无源无损缓冲器的设计与分析
无源无损缓冲器的设计与分析
摘要：在分析了现有功率变换电路的各种缓冲吸收电路的基础上，提出了两种新颖的无源无损缓冲电路，并且进行详细的定性分析和实验，并给出了实验结果。
关键词：功率变换；缓冲电路；无源；无损
1 引言
为了确保功率开关管安全可靠地工作，则功率开关管必须工作在安全区。但在硬开关条件下，功率开关管在开通和关断过程中可能承受过压、过流，过大的di/dt和dv/dt的冲击，使开关管发热，如不采取保护措施，可能使功率开关管超出安全工作区而损坏。为此，在功率电路中，通常设置缓冲电路或采用软开关技术，以防止瞬时过压、过流，过大的di/dt和dv/dt，减小开关损耗，确保开关管工作在安全工作区。
缓冲电路的形式很多，可根据不同的场合合理选用。常用的缓冲电路，简单的有无源的并联rc电路、并联rcd缓冲电路、rcd限幅箝位缓冲电路等，还有较复杂的有源缓冲、软开关电路等。有源缓冲电路在电路结构、控制方法上都比较复杂，成本价格也比较高。而无源缓冲电路往往是用缓冲电容c吸收功率开关器件关断时的能量，然后消耗在电阻r上，虽然可以改善开关器件的关断特性，但降低了电路的变换效率，并且在大功率场合，需要大功率的电阻，而消耗掉大量能量，甚至改变了设备的工作环境。为此，为了简化电路，提高变换效率，有必要研究无源无损缓冲吸收电路。已有文献[1][2][3]对无源无损缓冲电路和软开关技术作了大量的研究。但是，这些无源无损缓冲电路一方面电路结构比较复杂，另一方面其使用具有一定的局限性。为此，笔者在对 dc/dc， dc/ac变换器进行了大量研究的基础上，提出了由一只电容和两只二极管构成的cd2型无源无损缓冲电路和由一只电容、一只电感和两只二极管构成的cld2型无源无损缓冲电路。
本文对cd2和cld2型无源无损缓冲电路进行了分析，并且给出了在半桥变换电路中的应用结果。
2 cd2型无源无损缓冲电路及其分析
cd2型无源无损缓冲电路可以应用于半桥和全桥变换电路。该电路应用于dc/ac半桥变换器中如图1所示。
图1 cd2型无源无损缓冲电路应用于dc/ac半桥变换器
图1所示电路中，直流电源电压为e，电容cs1，cs2和开关管s1，s2各为一桥臂构成半桥电路，l，c，r为等效的输出电路，其中l包含功率电路中的寄生电感。vd1，vd2分别为s1，s2的反并联二极管。s1的缓冲吸收电路由图1中虚线框内电容c1和二极管vd11，vd12组成。s2的缓冲吸收电路则由电容c2和二极管vd21，vd22组成。cd2型无源无损缓冲电路共有三个工作模式，如图2所示。图中粗线表示电流通路。
(a)导通模式 (b)充电模式 (c)放电模式 图2 cd2型无源无损缓冲电路三个工作模式 其工作过程如下： 1）导通模式 s1导通，s2截止，如图2（a）所示。此时s1导通，有电流通过，c1两端电压上正下负，被箝位为电源电压e，故vd12两端电压等于0，而vd11反向截止，其上电压为－e，在此模式下电容c1中无电流通过。 vc1=e （1） 2）充电模式 s1关断，s2截止，如图2（b）所示。此时电路中的等效电感l中的电流通过c1，vd11续流，给c1充电，直到充电电流为0〔如式（2）〕。同时c1的电压逐步增加，其峰值取决于s1关断时电流值和电路中等效电感l值，此时，vd12两端电压反偏，其值等于vc1-e，vd11导通。 vc1=vc10＋ic1dt=e＋ic1dt（2） l＋ic1r＋ic1dt=（3） 3）放电模式 s1截止，s2截止，如图2（c）所示。此时c1两端电压高于电源电压，vd12正偏导通，电容c1迅速通过vd12放电到直流电源，直到电容电压等于电源电压e时，vd12截止。然后等待下一工作周期的到来。 vc1－e=ic1dt（4） 下管s2缓冲电路工作原理类似。 在该电路中，二极管应选用快恢复二极管，而电容容量可根据电路中所需要缓冲的能量来选取。电容首先吸收功率电路中需要缓冲的能量，然后再向电源释放能量，由此将缓冲的能量反馈回电源，从而提高了电路的转换效率。 3 cld2无源无损缓冲电路及其分析 图1所示电路为cd2无源无损缓冲电路在半桥电路中的应用。但是，当电路中需要缓冲吸收的能量较大时则电容电压增量很大，由于二极管vd12的导通电阻值很小，则电容就以一个很大的冲击电流放电，这对电路各器件有损害，降低了电路的可靠性，为此，需要在vd12放电支路中串联一个限流电感l1，在vd22放电支路中串联一个限流电感l2，如图3所示。
图3 cld2型无源无损缓冲电路应用于dc/ac半桥变换器 cld2型无源无损缓冲电路的工作模式，也有3个：其一为导通模式，其二为电容续流充电模式，其三为电容与电感谐振放电模式。前两个工作模式与cd2型缓冲电路相同，模式3等效电路如图4（c）所示，电容通过e—vd12—l1谐振放电，放电电流波形如图5所示，谐振放电模式可使二极管vd12实现软开关，能有效限制放电电流冲击。 (a)导通模式 (b)充电模式 (c)谐振放电模式 图4 cld2型缓冲电路的3个工作模式 图5 谐振放电电流波形 电容选取原则同前，电感的选取原则是要满足电容、电感谐振半周期时间小于开关管截止期时间即可，此外并无严格要求。但是电感值越大，则放电电流峰值越小。 4 仿真与实验结果 对图1、图3所示的电路，我们进行了一些仿真和实验，实验数据如下：e=100v，fs=10khz，c=1μf，l=100μh，占空比d1=40％. 仿真波形和实验结果分别如图6、7所示。
