畢業(yè)設(shè)計(jì)論文:一種新型無損電力電子緩沖器研究與仿真_第1頁(yè)
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1、一種新型無損電力電子緩沖器研究與仿真燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書學(xué)院:電氣工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位:電氣工程及自動(dòng)化 學(xué)號(hào)61203031051學(xué)生姓名 專 業(yè)班 級(jí)應(yīng)用電子06-1題目題目名稱一種新型無損電力電子緩沖器研究與仿真題目性質(zhì)1.理工類:工程設(shè)計(jì) ( );工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型( );理論研究型();計(jì)算機(jī)軟件型( );綜合型( )。2.管理類( );3.外語(yǔ)類( );4.藝術(shù)類( )。題目類型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)( ) 2.論文( )題目來源科研課題( ) 生產(chǎn)實(shí)際( )自選題目( ) 主要內(nèi)容1了解緩沖器的工作原理和基本作用,主要種類、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合2.研讀無損耗緩沖器的典型文獻(xiàn),歸納總結(jié)

2、實(shí)現(xiàn)無損耗緩沖器的基本思路3.設(shè)計(jì)一個(gè)無損耗緩沖器電路4.完成仿真實(shí)驗(yàn)5.根據(jù)仿真結(jié)果,總結(jié)無損耗緩沖器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)基本要求1.完成設(shè)計(jì)說明書一份(不少于80頁(yè)),A1電氣原理圖一張。2.說明書及插圖一律用鋼筆撰寫,要求條理清晰、文筆通順、字跡工整、圖形及文字符號(hào)復(fù)合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。3.按教研室指定的地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),嚴(yán)格按計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。參考資料1. Analysis Design and Performance of Flying-Capacitor Passive Loss less Snubber Applied to PFC Boost Converter IEEE APEC20

3、02. Session 11.62. A Boost Converter with Loss less under Minimum Voltage Stress IEEE APEC2002. Session 11.73. 直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù) 阮新波 嚴(yán)仰光 科學(xué)技術(shù)出版社 2000年自查文獻(xiàn)35篇。周 次14周58周912周1316周1718周應(yīng)完成的內(nèi)容閱讀文獻(xiàn)資料,了解系統(tǒng)工作原理。電路設(shè)計(jì),參數(shù)計(jì)算。熟悉仿真軟件。電路仿真,波形分析,進(jìn)行對(duì)比研究。理論總結(jié),論文初稿,畫圖。撰寫論文,準(zhǔn)備答辯。指導(dǎo)教師:職稱: 年 月 日系級(jí)教學(xué)單位審批: 年 月 日摘要本生的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容是一種新型

4、電力電子緩沖器研究與仿真,在本論文中主要研究了一種適用于大功率Buck變換器的帶耦合電感的最小電壓應(yīng)力(Minimun Voltage Stress,簡(jiǎn)稱MVS)無源無損零電流開通緩沖電路,它利用耦合電感的漏感與諧振電容在功率管開關(guān)過程中進(jìn)行諧振,實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。分析了變換器的工作模態(tài),給出了軟開關(guān)環(huán)節(jié)中耦合電感和諧振電容的參數(shù)設(shè)計(jì)方法,并用仿真軟件進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管零電流開通和近似零電壓關(guān)斷,抑制了功率二極管的反向恢復(fù)過程,減小了開關(guān)損耗,提高了變換器的效率。關(guān)鍵詞變換器;無源無損;零電流開關(guān) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)AbstractThe graduation

5、design is a new kind of power electronic buffer research and simulation. This paper investigates a novel coupled-inductor passive lossless snubber circuit with minimum voltage stress(MVS)for high power Buck converters. In order to realize the soft-switching of insulated gate bipolar transistor(IGBT)

6、,the resonant process between the leakage inductance of coupled-inductor and resonant capacitors of snubber circuit is utilized while IGBT is switching. Operation mode is analyzed,parameters design procedure of coupled-inductor and resonant capacitors are presented and a prototype is built and teste

7、d. The experimental result shows that this topology can realize zero current switching(ZCS) when IGBT turns on and approximate to ZVS when IGBT turns off,the reverse recovery process of the main diode is inhibited,switch loss is reduced and the efficiency of the converter is improved. Keywords conve

8、rter ;passive lossless;zero current switchingI 目 錄摘要IVAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 軟開關(guān)技術(shù)的提出與發(fā)展21.3緩沖器的工作原理3緩沖電路的作用與基本類型4緩沖電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)81.4 課題研究的主要工作11第2章 無損緩沖器主電路設(shè)計(jì)132.1 BUCK電路的研究13電路組成13電路工作原理14工作過程分析162.2主電路BUCK電路中緩沖電路的設(shè)計(jì)19無損緩沖BUCK變換器理論工作波形21緩沖電路參數(shù)設(shè)計(jì)232.3 本章小結(jié)24第3章 無損緩沖器控制電路設(shè)計(jì)253.1 單周期控制技術(shù)25控制技術(shù)的基本原

9、理25單周期控制原理擴(kuò)展27固定開關(guān)頻率的單周期控制29單周期控制電路中的開關(guān)誤差自動(dòng)補(bǔ)償303.2本章小結(jié)31第四章緩沖器的仿真33介紹33電路仿真及實(shí)驗(yàn)波形354.2 本緩沖電路的不足364.3本章小結(jié)37結(jié)論38參考文獻(xiàn)39致謝40附錄141附錄246附錄349附錄454III第1章 緒論 第1章 緒論1.1 課題背景 45 第1章 緒論 電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài),電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件而導(dǎo)致因損耗散發(fā)的熱量致使器件溫度過高而損壞。這是因?yàn)殡娏﹄娮悠骷趯?dǎo)通或者阻斷狀態(tài)下,并不是理想的短路或者斷路。導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降,阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電電流流過

10、,盡管其數(shù)值都很小,但分別與數(shù)值較大的通態(tài)電流和斷態(tài)電壓相互作用,就形成了電力電子器件的通態(tài)損耗和斷態(tài)損耗。此外,還有在電力電子器件由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)(開通過程)或者由通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)(關(guān)斷過程)的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗,即開通損耗和關(guān)斷損耗,總稱開關(guān)損耗。對(duì)于某些器件來講,驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱而產(chǎn)生損耗的原因之一。通常來講,除一些特殊的器件外,電力電子器件的斷態(tài)漏電流都極其微小,因而通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要原因。當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時(shí),開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。尤其現(xiàn)代電力電子裝置其開關(guān)器件大部分都工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。功率器件在開通時(shí),其電流由零

