李 燁,榮 軍,陳 曦,項 嬌

(湖南理工學院 信息與通信工程學院,湖南 岳陽 414006)

引言

20世紀以來,隨著電子電氣技術的發(fā)展和應用,以及通訊、廣播等無線電事業(yè)的發(fā)展,人們逐漸認識到需要對各種電磁干擾進行控制.20世紀40年代,為了解決飛機通信系統(tǒng)受到電磁干擾造成飛機事故的問題,保證設備和系統(tǒng)的高可靠性,科學家和技術專家們開始系統(tǒng)地進行電磁兼容技術的研究,提出了電磁兼容性的概念.電磁兼容性概念的提出使得電磁干擾問題由單純的排除干擾逐步發(fā)展成為從理論上、技術上全面控制用電設備在其電磁環(huán)境中保障正常工作的系統(tǒng)工程[1,2].此外在高等院校實驗室電子測量設備如示波器和頻譜儀等電子設備被廣泛使用,由于其數(shù)目眾多而且使用頻率高,因此對于這些設備,如何保證它們正常運行對實驗成功率有很大的影響,特別是設備之間的電磁兼容是我們最關心的課題.針對電磁兼容問題,本文引入軟開關技術,對抑制電磁干擾有很好的效果.

1 典型開關電源Buck電路工作原理

本文以典型開關電源Buck電路[3]為例,通過引入軟開關技術來抑制電磁干擾.圖1是串聯(lián)式開關電源的最簡單工作原理圖.圖1(a)中Ui是開關電源的工作電壓,即:直流輸入電壓;K是控制開關,R是負載.當控制開關K接通的時候,開關電源就向負載R輸出一個脈沖寬度為Ton,幅度為Ui的脈沖電壓Up;當控制開關K關斷的時候,又相當于開關電源向負載R輸出一個脈沖寬度為Toff,幅度為0的脈沖電壓.這樣,控制開關K不停地“接通”和“關斷”,在負載兩端就可以得到一個脈沖調制的輸出電壓Uo.

圖1 典型Buck電路簡圖

2 軟開關技術在Buck電路中的應用

軟開關技術的基本思想是在原有的硬開關電路中增加電感和電容元件,利用電感和電容的諧振,降低開關過程中的,使開關器件開通時電壓的下降先于電流的上升,或關斷時電流的下降先于電壓的上升,來消除電壓和電流的重疊.在理想情況下,軟開關電路能夠在降低電磁干擾影響的同時減小開關損耗,同時也可以大大減小EMI電平.因此在這里采用緩沖設計實現(xiàn)軟開關電路,其軟開關Buck主電路及工作波形分別如圖2和圖3所示[4,5].

圖2 軟開關Buck電路

圖3 軟開關Buck工作波形

在圖2中,緩沖電感Ls為開關管M的開通緩沖電路,用于限制主續(xù)流二極管D的反向恢復電流,實現(xiàn)開關管的零電流開通;D1、R1、C1構成了開關管M的關斷緩沖電路,并消耗部分Ls儲能,實現(xiàn)開關管的零電壓關斷.D2、R2用于電感的復位電路.

為了方便分析,作如下假設[6]:

(1)關斷導通時壓降為零,關斷時電流為零,狀態(tài)轉換無延時;

(2)電路中各器件均為理想器件,直流電源內阻為零,忽略直流母線的分布電感和電感、電容的寄生參數(shù);

(3)在一個開關周期中,電感L及負載中的電流可以近似為恒定電流I0.

在一個開關周期中,電路有7個工作模態(tài),每個工作模態(tài)的等效電路形式不同.

開關模態(tài)1(t0＜t＜t1):在t0-時刻,開關管M處于關斷狀態(tài),UC1= 0 ,ILs= 0 ,輸出電流I0通過D續(xù)流.在t0時刻,開關管M導通,緩沖電感Ls電流在電壓Ui作用下線性上升,限制了流過開關管M電流的上升,主續(xù)流二極管D電流逐漸下降.同時,電源Ui通過電阻R1給電容C1充電,等效電路如圖4所示.

圖4 開關模態(tài)1等效電路

電感Ls中的電流可以表示為:

流過開關管的電流為:

當緩沖電感Ls中的電流等于輸出電流I0時,D關斷,開關模態(tài)1結束.此開關模態(tài)的持續(xù)時間為:

開關模態(tài)2(t1＜t＜t2):在t1時刻,電感Ls中的電流等于輸出電流I0,電源一方面給負載供電,另一方面繼續(xù)給電容C1充電,等效電路如圖5所示.充電時間達到 3 ～5τ1之后,即可認為充電過程結束,電容充電電流為零,開關模態(tài)2結束.由分析可見,電路正常工作時,應限制開關最小導通時間大于5τ1,否則電容C1電壓小于電源電壓,不能實現(xiàn)開關M的零電壓關斷.