(a) cd2型缓冲电路 (b) cld2型缓冲电路 (c) rcd型截止缓冲电路 图6 各类缓冲电路的功率开关管两端电压仿真波形 (a) cd2型缓冲电路 (b) cld2型缓冲电路
(c) rcd型截止缓冲电路 图7 各类缓冲电路的功率开关管两端电压实验波形 由实验和仿真结果可以看出，cd2型缓冲电路，cld2型缓冲电路，rcd型截止缓冲电路的缓冲效果差不多。但明显可以看出cd2型缓冲电路简单，可靠，参数容易设计。 5 结语 通过仿真和实验，说明cd2型和cld2型无源无损缓冲电路简单可靠，缓冲效果好，且电路参数设计不是很严格，便于实现。该无损缓冲电路已使用在单相500w/400hz逆变电源中，缓冲效果很好。
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(a)导通模式 (b)充电模式 (c)放电模式 图2 cd2型无源无损缓冲电路三个工作模式 其工作过程如下： 1）导通模式 s1导通，s2截止，如图2（a）所示。此时s1导通，有电流通过，c1两端电压上正下负，被箝位为电源电压e，故vd12两端电压等于0，而vd11反向截止，其上电压为－e，在此模式下电容c1中无电流通过。 vc1=e （1） 2）充电模式 s1关断，s2截止，如图2（b）所示。此时电路中的等效电感l中的电流通过c1，vd11续流，给c1充电，直到充电电流为0〔如式（2）〕。同时c1的电压逐步增加，其峰值取决于s1关断时电流值和电路中等效电感l值，此时，vd12两端电压反偏，其值等于vc1-e，vd11导通。 vc1=vc10＋ic1dt=e＋ic1dt（2） l＋ic1r＋ic1dt=（3） 3）放电模式 s1截止，s2截止，如图2（c）所示。此时c1两端电压高于电源电压，vd12正偏导通，电容c1迅速通过vd12放电到直流电源，直到电容电压等于电源电压e时，vd12截止。然后等待下一工作周期的到来。 vc1－e=ic1dt（4） 下管s2缓冲电路工作原理类似。 在该电路中，二极管应选用快恢复二极管，而电容容量可根据电路中所需要缓冲的能量来选取。电容首先吸收功率电路中需要缓冲的能量，然后再向电源释放能量，由此将缓冲的能量反馈回电源，从而提高了电路的转换效率。 3 cld2无源无损缓冲电路及其分析 图1所示电路为cd2无源无损缓冲电路在半桥电路中的应用。但是，当电路中需要缓冲吸收的能量较大时则电容电压增量很大，由于二极管vd12的导通电阻值很小，则电容就以一个很大的冲击电流放电，这对电路各器件有损害，降低了电路的可靠性，为此，需要在vd12放电支路中串联一个限流电感l1，在vd22放电支路中串联一个限流电感l2，如图3所示。
图3 cld2型无源无损缓冲电路应用于dc/ac半桥变换器 cld2型无源无损缓冲电路的工作模式，也有3个：其一为导通模式，其二为电容续流充电模式，其三为电容与电感谐振放电模式。前两个工作模式与cd2型缓冲电路相同，模式3等效电路如图4（c）所示，电容通过e—vd12—l1谐振放电，放电电流波形如图5所示，谐振放电模式可使二极管vd12实现软开关，能有效限制放电电流冲击。 (a)导通模式 (b)充电模式 (c)谐振放电模式 图4 cld2型缓冲电路的3个工作模式 图5 谐振放电电流波形 电容选取原则同前，电感的选取原则是要满足电容、电感谐振半周期时间小于开关管截止期时间即可，此外并无严格要求。但是电感值越大，则放电电流峰值越小。 4 仿真与实验结果 对图1、图3所示的电路，我们进行了一些仿真和实验，实验数据如下：e=100v，fs=10khz，c=1μf，l=100μh，占空比d1=40％. 仿真波形和实验结果分别如图6、7所示。
(a) cd2型缓冲电路 (b) cld2型缓冲电路 (c) rcd型截止缓冲电路 图6 各类缓冲电路的功率开关管两端电压仿真波形 (a) cd2型缓冲电路 (b) cld2型缓冲电路
(c) rcd型截止缓冲电路 图7 各类缓冲电路的功率开关管两端电压实验波形 由实验和仿真结果可以看出，cd2型缓冲电路，cld2型缓冲电路，rcd型截止缓冲电路的缓冲效果差不多。但明显可以看出cd2型缓冲电路简单，可靠，参数容易设计。 5 结语 通过仿真和实验，说明cd2型和cld2型无源无损缓冲电路简单可靠，缓冲效果好，且电路参数设计不是很严格，便于实现。该无损缓冲电路已使用在单相500w/400hz逆变电源中，缓冲效果很好。
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