11、逐步上升,而電壓逐步下降。電流上升和電壓下降有一重疊過程,于是產(chǎn)生了功率損耗,即開通損耗;功率器件在關(guān)斷時(shí),也有一個(gè)電壓上升、電流下降的重疊過程,此時(shí)產(chǎn)生的損耗即關(guān)斷損耗。當(dāng)然,還有寄生電容開通放電損耗,但極小,可忽略。這些損耗統(tǒng)稱開關(guān)損耗。顯然如上所說,頻率越高,損耗越大。如果開關(guān)器件工作在高頻下時(shí),高電壓和大電流重疊,不僅損耗很大,更是對(duì)開關(guān)器件的安全工作構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為降低開關(guān)損耗,確保開關(guān)器件工作在安全區(qū),各種各樣的緩沖吸收電路應(yīng)運(yùn)而生。其主要作用是抑制開關(guān)器件的、。緩解電壓電流應(yīng)力,減少電磁干擾(EMI)。傳統(tǒng)的RCD或者RLD緩沖電路僅僅將功率開關(guān)管的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電阻R上,依

12、靠電阻R來消耗多余的能量,R將電能轉(zhuǎn)變成熱能散發(fā)。不僅使電子裝置工作效率降低,而且增加了裝置的散熱負(fù)擔(dān)。很難適合一些高要求的場(chǎng)合。近年來,發(fā)展迅速的無損吸收技術(shù),以其無損、高效、高可靠性得到人們普遍的青睞。1.2 軟開關(guān)技術(shù)的提出與發(fā)展傳統(tǒng)的各種 PWM 換流器中,功率開關(guān)器件以硬開關(guān)的方式工作,即在開關(guān)元件每次切換動(dòng)作中(開通、關(guān)斷),要在高電壓下接通或斷開全部負(fù)載電流,處于強(qiáng)迫開關(guān)狀態(tài),開關(guān)元件要承受很強(qiáng)的電壓電流應(yīng)力,開關(guān)損耗也較大。同時(shí),開關(guān)元件切換動(dòng)作引起較大的和,造成較嚴(yán)重的電磁干擾。因此,硬開關(guān)工作方式有熱學(xué)限制、二次擊穿限制、電磁干擾限制、緩沖電路限制等諸多局限性。為了減小各種

13、開關(guān)型變換器體積、重量、損耗,提高換流器功率密度,提高開關(guān)頻率是非常有效的手段。但是隨著開關(guān)頻率的增高,硬開關(guān)的上述缺陷益發(fā)明顯,限制了開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高,也限制了換流器向更加小型、輕型化發(fā)展。因此,人們想到,如果在開關(guān)元件切換時(shí),開關(guān)兩端的電壓或者流過開關(guān)的電流為零(或兩種情況同時(shí)發(fā)生),即實(shí)現(xiàn)零電壓、零電流切換,將能夠有效地解決上述問題。于是,提出了軟開關(guān)技術(shù)1。軟開關(guān)技術(shù)企圖使電路主開關(guān)在零電壓或(和)零電流時(shí)開關(guān)動(dòng)作,與其工作方式相對(duì)應(yīng),大體上有兩種實(shí)現(xiàn)方式。其一,零電壓開通、零電流關(guān)斷,此方式必須借助輔助開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、檢測(cè)電路及控制策略,或按特別的工作模式,往往以有源、諧振的方式來實(shí)現(xiàn)

14、,因此,其控制復(fù)雜、附加成本較大、可靠性相對(duì)較低;其二,零電流開通、零電壓關(guān)斷,此方式可以借助于電感、電容與開關(guān)的串并聯(lián)來實(shí)現(xiàn),適用于所有工作模式和控制策略,且附加成本低、工作效率和可靠性較高,因而,緩沖吸收技術(shù)是唯一可能以無源方式實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的途徑。正是由于無源緩沖吸收技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì),它已在單端變換器領(lǐng)域基本確立了主流地位。與軟開關(guān)技術(shù)的上述兩種實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)應(yīng),出現(xiàn)了兩種發(fā)展方向:軟開關(guān)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向是附加開關(guān)或改變主電路拓?fù)涞刃问剑话阍趽Q流器電路中都需要某種形式的 L-C 諧振電路,因此,稱之為諧振換流器。軟開關(guān)技術(shù)的另一個(gè)發(fā)展方向是無損(低損)緩沖吸收電路。緩沖吸收電路,是最早的開

15、關(guān)工作條件改善技術(shù),其基本原理是在主開關(guān)所在功率回路上,以一容性支路與之并聯(lián),以一感性元件與之串聯(lián),利用電容兩端電壓和電感中電流不能突變的特性,在主管開關(guān)期間避免它同時(shí)承受高電壓大電流,實(shí)現(xiàn)開關(guān)工況的軟化2。功率開關(guān)器件的瞬態(tài)損耗可分為三種:開通損耗、關(guān)斷損耗和寄生電容開通放電損耗。吸收電路不影響后者,從理論上講也不能完全消除器件開通和關(guān)斷損耗,但吸收電感/電容取值越大,開關(guān)軌跡越靠近電壓電流坐標(biāo)軸,主管開關(guān)損耗越小,越接近理想的軟開關(guān)情況。而吸收元件取值越大,存儲(chǔ)能量越多,傳統(tǒng)的耗能式吸收電路把這些能量通過電阻泄放。主管開關(guān)損耗的降低以上述額外吸收損耗的增加為代價(jià),二者存在著難以調(diào)和的矛盾。

16、無損(低損)吸收技術(shù)的基本思路就在于處理吸收儲(chǔ)能元件中的能量,將其回饋至電源(或/和負(fù)載)或大幅削減其數(shù)值,從而消除(削弱)損耗問題,達(dá)到軟開關(guān)目的。無損吸收電路目前在單端變換器領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用,無論是單獨(dú)的無損耗開通、關(guān)斷吸收,還是統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò),都已進(jìn)入實(shí)用化階段,尤其是后者,理論成熟,拓?fù)渫晟?,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明,設(shè)計(jì)靈活,已有很高的理論評(píng)價(jià)和工程效益。1.3緩沖器的工作原理 緩沖器,又名吸收電路、緩沖電路或開關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)其基本原理是在主開關(guān)所在功率回路上以一容性元件與之并聯(lián)、 一感性元件與之串聯(lián),利用電容端電壓和電感中的電流不能突變的特性,避免開關(guān)承受高電壓、大電流,實(shí)現(xiàn)開關(guān)工作狀況的軟化。在各種形式的

