联,用以实现对开关电流的缓冲,延缓其上升的速度,实现开关元件T的零(低)电流开通;开关元件T在关断时,二极管D2续流导通,电容C1对s点电位的下降起到缓冲作用——T两端电压上升的速度被减缓,从而实现开关元件T的零(低)电压关断。互感元件的作用在于实现L3和C2储能和能量释放之间的无损坏传输。加入隔离二极管D2、D3用以防止C2与 L2 、L3之间构成LC谐振,否则将导致开关应力的增加和过渡过程的延长。

图1 缓冲式软开关电路

根据电路工作状态,采用时域分段方法分析各区间的工作情况。电路进入稳定工作状态后,开关导通时,互感器的等效漏感Lσ与开关串联,并且iLσ=0,所以在开关导通瞬间,iT=0——实现零电流开通。

在开关导通的同时,L3上感应电压uL3>0,D3导通,给电容C2充电。这个过程一直持续到uC2=Vi,D2导通,对L3续流。随后iL3逐渐衰减至零,D2、D3截止。

开关断开时,由于漏感Lσ的续流,使二极管D2导通。此时电容电压uc2=Vi,因此开关元件两端电压uT=0——由于电容电压不能突变,因此C2的缓冲作用实现了零电压关断。

电容C2放电过程带有一个附加的振荡过程:当uC2=0时,L1、L2的续流作用使C2反向充电,uC2<0,导致二极管D3导通。此时电流iL3一部分给电容C2充电,使uC2=0;另一部分流入L1。由于L1上的感应电压为负值,续流电流iL3逐渐减小至零,使得L2上的电流也减小至零。这时二极管D1导通,给L1续流, L1中的储能向负载和电容C1释放,直到下一个导通时刻的到来。仿真波形如图2所示。从仿真结果看,开关元件的开通电流和关断电压被有效地缓冲,其负载线动态轨迹紧靠坐标轴(图3)。从uD1、iD1波形可以看出,其关断是一个渐变的过程,说明缓冲电路对这种无源开关元件也具有降低开关损耗的作用。

图2 仿真波形  图3 开关元件的动态轨迹

3 谐波分析与比较

在图4所示的硬开关buck电路中,PMOS管T和二极管D1作为开关元件,是主要的躁声源。除辐射影响外,它的输入电流和输出电压中的谐波对外电路影响较大。

从工作波形分析与仿真结果中可以看到,与硬开关电路相比,缓冲电路对外部电路而言,主要是对直流变换电路的输入电流和输出电压波形产生影响:

a 由于开关开通时,互感L3支路给电容C2充电,因此滤波电感中的电流iL1除激磁分量iL1a外,还有一个负载分量iL1b,即:

负载分量的增加,使输入电流波形产生一个正向脉动。但由于缓冲作用使输入电流的di/dt值减小,因此总的谐波含量下降(见图5)。

图4 硬开关buck电路  图5 输入电流谐波比较

b 开关断开后,二极管D2续流导通,电容C2放电——缓冲开关电压。放电结束后,D3续流导通。这是一个换路过程,此时,L1、L2、L3成串联关系,由于在串联支路中,L1与L3的同名端方向相反,支路总电感量减小:

L=L1+L2-L3

为维持磁势平衡,电感电流则相应增大:

从以上分析可以看出,缓冲电路的两个缓冲过程,对电网而言,由于变换器输入电流谐波成分的降低而减小了污染;对输出而言,脉动的影响也不大,谐波并无明显的增加,因此容易滤除。

图6 滤波电感的电流波形  图7 滤波电感的电流谐波

4 结束语

通过以上分析可以看到,缓冲式软开关电路不但具有软开关特性,减小开关损耗,而且还可以起到抑制谐波的作用。这对于降低电磁干扰和减小电网污染具有重要意义。

关键字:缓冲  谐波分析

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0330/article_6407.html
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