開關模態(tài)3(t2＜t＜t3):在t2時刻,流過開關管M的電流為I0,等效電路如圖6所示.該模態(tài)與常規(guī)的降壓電路開關正常導通工作過程相同.

圖5 開關模態(tài)2等效電路

開關模態(tài)4(t3＜t＜t4):在t3時刻,開關管M關斷.此時電容C1以電流I0通過二極管D1和緩沖電感Ls向負載供給能量,等效電路如圖7所示.當電容C1上的電壓降為零時,開關模態(tài)4結束.此開關模態(tài)的持續(xù)時間為:

圖6 開關模態(tài)3等效電路

開關模態(tài) 5(t4＜t＜t5):在t4時刻,電容C1上電壓為零.主續(xù)流二極管D導通續(xù)流,恒流源I0同時對電容C1反向充電.D中的電流增加,輔助續(xù)流二極管D1中的電流減小.而且,緩沖電感Ls中因電流減小,其感應電動勢使D2導通,電感與電阻R1和電容C1進行并聯(lián)諧振,電路進入緩沖電感Ls放電的第一階段,等效電路如圖8所示.電感Ls所存儲的能量一部分轉移到電容C1上,另一部分在電阻R2上以熱能的形式消耗掉.為了將電感Ls中的能量迅速釋放掉,為下一個開關周期做準備,使電路此時工作于過阻尼狀態(tài),電路參數(shù)應滿足關系式:

圖7 開關模態(tài)4等效電路

圖8 開關模態(tài)5等效電路

開關模態(tài) 6(t5＜t＜t6):在t5時刻,輔助續(xù)流二極管D1的電流因減小為零而關斷,此時電容C1電壓達到反向最大值.電路進入緩沖電感Ls放電的第二階段,其等效電路如圖9所示.在t6時刻,電感Ls中電流為零,電容C1中電壓為零,緩沖電路能量全部以熱能的形式在R1和R2上消耗掉,為下一個開關周期的零電流開通做準備.

圖9 開關模態(tài)6等效電路

圖10 開關模態(tài)7等效電路

開關模態(tài)7(t6＜t＜t7):負載電流I0通過主續(xù)流二極管D續(xù)流,等效電路如圖10所示.該模態(tài)與常規(guī)的降壓電路續(xù)流工作過程相同.

3 軟開關Buck電路仿真研究

為了驗證軟開關Buck電路對電磁干擾抑制的有效性,采用PSpice仿真軟件對系統(tǒng)主電路進行仿真[7].由于干擾主要是由于開關器件的高頻開關作用引起的,所以仿真結果給出開關功率管及輸出續(xù)流二極管電流仿真波形,可以驗證理論分析的正確性.

圖11 普通Buck變換器漏極電流仿真波形圖

圖12 軟開關Buck變換器漏極電流仿真波形圖

圖11、和圖12分別為普通Buck變換器漏極電流和軟開關Buck變換器漏極電流的仿真波形.從圖11仿真波形可以看出基本普通Buck變換器開關管漏源極電流有很大的電流尖峰脈沖.而圖12中Buck變換器引入軟開關技術后開關管漏源極電流尖峰脈沖相比于圖11減少了很多,基本上消除了電磁干擾.

4 結束語

本文以普通Buck電路為例,引入軟開關技術,能夠消除Buck電路主開關管漏極電流的尖峰脈沖,能夠起到抑制電磁干擾的作用,對高校實驗室供電系統(tǒng)有很好的借鑒作用.

[1] 韋斯頓.電磁兼容原理與應用[M].王守三,楊自佑,譯.第2版.北京:機械工業(yè)出版社,2006

[2] 鄒 澎,周曉萍.電磁兼容原理技術和應用[M].北京:清華大學出版社,2007

[3] 王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].第5版.北京:機械工業(yè)出版社,2009

[4] 李一鳴.無刷直流電機供電系統(tǒng)的電磁干擾分析及抑制[J].船電技術,2010,30(2):22～24

[5] 李一鳴,榮 軍.開關電源的電磁干擾技術仿真研究[J].湖南理工學院學報(自然科學版).2012,25(1):46～49

[6] 孔治國,楊世彥.一種用于大功率Buck變換器的緩沖式軟開關電路[C].中國電工技術學會電力電子學會第九屆學術年會論文集,2004:230～233

[7] 吳建強.Pspice仿真實踐[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2001:110～130