17、開關(guān)變流器中,為了減小功率管的電流、電壓及熱應(yīng)力,降低損耗,提高變流器效率,減小電磁干擾,提高開關(guān)頻率和增加變流器功率密度,廣泛采用了軟開關(guān)技術(shù)。作為軟開關(guān)技術(shù)的一種,無源無損緩沖電路通過在主電路中附加電容、電感及二極管等無源元器件,使主開關(guān)具有零電壓、零電流開關(guān)條件,并且由于能將緩沖電路上的儲(chǔ)能全部傳遞給負(fù)載,從理論上講緩沖電路是沒有損耗的,這也有利于提高變換器的效率。為了確保功率開關(guān)管安全可靠地工作,則功率開關(guān)管必須工作在安全區(qū)。但在硬開關(guān)條件下,功率開關(guān)管在開通和關(guān)斷過程中可能承受過壓、過流,過大的和的沖擊,使開關(guān)管發(fā)熱,如不采取保護(hù)措施,可能使功率開關(guān)管超出安全工作區(qū)而損壞。為此,在功

18、率電路中,通常設(shè)置緩沖電路或采用軟開關(guān)技術(shù),以防止瞬時(shí)過壓、過流,過大的和,減小開關(guān)損耗,確保開關(guān)管工作在安全工作區(qū)。緩沖電路的形式很多,可根據(jù)不同的場(chǎng)合合理選用。常用的緩沖電路,簡(jiǎn)單的有無源的并聯(lián)RC電路、并聯(lián)RCD緩沖電路、RCD限幅箝位緩沖電路等,還有較復(fù)雜的有源緩沖、軟開關(guān)電路等。有源緩沖電路在電路結(jié)構(gòu)、控制方法上都比較復(fù)雜,成本價(jià)格也比較高。而無源緩沖電路往往是用緩沖電容C吸收功率開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的能量,然后消耗在電阻R上,雖然可以改善開關(guān)器件的關(guān)斷特性,但降低了電路的變換效率,并且在大功率場(chǎng)合,需要大功率的電阻,而消耗掉大量能量,甚至改變了設(shè)備的工作環(huán)境。為此,為了簡(jiǎn)化電路,提高變換

19、效率,有必要研究無源無損緩沖電路3。緩沖電路的作用與基本類型緩沖電路在電力半導(dǎo)體器件的應(yīng)用技術(shù)中起著重要的作用。因?yàn)殡娏Π雽?dǎo)體器件的可靠性與它在電路中承受的各種應(yīng)力(電的、熱的)有關(guān),所承受的應(yīng)力越低工作可靠性越高。電力半導(dǎo)體器件開通時(shí)流過很大的電流,阻斷時(shí)承受很高的電壓;尤其在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間,電路中各種儲(chǔ)能元件的能量釋放會(huì)導(dǎo)致器件經(jīng)受很大的沖擊,有可能超過器件的安全工作區(qū)而導(dǎo)致?lián)p壞。附加各種緩沖電路,目的不僅是降低浪涌電壓、, ,還希望能降低器件的開關(guān)損耗、避免器件的二次擊穿和抑制電磁干擾,提高電路的可靠性。緩沖器的類型按電路作用可分為開通緩沖器和關(guān)斷緩沖器,其中關(guān)斷緩沖電路又稱為抑制電路,用

20、于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換向過電壓,抑制減小器件關(guān)斷損耗。開通緩沖電路又稱為抑制電路,用于抑制器件開通時(shí)的電流過沖和減小器件的開通損耗。按緩沖器的能量損耗可分為耗能式緩沖器和饋能式緩沖器。耗能式緩沖器是把開關(guān)損耗從器件本身移至緩沖器內(nèi),然后消耗在電阻上,即開關(guān)器件損耗減少了,安全運(yùn)行得到了保證,但開關(guān)器件的總損耗并未減少。而饋能式緩沖器是將緩沖電路中的電感元件與電容元件在開關(guān)器件導(dǎo)通與關(guān)斷過程中的儲(chǔ)能回饋到電源或負(fù)載內(nèi), 減少實(shí)際的電能損耗。由于后者節(jié)能效果明顯,故大功率開關(guān)電路經(jīng)常采用4。晶閘管開通時(shí),為了防止過大的電流上升率而燒壞器件,往往在主電路中串入一個(gè)扼流電感,以限制過大的,串聯(lián)電感

21、及其配件組成了開通緩沖電路,或稱串聯(lián)緩沖電路。晶閘管關(guān)斷時(shí),電源|穩(wěn)壓器電壓突加在管子上,為了抑制瞬時(shí)過電壓和過大的電壓上升率,以防止晶閘管內(nèi)部流過過大的結(jié)電容電流而誤觸發(fā),需要在晶閘管的兩端并聯(lián)一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成關(guān)斷緩沖電路,或稱并聯(lián)緩沖電路。GTR、GTO等全控型自關(guān)斷器件在實(shí)際使用中都必須配用開通和關(guān)斷緩沖電路;但其作用與晶閘管的緩沖電路有所不同,電路結(jié)構(gòu)也有差別。主要原因是全控型器件的工作頻率要比晶閘管高得多,因此開通與關(guān)斷損耗是影響這種開關(guān)器件正常運(yùn)行的重要因素之一。例如,GTR在動(dòng)態(tài)開關(guān)過程中易產(chǎn)生二次擊穿的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象又與開關(guān)損耗直接相關(guān)。所以減少全控器件的開關(guān)損耗至關(guān)重要,緩

22、沖電路的主要作用正是如此,也就是說GTR和功率MOSFET用緩沖電路抑制和,主要是為了改變器件的開關(guān)軌跡,使開關(guān)損耗減少,進(jìn)而使器件可靠地運(yùn)行。圖1-1(a)是沒有緩沖電路時(shí)GTR開關(guān)過程中集電極電壓和集電極電流的波形,由圖可見開通和關(guān)斷過程中都存在和同時(shí)達(dá)到最大值的時(shí)刻;因此出現(xiàn)了瞬時(shí)的最大開關(guān)損耗功率和,從而危及器件的安全。所以,應(yīng)采用開通和關(guān)斷緩沖電路,抑制開通時(shí)的,降低關(guān)斷時(shí)的,使和的最大值不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。圖1-1(b)是GTR開關(guān)過程中的和的軌跡,其中軌跡1和2是沒有緩沖電路的情況,開通時(shí)由(電源電壓)經(jīng)矩形軌跡降到0,相應(yīng)地由0升到;關(guān)斷時(shí)由經(jīng)矩形軌跡降到0,相應(yīng)地由0升高到。不但集

