無源無損緩沖器的設(shè)計與分析

摘要：在分析了現(xiàn)有功率變換電路的各種緩沖吸收電路的基礎(chǔ)上，提出了兩種新穎的無源無損緩沖電路，并且進行詳細的定性分析和實驗，并給出了實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：功率變換；緩沖電路；無源；無損

1  引言

    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di/dt和dv/dt的沖擊，使開關(guān)管發(fā)熱，如不采取保護措施，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)，以防止瞬時過壓、過流，過大的di/dt和dv/dt，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)不同的場合合理選用。常用的緩沖電路，簡單的有無源的并聯(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雜，成本價格也比較高。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，為了簡化電路，提高變換效率，有必要研究無源無損緩沖吸收電路。已有文獻^[1][2][3]對無源無損緩沖電路和軟開關(guān)技術(shù)作了大量的研究。但是，這些無源無損緩沖電路一方面電路結(jié)構(gòu)比較復雜，另一方面其使用具有一定的局限性。為此，筆者在對 DC/DC， DC/AC變換器進行了大量研究的基礎(chǔ)上，提出了由一只電容和兩只二極管構(gòu)成的CD2型無源無損緩沖電路和由一只電容、一只電感和兩只二極管構(gòu)成的CLD²型無源無損緩沖電路。

    本文對CD²和CLD²型無源無損緩沖電路進行了分析，并且給出了在半橋變換電路中的應(yīng)用結(jié)果。

2  CD²型無源無損緩沖電路及其分析

    CD²型無源無損緩沖電路可以應(yīng)用于半橋和全橋變換電路。該電路應(yīng)用于DC/AC半橋變換器中如圖1所示。

圖1  CD²型無源無損緩沖電路應(yīng)用于DC/AC半橋變換器

    圖1所示電路中，直流電源電壓為E，電容C_s1，C_s2和開關(guān)管S₁，S₂各為一橋臂構(gòu)成半橋電路，L，C，R為等效的輸出電路，其中L包含功率電路中的寄生電感。V_D1，V_D2分別為S₁，S₂的反并聯(lián)二極管。S₁的緩沖吸收電路由圖1中虛線框內(nèi)電容C₁和二極管V_D11，V_D12組成。S₂的緩沖吸收電路則由電容C₂和二極管V_D21，V_D22組成。CD²型無源無損緩沖電路共有三個工作模式，如圖2所示。圖中粗線表示電流通路。

(a)導通模式

(b)充電模式

(c)放電模式

圖2  CD²型無源無損緩沖電路三個工作模式

    其工作過程如下：

    1）導通模式    S₁導通，S₂截止，如圖2（a）所示。此時S₁導通，有電流通過，C₁兩端電壓上正下負，被箝位為電源電壓E，故V_D12兩端電壓等于0，而V_D11反向截止，其上電壓為－E，在此模式下電容C₁中無電流通過。

    V_C1=E    （1）

    2）充電模式    S₁關(guān)斷，S₂截止，如圖2（b）所示。此時電路中的等效電感L中的電流通過C₁，V_D11續(xù)流，給C₁充電，直到充電電流為0〔如式（2）〕。同時C₁的電壓逐步增加，其峰值取決于S₁關(guān)斷時電流值和電路中等效電感L值，此時，V_D12兩端電壓反偏，其值等于V_C1-E，V_D11導通。

    V_C1=V_C10＋i_c1dt=E＋i_c1dt（2）

    L＋i_c1R＋i_c1dt=（3）

    3）放電模式    S₁截止，S₂截止，如圖2（c）所示。此時C₁兩端電壓高于電源電壓，V_D12正偏導通，電容C₁迅速通過V_D12放電到直流電源，直到電容電壓等于電源電壓E時，V_D12截止。然后等待下一工作周期的到來。

    V_c1－E=i_c1dt（4）

    下管S₂緩沖電路工作原理類似。 [!--empirenews.page--]

    在該電路中，二極管應(yīng)選用快恢復二極管，而電容容量可根據(jù)電路中所需要緩沖的能量來選取。電容首先吸收功率電路中需要緩沖的能量，然后再向電源釋放能量，由此將緩沖的能量反饋回電源，從而提高了電路的轉(zhuǎn)換效率。

3  CLD²無源無損緩沖電路及其分析

    圖1所示電路為CD²無源無損緩沖電路在半橋電路中的應(yīng)用。但是，當電路中需要緩沖吸收的能量較大時則電容電壓增量很大，由于二極管V_D12的導通電阻值很小，則電容就以一個很大的沖擊電流放電，這對電路各器件有損害，降低了電路的可靠性，為此，需要在V_D12放電支路中串聯(lián)一個限流電感L₁，在V_D22放電支路中串聯(lián)一個限流電感L₂，如圖3所示。

圖3  CLD²型無源無損緩沖電路應(yīng)用于DC/AC半橋變換器

    CLD²型無源無損緩沖電路的工作模式，也有3個：其一為導通模式，其二為電容續(xù)流充電模式，其三為電容與電感諧振放電模式。前兩個工作模式與CD²型緩沖電路相同，模式3等效電路如圖4（c）所示，電容通過E—V_D12—L₁諧振放電，放電電流波形如圖5所示，諧振放電模式可使二極管V_D12實現(xiàn)軟開關(guān)，能有效限制放電電流沖擊。

(a)導通模式

(b)充電模式

(c)諧振放電模式

圖4  CLD²型緩沖電路的3個工作模式

圖5  諧振放電電流波形

    電容選取原則同前，電感的選取原則是要滿足電容、電感諧振半周期時間小于開關(guān)管截止期時間即可，此外并無嚴格要求。但是電感值越大，則放電電流峰值越小。

4    仿真與實驗結(jié)果

    對圖1、圖3所示的電路，我們進行了一些仿真和實驗，實驗數(shù)據(jù)如下：E=100V，f_s=10kHz，C=1μF，L=100μH，占空比D₁=40％.

    仿真波形和實驗結(jié)果分別如圖6、7所示。

(a)  CD²型緩沖電路

(b)  CLD²型緩沖電路  [!--empirenews.page--]

(c)  RCD型截止緩沖電路

圖6  各類緩沖電路的功率開關(guān)管兩端電壓仿真波形

(a)  CD²型緩沖電路    (b)  CLD²型緩沖電路

(c)  RCD型截止緩沖電路

圖7  各類緩沖電路的功率開關(guān)管兩端電壓實驗波形

    由實驗和仿真結(jié)果可以看出，CD²型緩沖電路，CLD²型緩沖電路，RCD型截止緩沖電路的緩沖效果差不多。但明顯可以看出CD²型緩沖電路簡單，可靠，參數(shù)容易設(shè)計。

5    結(jié)語

    通過仿真和實驗，說明CD²型和CLD²型無源無損緩沖電路簡單可靠，緩沖效果好，且電路參數(shù)設(shè)計不是很嚴格，便于實現(xiàn)。該無損緩沖電路已使用在單相500W/400Hz逆變電源中，緩沖效果很好。