軟開關(guān)技術(shù)在電磁兼容中的應(yīng)用研究

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(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(shè)備和系統(tǒng)的高可靠性,科學家和技術(shù)專家們開始系統(tǒng)地進行電磁兼容技術(shù)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(shù)上全面控制用電設(shè)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(shè)備如示波器和頻譜儀等電子設(shè)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(shè)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(shè)備之間的電磁兼容是我們最關(guān)心的課題.針對電磁兼容問題,本文引入軟開關(guān)技術(shù),對抑制電磁干擾有很好的效果.

1 典型開關(guān)電源Buck電路工作原理

本文以典型開關(guān)電源Buck電路[3]為例,通過引入軟開關(guān)技術(shù)來抑制電磁干擾.圖1是串聯(lián)式開關(guān)電源的最簡單工作原理圖.圖1(a)中Ui是開關(guān)電源的工作電壓,即:直流輸入電壓;K是控制開關(guān),R是負載.當控制開關(guān)K接通的時候,開關(guān)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(guān)K關(guān)斷的時候,又相當于開關(guān)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(guān)K不停地“接通”和“關(guān)斷”,在負載兩端就可以得到一個脈沖調(diào)制的輸出電壓Uo.

圖1 典型Buck電路簡圖

2 軟開關(guān)技術(shù)在Buck電路中的應(yīng)用

軟開關(guān)技術(shù)的基本思想是在原有的硬開關(guān)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(guān)過程中的,使開關(guān)器件開通時電壓的下降先于電流的上升,或關(guān)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(guān)電路能夠在降低電磁干擾影響的同時減小開關(guān)損耗,同時也可以大大減小EMI電平.因此在這里采用緩沖設(shè)計實現(xiàn)軟開關(guān)電路,其軟開關(guān)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(guān)Buck電路

圖3 軟開關(guān)Buck工作波形

在圖2中,緩沖電感Ls為開關(guān)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(fù)電流,實現(xiàn)開關(guān)管的零電流開通;D1、R1、C1構(gòu)成了開關(guān)管M的關(guān)斷緩沖電路,并消耗部分Ls儲能,實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓關(guān)斷.D2、R2用于電感的復(fù)位電路.

為了方便分析,作如下假設(shè)[6]:

(1)關(guān)斷導(dǎo)通時壓降為零,關(guān)斷時電流為零,狀態(tài)轉(zhuǎn)換無延時;

(2)電路中各器件均為理想器件,直流電源內(nèi)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(guān)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(guān)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(guān)模態(tài)1(t0＜t＜t1):在t0-時刻,開關(guān)管M處于關(guān)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(guān)管M導(dǎo)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(guān)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(guān)模態(tài)1等效電路

電感Ls中的電流可以表示為:

流過開關(guān)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(guān)斷,開關(guān)模態(tài)1結(jié)束.此開關(guān)模態(tài)的持續(xù)時間為:

開關(guān)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(jié)束,電容充電電流為零,開關(guān)模態(tài)2結(jié)束.由分析可見,電路正常工作時,應(yīng)限制開關(guān)最小導(dǎo)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(guān)M的零電壓關(guān)斷.

開關(guān)模態(tài)3(t2＜t＜t3):在t2時刻,流過開關(guān)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(guān)正常導(dǎo)通工作過程相同.

圖5 開關(guān)模態(tài)2等效電路

開關(guān)模態(tài)4(t3＜t＜t4):在t3時刻,開關(guān)管M關(guān)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(guān)模態(tài)4結(jié)束.此開關(guān)模態(tài)的持續(xù)時間為:

圖6 開關(guān)模態(tài)3等效電路

開關(guān)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(dǎo)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(yīng)電動勢使D2導(dǎo)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(zhuǎn)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(guān)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(yīng)滿足關(guān)系式:

圖7 開關(guān)模態(tài)4等效電路

圖8 開關(guān)模態(tài)5等效電路

開關(guān)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(guān)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(guān)周期的零電流開通做準備.

圖9 開關(guān)模態(tài)6等效電路

圖10 開關(guān)模態(tài)7等效電路

開關(guān)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(guān)Buck電路仿真研究

為了驗證軟開關(guān)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(guān)器件的高頻開關(guān)作用引起的,所以仿真結(jié)果給出開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)技術(shù)后開關(guān)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(jié)束語

本文以普通Buck電路為例,引入軟開關(guān)技術(shù),能夠消除Buck電路主開關(guān)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(yīng)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(shù)和應(yīng)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(shù)[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(shù),2010,30(2):22～24

[5] 李一鳴,榮 軍.開關(guān)電源的電磁干擾技術(shù)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(guān)電路[C].中國電工技術(shù)學會電力電子學會第九屆學術(shù)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