23、電極電壓和電流的最大值同時(shí)出現(xiàn),而且電壓和電流都有超調(diào)現(xiàn)象,這種情況下瞬時(shí)功耗很大,極易產(chǎn)生局部熱點(diǎn),導(dǎo)致GTR的二次擊穿而損壞。加上緩沖電路后,和的開通與關(guān)斷軌跡分別如3和4所示,由圖可見,其軌跡不再是矩形,避免了兩者同時(shí)出現(xiàn)最大值的情況,大大降低了開關(guān)損耗,并且最大程度地利用于GTR電氣性能5。(a) GTR在開關(guān)過程中的和波形 (b)和的軌跡圖1-1 GTR在關(guān)斷過程中的和的軌跡GTR的開通緩沖電路用來限制導(dǎo)通時(shí)的,以免發(fā)生元件的過熱點(diǎn),而且它在GTR逆變器中還起著抑制貫穿短路電流的峰值及其的作用。GTO的關(guān)斷緩沖電路不僅為限制GTO關(guān)斷時(shí)再加電壓的及過電壓,而且對(duì)降低GTO的關(guān)斷損耗,

24、使GTO發(fā)揮應(yīng)有的關(guān)斷能力,充分發(fā)揮它的負(fù)荷能力起重要作用。IGBT的緩沖電路功能更側(cè)重于開關(guān)過程中過電壓的吸收與抑制,這是由于IGBT的工作頻率可以高達(dá)3050kHz;因此很小的電路電感就可能引起頗大的,從而產(chǎn)生過電壓,危及IGBT的安全。圖2(a)和圖2(b)是PWM逆變器中IGBT在關(guān)斷和開通中的和波形。由圖2(a)可見,在下降過程中IGBT上出現(xiàn)了過電壓,其值為電源電壓和兩者的疊加。(b) 開通時(shí)的和(a)關(guān)斷時(shí)的和圖1-2 逆變器中IGBT開通和關(guān)斷時(shí)的波形圖1-2(b)為開通時(shí)的和波形,圖中增長(zhǎng)極快的出現(xiàn)了過電流尖峰,當(dāng)回落到穩(wěn)定值時(shí),過大的電流下降率同樣會(huì)引起元件上的過電壓而須加

25、以吸收(如圖所示)。逆變器中IGBT開通時(shí)出現(xiàn)尖峰電流,其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流,所以在此二極管恢復(fù)阻斷前,剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時(shí)貫穿短路,使出現(xiàn)尖峰,為此需要串入抑流電感,即串聯(lián)緩沖電路,或放大IGBT的容量。綜上所述,緩沖電路對(duì)于工作頻率高的自關(guān)斷器件,通過限壓、限流、抑制和,把開關(guān)損耗從器件內(nèi)部轉(zhuǎn)移到緩沖電路中去,然后再消耗到緩沖電路的電阻上,或者由緩沖電路設(shè)法再反饋到電源中去。此緩沖電路可分為兩在類,前一種是能耗型緩沖電路,后一種是反饋型緩沖電路。能耗型緩沖電路簡(jiǎn)單,在電力電子器件的容量不太大,工作頻率也

26、不太高的場(chǎng)合下,這種電路應(yīng)用很廣泛6。 緩沖電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 緩沖電路的功能包括抑制和吸收二個(gè)方面。圖1-3(a)是這種電路的基本結(jié)構(gòu),串聯(lián)的Ls用于抑制的過量,并聯(lián)的Cs通過快速二極管Ds充電,吸收器件上出現(xiàn)的過電壓能量,由于電容電壓不會(huì)躍變,限制了重加。當(dāng)器件開通時(shí)Cs上的能量經(jīng)Rs泄放。對(duì)于工作頻率較高、容量較小的裝置,為了減少損耗,可將圖1-3(a)的RLCD電路簡(jiǎn)化為圖1-3(b)的形式。這種由RCD網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的緩沖電路普遍用于GTR、GTO、電力MOSFET及IGBT等電力電子器件的保護(hù)。(b)并聯(lián)RCD緩沖電路(a)串并聯(lián)RLCD緩沖電路圖1-3電力電子器件的基本緩沖電路 圖1-

27、4所示的幾種緩沖電路是上述基本RCD緩沖電路的簡(jiǎn)化或演變。如圖所示,既可用于逆變器中IGBT模塊的保護(hù),也適用于其他電子器件的緩沖保護(hù);但其性能有所不同。圖1-4(a)是最簡(jiǎn)單的單電容電路,適用于小容量的IGBT模塊(1050A)或其他容量較小的器件;但由于電路中有無阻尼元件,容易產(chǎn)生振蕩,為此Cs中可串入Rs加以抑制,這種RC緩沖電路在晶閘管的保護(hù)中已用得很普遍。圖1-4(b)是把RCD緩沖電路用于由兩只IGBT組成橋臂的模塊上,此電路比較簡(jiǎn)單;但吸收功能較單獨(dú)使用RCD時(shí)略差,多用于小容量元件的逆變器橋臂上。有時(shí)還可以把圖1-4(a)、圖1-4(b)兩種緩沖電路并聯(lián)使用,以增強(qiáng)緩沖吸收的功

28、能。圖1-4(c)是Rs交叉連結(jié)的緩沖電路,當(dāng)器件開斷時(shí),Cs經(jīng)Ds充電,抑制;當(dāng)器件開通前,Cs經(jīng)電源和Rs釋入電荷,同時(shí)有部分能量得到反饋,這種電路對(duì)大容量的器件,例如,400A以上的IGBT模塊比較適合7。圖1-4 電力電子器件的其他緩沖電路(e) 形吸收電路(d)不對(duì)稱有反饋功能的RCD電路(c) 有反饋功能的RCD電路(b) 橋臂模塊公用的RCD電路(a) IGBT橋臂模塊的單電容電路圖1-4(d)是大功率GTO逆變橋臂上的非對(duì)稱RLCD緩沖電路。圖1-4(d)中電感受Ls經(jīng)過Ds和RS釋放磁場(chǎng)能量。GTO開斷時(shí),Cs經(jīng)Ds吸收能量并經(jīng)Rs把部分能量反饋到電網(wǎng)上去;因此損耗較小,適用

