缓冲式软开关直流变换器的谐波分析
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摘要：本文对缓冲式软开关直流变换器进行了分析，并且将变换器的输入和输出波形的谐波与硬开关电路相比较。结果表明该电路在具备了软开关特性的同时，还可以有效地降低高次谐波含量。
1 引言
在开关电源发展过程中，由于软开关技术的应用使开关频率和功率密度得到了提高，但是工作频率的提高却导致了其内部电磁环境的恶化，影响开关电源本身和外部电子设备的正常工作。在抑制EMI方面，抑制干扰源是一个治本的方法。但是将软开关技术与抑制EMI结合起来，还需要在电路拓扑设计和参数选择等方面加以研究。
在功率电子技术发展过程中，缓冲电路最早是被用来改善开关元件的工作条件，如避免SCR的误触发和安全导通等。在现代电力电子技术中，广泛采用高频化全控型功率开关元件，缓冲电路的作用已经转变到了减小开关损耗，实现软开关方面。由于缓冲式软开关技术具有其特有的优点，各种无损耗、低损耗的无源或有源形式的缓冲技术正受到越来越密切的关注、研究和应用。通过研究我们发现，缓冲式软开关技术在实现软开关的同时，对抑制高次谐波也有比较明显的作用。本文以buck电路为例，利用互感元件构成缓冲式软开关电路，并对其谐波特性进行比较分析。
2 电路拓扑与工作原理
电路拓扑如图1所示。开关元件T在开通时与L2串联，用以实现对开关电流的缓冲，延缓其上升的速度，实现开关元件T的零(低)电流开通;开关元件T在关断时，二极管D2续流导通，电容C1对s点电位的下降起到缓冲作用——T两端电压上升的速度被减缓，从而实现开关元件T的零(低)电压关断。互感元件的作用在于实现L3和C2储能和能量释放之间的无损坏传输。加入隔离二极管D2、D3用以防止C2与 L2 、L3之间构成LC谐振，否则将导致开关应力的增加和过渡过程的延长。
图1 缓冲式软开关电路
根据电路工作状态，采用时域分段方法分析各区间的工作情况。电路进入稳定工作状态后，开关导通时，互感器的等效漏感Lσ与开关串联，并且iLσ=0，所以在开关导通瞬间，iT=0——实现零电流开通。
在开关导通的同时，L3上感应电压uL3>0，D3导通，给电容C2充电。这个过程一直持续到uC2=Vi，D2导通，对L3续流。随后iL3逐渐衰减至零，D2、D3截止。
开关断开时，由于漏感Lσ的续流，使二极管D2导通。此时电容电压uc2=Vi，因此开关元件两端电压uT=0——由于电容电压不能突变，因此C2的缓冲作用实现了零电压关断。
电容C2放电过程带有一个附加的振荡过程：当uC2=0时，L1、L2的续流作用使C2反向充电，uC2<0，导致二极管D3导通。此时电流iL3一部分给电容C2充电，使uC2=0;另一部分流入L1。由于L1上的感应电压为负值，续流电流iL3逐渐减小至零，使得L2上的电流也减小至零。这时二极管D1导通，给L1续流， L1中的储能向负载和电容C1释放，直到下一个导通时刻的到来。仿真波形如图2所示。从仿真结果看，开关元件的开通电流和关断电压被有效地缓冲，其负载线动态轨迹紧靠坐标轴(图3)。从uD1、iD1波形可以看出，其关断是一个渐变的过程，说明缓冲电路对这种无源开关元件也具有降低开关损耗的作用。
图2 仿真波形 图3 开关元件的动态轨迹
3 谐波分析与比较
在图4所示的硬开关buck电路中，PMOS管T和二极管D1作为开关元件，是主要的躁声源。除辐射影响外，它的输入电流和输出电压中的谐波对外电路影响较大。[!--empirenews.page--]
从工作波形分析与仿真结果中可以看到，与硬开关电路相比，缓冲电路对外部电路而言，主要是对直流变换电路的输入电流和输出电压波形产生影响：
a 由于开关开通时，互感L3支路给电容C2充电，因此滤波电感中的电流iL1除激磁分量iL1a外，还有一个负载分量iL1b,即：
负载分量的增加，使输入电流波形产生一个正向脉动。但由于缓冲作用使输入电流的di/dt值减小，因此总的谐波含量下降(见图5)。
图4 硬开关buck电路 图5 输入电流谐波比较
b 开关断开后，二极管D2续流导通，电容C2放电——缓冲开关电压。放电结束后，D3续流导通。这是一个换路过程，此时，L1、L2、L3成串联关系，由于在串联支路中，L1与L3的同名端方向相反，支路总电感量减小：
L=L1+L2-L3
为维持磁势平衡，电感电流则相应增大：
从以上分析可以看出，缓冲电路的两个缓冲过程，对电网而言，由于变换器输入电流谐波成分的降低而减小了污染;对输出而言，脉动的影响也不大，谐波并无明显的增加，因此容易滤除。
图6 滤波电感的电流波形 图7 滤波电感的电流谐波
4 结束语
通过以上分析可以看到，缓冲式软开关电路不但具有软开关特性，减小开关损耗，而且还可以起到抑制谐波的作用。这对于降低电磁干扰和减小电网污染具有重要意义。
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