29、于大容量的GTO逆變器。圖1-4(c)和圖1-4(d)的功能類似,其Cs具有吸收電能和電壓箝位雙重功能,且效率較高。圖1-4(e)是三角形吸收電路,這里吸收電容C1-C3為三角形聯(lián)結(jié),在T1關(guān)斷時(shí),并聯(lián)在T1兩端的總吸收電容量C3和C2串聯(lián)再和C1并聯(lián)后組成,這種電路的特點(diǎn)是:1.三只電容器之間幾乎不需要連結(jié)線,所以寄生電感極小;2.在電力電子器件工作過程中每只電容器都參與工作,電容器利用率高;3.電路的損耗較小,日立公司曾在一定的條件下進(jìn)行試驗(yàn)比較,這種電路的損耗約為RCD電路損耗的40%,因此我國(guó)研制中的CTO交流傳動(dòng)電力機(jī)車逆變器也采用這種電路,其GTO的規(guī)格為3000A、4500V,吸

30、收電容量為C1=C2=C3=18F。(b) 使陽(yáng)極電壓產(chǎn)生峰值(a)緩沖電路中的圖1-5 緩沖電路中的雜散電感對(duì)關(guān)斷波形的影響緩沖電路引線中的雜散電感必須限制到最小,以防止電力電子器件在關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)電壓尖峰,并消除雜散電感與緩沖電路中Cs構(gòu)成諧振回路所產(chǎn)生的振蕩。圖1-5是以電感性負(fù)載中的GTO的緩沖電路為例,說明雜散電感對(duì)關(guān)斷過程中陽(yáng)極電壓產(chǎn)生尖峰電壓UP的影響。在陽(yáng)極電流迅速下降時(shí),隨著CS快速充電,上所產(chǎn)生的電勢(shì)加在GTO上;故越大,UP越大,管耗也越嚴(yán)重。此外,在感性負(fù)載下陽(yáng)極電流下降率與緩沖電路中的電流上升率相等,故負(fù)載電流越大,下降越快,也越大,同樣會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。所以緩沖電路中的R

31、、C、D等元件也力求采用無感元件81.4 課題研究的主要工作在了解了緩沖電路的基本組成和工作原理,通過對(duì)緩沖電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的進(jìn)一步了解與分析之后,在課題的研究設(shè)計(jì)中,總結(jié)歸納出有以下工作重點(diǎn):1.開關(guān)開通時(shí),開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行,通過設(shè)計(jì)近似的實(shí)現(xiàn)軟開通過程,電壓先降到零,電流再緩慢上升到通態(tài)值,即零電流開通。2.開關(guān)關(guān)斷時(shí),開關(guān)器件的電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行,通過設(shè)計(jì)近似實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷過程,電流先降到零,電壓在緩慢上升到通態(tài)值,即零電壓關(guān)斷。3.感性關(guān)斷電壓尖峰大。當(dāng)器件關(guān)斷時(shí),電路的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓,開通頻率越高,關(guān)斷越快,該感應(yīng)電壓越高,此電壓加在開關(guān)器件兩端,容

32、易造成器件擊穿。4.容性開通電流尖峰大。當(dāng)器件在很高的電壓下開通時(shí),開關(guān)管在此期間內(nèi)的開通動(dòng)作容易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率越高,該沖擊電流越大,對(duì)器件的安全運(yùn)行造成危害。5.電磁干擾的影響。隨著頻率的提高,電路中的和增大,從而導(dǎo)致電磁干擾增大,影響整流器和周圍電子設(shè)備的工作。第2章 無損緩沖器主電路設(shè)計(jì) 第2章 無損緩沖器主電路設(shè)計(jì)2.1 BUCK電路的研究采用Buck電路的大功率電源變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、效率高的優(yōu)點(diǎn),但是傳統(tǒng)的RCD或者RLD緩沖電路僅僅將功率開關(guān)管的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電阻上,影響了系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提高9。2.1.1 BUCK電路組成 圖2-1 Buck型變換器電路

33、Buck型變換器的組成如圖2-1所示,由一個(gè)電子開關(guān)S,二極管D,電感L,電容C和一個(gè)基本負(fù)載R組成,屬于非隔離式變換器。經(jīng)過串聯(lián)電感濾波電路的濾波,在電壓輸出端就可得到平穩(wěn)的直流輸出電壓了。通過控制開關(guān)S開通和斷開的比例,就可以對(duì)輸出電壓的高低進(jìn)行控制,這是Buck型變換器電路的特點(diǎn)。Buck型變換器也叫串聯(lián)開關(guān)變換器或者降壓式開關(guān)變換器,當(dāng)要求較低輸出電壓的場(chǎng)合就要使用降壓式變換器電路。 Buck電路工作原理 開關(guān)閉合狀態(tài)時(shí)的等效電路如圖2-2(a)所示,開關(guān)斷開狀態(tài)時(shí)的等效電路如圖2-2(b)所示,開關(guān)閉合時(shí)能量從電源注入并存儲(chǔ)于電感之中。由于二極管被反偏,負(fù)載電流完全由濾波電容通過釋放

34、電荷的形式提供。當(dāng)開關(guān)斷開后,由于電感中的電流不能突變,將產(chǎn)生極性為左負(fù)右正的電勢(shì)并與輸入電源疊加迫使二極管導(dǎo)通并將電感儲(chǔ)能饋送至輸出端。開關(guān)閉合的時(shí)間越長(zhǎng),電感中的電流也就越大,磁儲(chǔ)能也就越多,開關(guān)斷開期間向輸出端饋送的能量越多,因此輸出端的電壓也就越高。這樣,調(diào)節(jié)占空比D就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓。同樣當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)也可以通過改變占空比達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。圖2-2 Buck變換器兩種開關(guān)狀態(tài)下的等效電路上述分析表明:在串聯(lián)式開關(guān)變換器電路中,串聯(lián)電感的作用是濾波,經(jīng)過串聯(lián)電感濾波電路的濾波,在輸出端就可以得到平穩(wěn)的直流輸出電壓了。由圖2-2可以列出開關(guān)閉合時(shí)的電路方程,由于此時(shí)電路可

35、以劃分成單獨(dú)的兩個(gè)部分分別單獨(dú)考察,因此輸入部分為: (2-1)慮初始條件,可得電感電流變化規(guī)律: (2-2)在時(shí)電感電流達(dá)到最大: (2-3)另外,根據(jù)等效電路和假設(shè),開關(guān)斷開時(shí)的原始微分電路的微分方程為: (2-4)此時(shí)的初始條件,因此其解為: (2-5)當(dāng)時(shí)電感電流達(dá)到最小,注意到穩(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)周期內(nèi)電感電流的凈變化量為零的特征,開關(guān)斷開末期電感電流的最小值等于下一個(gè)周期開關(guān)閉合電感電流的初始值:。所以有: (2-6)消去L,又和,可以得到輸入電壓、輸出電壓和占空比D三者的關(guān)系如下: (2-7)由于D是恒小于1的,所以輸出電壓總是小于輸入電壓,電壓增益恒小于1,因此又叫做降壓變換器。根據(jù)上面

36、的分析可知電感電流成周期性脈動(dòng),是一個(gè)鋸齒波形狀的脈動(dòng)電流。電感電流的平均值等于輸出的負(fù)載電流,其脈動(dòng)成分就是濾波電容的充、放電電流。并有以下關(guān)系: (2-8)輸入電流與輸出電流的關(guān)系 (2-9)另外,Buck型變換器的輸出端實(shí)際上是一個(gè)LC濾波器,由此不難理解為了降低輸出紋波系數(shù)必須使濾波器的通頻帶遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率。即 (2-10)理想直流變換應(yīng)具備的性能:1.輸入輸出端的電壓均為平滑直流,無交流諧波分量;2.輸出阻抗為零;3.快速動(dòng)態(tài)響應(yīng),抑制能力強(qiáng);4.高效率小型化:單象限降壓型電路。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要注意LC10。工作過程分析變換器的整個(gè)工作過程可以分為動(dòng)態(tài)階段和穩(wěn)態(tài)階段兩段。設(shè)初始狀態(tài)

37、為零,即:電容的電壓為零,電桿的電流為零,開關(guān)以一定的占空比周期工作。剛開始時(shí),當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí),輸入電壓完全加在二極管D的兩端,上正下負(fù),二極管被反偏截止。由于此時(shí)電容C的初始電壓為零(輸出電壓為零),電容電壓不能突變,所以輸入電壓完全加在電感L之上,沿著電感L電容C和電阻R構(gòu)成的回路建立起初始電流。隨著開關(guān)閉合時(shí)間的增加,電感電流逐漸增大,這個(gè)電感電流中的一部分供給電阻R成為輸出電流;另一部分對(duì)電容充電使電容兩端電壓逐步上升。由于電容電壓從零開始建立,在開關(guān)S閉合器件電感電流的增量較大,而輸出給R的負(fù)載電流與電容電壓成正比,故開始階段電容的充電電流最大,電容電壓上升的最快。當(dāng)開關(guān)S斷開后,由

38、于電感電流不能突變,失去外加激勵(lì)趨于下降的電感電流在電感L的兩端產(chǎn)生右正左負(fù)的感應(yīng)電勢(shì),這一感應(yīng)電勢(shì)將克服電容器電壓使二極管D承受正偏導(dǎo)通,形成L至C、R至D至L的續(xù)流回路。在開始階段的若干個(gè)周期內(nèi)由于電容電壓尚處于一個(gè)比較低的數(shù)值,輸出的負(fù)載電流不大,因此電感電流的大部分扔將作為充電電流對(duì)電容充電,使得電容電壓繼續(xù)升高,不過在開關(guān)斷開期間,由于電感電流的總趨勢(shì)是下降,因此電容的充電電流在逐漸減小,電容電壓上升的速度逐漸變緩。這種情形將持續(xù)若干個(gè)周期,這一階段成為過渡過程的第一階段,也是動(dòng)態(tài)過程的初始階段。這一階段的特點(diǎn)是:不論開關(guān)的狀態(tài)如何,電容電壓使在不斷升高。輸出電流也在不斷增加。在其后

39、的若干周期內(nèi),開關(guān)閉合期間內(nèi)電感電流仍將增加,并同時(shí)給負(fù)載電阻R和電容C提供電流。但是由于輸出電壓的不斷升高,使得輸出的負(fù)載電流也在不斷增加,另一方面由于電容電壓的增加,開關(guān)閉合期內(nèi)電感電流的增加量將減小,所以在開關(guān)斷開期間,電容的充電電流將由原來始終大于零將逐漸變?yōu)橐欢螘r(shí)間內(nèi)大于零,一段時(shí)間里小于零,即:隨著電感電流的逐漸下降,由原來的電感除了能提供足夠的負(fù)載電流之外還始終能給電容提供一部分充電電流逐漸變?yōu)殡姼须娏鞑粌H不能給電容提供充電電流,而且負(fù)載所需要的電流的一部分還要靠電容的放電電流繼續(xù)維持。在一個(gè)周期內(nèi),如果電容的充電電荷量大于放電電荷量,雖然電容電壓會(huì)出現(xiàn)時(shí)而上升時(shí)而下降的現(xiàn)象,但

40、總體上講電容電壓仍保持上升的趨勢(shì)。這一階段是動(dòng)態(tài)過渡過程的第二階段,也是后期階段。這一階段的特點(diǎn)是:隨著輸出電壓的不斷升高,電感電流的增量在逐漸減小,電容的充電電流由始終大于零變?yōu)闀r(shí)而大于零時(shí)而小于零,而總的趨勢(shì)是輸出電壓還在不斷升高。在后面的周期里,開關(guān)閉合時(shí)電感電流增加,開關(guān)斷開時(shí)電感電流下降,電容的充放電電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值等于零,即:在電容充電電流大于零時(shí)電容電壓上升,充電電流小于零時(shí)電容電壓下降。因此輸出電壓的平均值保持不變,輸出電壓存在脈動(dòng)成分。此時(shí)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作階段。這個(gè)階段的特點(diǎn)是:電容的充放電電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值等于零,輸出電壓的平均值保持不變,輸出電壓存在因電容充

41、放電形成的脈動(dòng)成分。由上述分析可知:1零初始條件下固定占空比工作時(shí)變換器經(jīng)歷動(dòng)態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程兩個(gè)階段。動(dòng)態(tài)過程的特點(diǎn)是電容電壓逐漸升高。一個(gè)周期內(nèi)電感電流的平均值大于負(fù)載電流,電容的充電電荷大于放電電荷;穩(wěn)態(tài)階段的特點(diǎn)是一個(gè)周期內(nèi)電感電流的平均值等于負(fù)載電流值,電容的充放電電荷相等,輸出電壓平均值不變。2調(diào)節(jié)占空比D可以改變電壓的數(shù)值。3穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓的平均值雖然保持不變,但輸出電壓存在因電容充放電引起的脈動(dòng)。4電感電流和電容電流均呈現(xiàn)脈動(dòng)形狀,在開關(guān)閉合時(shí)電感電流增加,開關(guān)斷開時(shí)電感電流下降。另外,為了使變換器電路能具有由占空比D的變化控制輸出電壓大小的能力,電路中必須接入一個(gè)基本負(fù)載R。

42、這一點(diǎn)不能理解:如果沒有基本負(fù)載,那么不論占空比多么小或者怎么變化,一方面由于每個(gè)周期內(nèi)建立起的電感電流將完全成為電容的充電電流。于是經(jīng)過若干周期后其穩(wěn)態(tài)值必須是,從而不能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓控制的目的。另一方面接入這個(gè)電阻也是可以形成一個(gè)基本電流,保證后面的串聯(lián)電感濾波器工作在電流連續(xù)狀態(tài),使輸出具有平坦特性11。2.2主電路BUCK電路中緩沖電路的設(shè)計(jì)為了減小大功率Buck變換器的開關(guān)損耗,在不增加有源開關(guān)的前提下,在文獻(xiàn)3中提出了最小電壓應(yīng)力(MVS)的無源無損緩沖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它不會(huì)增加開關(guān)管的電壓應(yīng)力,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但諧振電感和諧振電容的比值受到限制,因而限制了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的占空比范圍。在文獻(xiàn)5

43、中提出了一種耦合電感的無源無損緩沖電路,它能在很寬的占空比范圍內(nèi)軟化開關(guān)過程,但諧振電路的振蕩現(xiàn)象不僅增加了電磁噪聲,而且還有可能使功率管喪失ZVS關(guān)斷條件。綜合以上兩個(gè)緩沖電路的拓?fù)洌救嗽趯?shí)際設(shè)計(jì)中研究了一種新穎的耦合電感MVS緩沖電路的拓?fù)?。圖2-2 帶耦合電感的無源無損緩沖BUCK變換器 上圖示出帶耦合電感的MVS 無源無損緩沖Buck變換器,功率管VQ 在低壓側(cè),便于驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì); 而且VQ和功率二極管VD可以采用兩單元IGBT模塊來實(shí)現(xiàn), 因而該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合于高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合。該無源無損緩沖網(wǎng)絡(luò)與MVS的區(qū)別是增加了,其作用可簡(jiǎn)單地理解為:在VQ開通時(shí),為諧振網(wǎng)絡(luò)提供額外的正電壓

44、激勵(lì);在VQ關(guān)斷時(shí),為諧振網(wǎng)絡(luò)提供負(fù)電壓激勵(lì)。下圖示出等效電路圖: 圖2-3 等效電路圖若與電路主電感的匝數(shù)之比為n,則由磁耦合增加的額外電壓源約為: (2-11)2.2.1無損緩沖BUCK變換器理論工作波形為簡(jiǎn)化分析,忽略,VD以及VQ的通態(tài)壓降,并認(rèn)為足夠大,在一個(gè)周期內(nèi)輸出電流保持不變;當(dāng)輸入輸出濾波電容足夠大時(shí),在一個(gè)周期內(nèi),和也保持不變。在此前提下,具體分析帶的無源無損緩沖電路各模態(tài)的工作過程,下圖示出該電路的理論工作波形。圖2-4 帶的無源無損緩沖電路的理論工作波形(1) 模態(tài)1() 為VQ的ZCS開通階段。VQ開通時(shí),限制了VD的電流下降速率,使流過VQ的電流線性增大,從而保證V

45、Q的ZCS開通。(2) 模態(tài)2() 為Cr充電階段。該模態(tài)開始時(shí),Cr,Cs上的電壓,均為零。,Cs,VQ構(gòu)成諧振回路給Cr充電,當(dāng)上升到時(shí),該階段結(jié)束,為VQ創(chuàng)造ZVS關(guān)斷條件。Cr的充電電流增加了VQ的電流尖峰,Cr越大,尖峰電流越大;對(duì)電流尖峰有一定的抑制作用。(3)模態(tài)3() 為復(fù)位階段。當(dāng)=時(shí),導(dǎo)通,被箝位到,與Cs諧振將的能量轉(zhuǎn)移到Cs中,繼續(xù)增大,當(dāng)時(shí),截止,諧振過程結(jié)束,達(dá)到并保持不變。(4)模態(tài)4() 為緩沖電路停止工作,正常PWM開通階段。(5)模態(tài)5() 為VQ的ZVS關(guān)斷階段。在該階段,由于Cr的作用,VQ 的集射極電壓上升緩慢,近似實(shí)現(xiàn)了ZVS關(guān)斷。當(dāng)VQ完全關(guān)斷后,

46、Cr迅速放電,并接替VQ為負(fù)載提供電流,直至下降到時(shí),導(dǎo)通,進(jìn)入下一模態(tài)。(6)模態(tài)6() 為Cr復(fù)位階段。導(dǎo)通后,Cs與諧振放電,使增大,與此同時(shí)Cr繼續(xù)放電,下降,當(dāng)=0時(shí),開通,該模態(tài)結(jié)束。(7)模態(tài)7() 為恢復(fù)階段。當(dāng)開通,Cs繼續(xù)與諧振使增大。當(dāng)增大到或減小到零時(shí),該模態(tài)結(jié)束;若先增大到,進(jìn)入模態(tài)8a;若先減小到零,則進(jìn)入模態(tài)8b。為使功率管在下個(gè)周期實(shí)現(xiàn)ZCS 開通,必須在該模態(tài)諧振到負(fù)載電流,從能量轉(zhuǎn)化的角度考慮,要滿足下式: (2-12)要滿足上式,除了改變諧振參數(shù)之外,還可以通過增大來實(shí)現(xiàn),從而體現(xiàn)了的作用。當(dāng)=時(shí),和截止,進(jìn)入模態(tài)8a。(8)模態(tài)8a() 為Cs復(fù)位階段。

47、,線性減小,當(dāng)其減小到零時(shí),關(guān)斷,VD開通,進(jìn)入下一模態(tài)。(9)模態(tài)8b 為再恢復(fù)階段。若不能滿足式(2)條件,即諧振到零時(shí),還未增大到,則將進(jìn)入此模態(tài)。在電時(shí)繼續(xù)增大,直至增大到。越大,該模態(tài)持續(xù)的時(shí)間越短,所要求的VQ關(guān)斷緩沖時(shí)間越短,與MVS相比,占空比上限得以提高,體現(xiàn)了的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)VQ下一次開通時(shí),仍未增大到,則3個(gè)輔助二極管同時(shí)關(guān)斷,反向恢復(fù)電流重疊,施加在VQ上,使其喪失ZCS開通條件,大大增加了VQ 的開通損耗, 因此在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免緩沖電路進(jìn)入該模態(tài)。(10)模態(tài)9() 為正常PWM 關(guān)斷階段。在該模態(tài)中,緩沖電路停止工作,電路進(jìn)入正常PWM關(guān)斷階段,VD導(dǎo)通,直到下一次

48、VQ開通。2.2.2緩沖電路參數(shù)設(shè)計(jì)無源無損參數(shù)的設(shè)計(jì)有兩個(gè)基本原則:1.應(yīng)確保在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)將吸收在緩沖電路儲(chǔ)能元件中的能量完全釋放到負(fù)載端或者供電電源端,從而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)工作條件; 2.要盡量減小開關(guān)損耗和緩沖電路的損耗。VQ的關(guān)斷損耗隨Cr的增大而減小,但當(dāng)Cr增大到一定值后,對(duì)關(guān)斷損耗的影響很小。此外,Cr越大,VQ開通時(shí)的電流尖峰越大,因而Cr一般取最優(yōu)值: (2-13)式中:為VQ的電流下降時(shí)間。Cr /Cs的比值一般在1/301/10 之間, 較小比值有利于降低VD上的反壓峰值。VD關(guān)斷時(shí),當(dāng)其電流減小到零后,在輸入電壓和耦合電壓的共同作用下,反向增大到,分析VD的反向恢復(fù)過程可

49、得: (2-14)式中:為VD反向恢復(fù)電流峰值;為VD的反向恢復(fù)時(shí)間。此外, 增大可以抑制VQ開通時(shí)的電流尖峰,但同時(shí)使關(guān)斷緩沖工作時(shí)間延長(zhǎng)。的匝比n選擇的越大,越大,式(2-12)的條件越容易滿足,Cr,Cs,的選擇范圍越大,解除了MVS無源無損緩沖電路對(duì)諧振參數(shù)的限制。同時(shí), 越大,關(guān)斷緩沖工作時(shí)間越小,占空比上限升高,但n越大,越大,開通緩沖工作時(shí)間則變長(zhǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按變換器要求的占空比范圍靈活選取n,若所要求的占空比較小,則不必采用??傊?,Cs,Cr,n 的具體數(shù)值應(yīng)通過仿真折中選取。2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了Buck型變換器的主要工作原理,并根據(jù)對(duì)其的認(rèn)識(shí)和總結(jié),設(shè)計(jì)Buck電路的

50、緩沖電路,根據(jù)理論工作波形,總結(jié)出其各個(gè)工作模態(tài),分析了其電路中能量的諧振過程。第3章 無損緩沖器控制電路設(shè)計(jì) 第3章 無損緩沖器控制電路設(shè)計(jì)3.1 單周期控制技術(shù) 單周期控制是一種用于功率變換器的新型非線性控制。提出了一種單周期控制技術(shù)并首先在Buck變換器中進(jìn)行了驗(yàn)證。其控制思想是通過控制開關(guān)的占空比, 使每個(gè)開關(guān)周期中開關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參考量。它突出的特點(diǎn)是開關(guān)變量在一個(gè)開關(guān)周期中精確地跟隨控制基準(zhǔn), 提供了很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和很好的輸入擾動(dòng)抵制, 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有效地消除電源紋波干擾和開關(guān)誤差, 控制方法簡(jiǎn)單可靠。采用單周期控制技術(shù),可以有效地克服傳統(tǒng)電壓反饋控制中的缺

51、陷, 同時(shí)也不必考慮電流模式控制中的人為補(bǔ)償12??刂萍夹g(shù)的基本原理單周期控制的控制思想可以用一個(gè)簡(jiǎn)單Buck電路為例加以說明:圖3-1為單周期控制的Buck降壓電路,直流電壓源Vg,開關(guān)管S(這里用IGBT代替)工作在開關(guān)頻率(Ts為開關(guān)周期)。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí),二極管關(guān)斷,二極管兩端電壓等于電源電壓。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí),二極管導(dǎo)通,二極管上電壓為其正向?qū)▔航?,可近視為零。電源電壓通過功率管S的開關(guān)轉(zhuǎn)換成了一個(gè)開關(guān)變量。輸出的LC低通濾波器把此開關(guān)變量轉(zhuǎn)換成有開關(guān)紋波的直流電壓(大小為,為開關(guān)的占空比)。Buck 變換器的輸出電壓是開關(guān)變量的平均值,也就是二極管上的電壓平均值,它的大小為輸入電壓

52、在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的積分,其值為: (3-1) Buck電路這樣的特性使我們發(fā)現(xiàn),如果使用如圖2-1 所示恒頻轉(zhuǎn)換器,在每個(gè)開關(guān)周期中,開關(guān)管開通時(shí),對(duì)二極管上的電壓進(jìn)行積分,積分值和參考電壓比較,當(dāng)二極管上電壓的積分值達(dá)到參考電壓時(shí),即,比較器輸出信號(hào)給控制器,控制器發(fā)出信號(hào)去關(guān)斷開關(guān)管,同時(shí)給出信號(hào)使積分器復(fù)位到零。如果參考電壓是一個(gè)常數(shù),則二極管的平均電壓也是一個(gè)常數(shù),輸出電壓同樣是一個(gè)常數(shù)。圖3-1單周期控制降壓電路積分器輸出電壓直接正比于輸入電源電壓,并和參考電壓進(jìn)行比較,當(dāng)輸入電壓高時(shí),積分器輸出電壓的上升斜率就陡,到達(dá)參考電壓的所需時(shí)間就短,所以此周期的占空比就小,當(dāng)電源電壓低時(shí),

53、結(jié)果相反,占空比就大。如果參考電壓是時(shí)間的函數(shù),則二極管電壓的平均值也會(huì)隨時(shí)間變化且和參考電壓在每個(gè)周期都相等。在參考電壓變化時(shí),積分器輸出電壓會(huì)緊跟其后的變化波形,由此可見,這樣的控制方法,占空比完全決定于當(dāng)前周期的狀態(tài),其值由下式?jīng)Q定: (3-2)它與以前的開關(guān)周期狀態(tài)沒有關(guān)系,開關(guān)變量的瞬態(tài)平均值是在一個(gè)周期之內(nèi)的值,所以這種非線性的控制方法稱單周期控制。公式(3-2)表示出了輸入電壓和參考電壓之間的非線性關(guān)系,它們通過占空比聯(lián)系在一起,通過這樣的非線性轉(zhuǎn)換,使得Buck 電路的輸出電壓只和參考電壓有線性關(guān)系,而與輸入電壓無關(guān),如式(3-3)示: (3-3)L 和C為電感電容濾波器,R為負(fù)載。由此看來采用單周期控制技術(shù),Buck電路輸出和輸入無關(guān),可

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