李 燁,榮 軍,陳 曦,項(xiàng) 嬌
(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006)
20世紀(jì)以來(lái),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(wú)線電事業(yè)的發(fā)展,人們逐漸認(rèn)識(shí)到需要對(duì)各種電磁干擾進(jìn)行控制.20世紀(jì)40年代,為了解決飛機(jī)通信系統(tǒng)受到電磁干擾造成飛機(jī)事故的問(wèn)題,保證設(shè)備和系統(tǒng)的高可靠性,科學(xué)家和技術(shù)專家們開(kāi)始系統(tǒng)地進(jìn)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(wèn)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(shí)驗(yàn)室電子測(cè)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(duì)于這些設(shè)備,如何保證它們正常運(yùn)行對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)電磁兼容問(wèn)題,本文引入軟開(kāi)關(guān)技術(shù),對(duì)抑制電磁干擾有很好的效果.
本文以典型開(kāi)關(guān)電源Buck電路[3]為例,通過(guò)引入軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)抑制電磁干擾.圖1是串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的最簡(jiǎn)單工作原理圖.圖1(a)中Ui是開(kāi)關(guān)電源的工作電壓,即:直流輸入電壓;K是控制開(kāi)關(guān),R是負(fù)載.當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K接通的時(shí)候,開(kāi)關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為T(mén)on,幅度為Ui的脈沖電壓Up;當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷的時(shí)候,又相當(dāng)于開(kāi)關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為T(mén)off,幅度為0的脈沖電壓.這樣,控制開(kāi)關(guān)K不停地“接通”和“關(guān)斷”,在負(fù)載兩端就可以得到一個(gè)脈沖調(diào)制的輸出電壓Uo.
圖1 典型Buck電路簡(jiǎn)圖
軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的基本思想是在原有的硬開(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)程中的,使開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)電壓的下降先于電流的上升,或關(guān)斷時(shí)電流的下降先于電壓的上升,來(lái)消除電壓和電流的重疊.在理想情況下,軟開(kāi)關(guān)電路能夠在降低電磁干擾影響的同時(shí)減小開(kāi)關(guān)損耗,同時(shí)也可以大大減小EMI電平.因此在這里采用緩沖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)電路,其軟開(kāi)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(kāi)關(guān)Buck電路
圖3 軟開(kāi)關(guān)Buck工作波形
在圖2中,緩沖電感Ls為開(kāi)關(guān)管M的開(kāi)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(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通;D1、R1、C1構(gòu)成了開(kāi)關(guān)管M的關(guān)斷緩沖電路,并消耗部分Ls儲(chǔ)能,實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(shí)壓降為零,關(guān)斷時(shí)電流為零,狀態(tài)轉(zhuǎn)換無(wú)延時(shí);
(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(gè)開(kāi)關(guān)周期中,電感L及負(fù)載中的電流可以近似為恒定電流I0.
在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中,電路有7個(gè)工作模態(tài),每個(gè)工作模態(tài)的等效電路形式不同.
開(kāi)關(guān)模態(tài)1(t0<t<t1):在t0-時(shí)刻,開(kāi)關(guān)管M處于關(guān)斷狀態(tài),UC1= 0 ,ILs= 0 ,輸出電流I0通過(guò)D續(xù)流.在t0時(shí)刻,開(kāi)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(guò)開(kāi)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(shí),電源Ui通過(guò)電阻R1給電容C1充電,等效電路如圖4所示.
圖4 開(kāi)關(guān)模態(tài)1等效電路
電感Ls中的電流可以表示為:
流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為:
當(dāng)緩沖電感Ls中的電流等于輸出電流I0時(shí),D關(guān)斷,開(kāi)關(guān)模態(tài)1結(jié)束.此開(kāi)關(guān)模態(tài)的持續(xù)時(shí)間為:
開(kāi)關(guān)模態(tài)2(t1<t<t2):在t1時(shí)刻,電感Ls中的電流等于輸出電流I0,電源一方面給負(fù)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(shí)間達(dá)到 3 ~5τ1之后,即可認(rèn)為充電過(guò)程結(jié)束,電容充電電流為零,開(kāi)關(guān)模態(tài)2結(jié)束.由分析可見(jiàn),電路正常工作時(shí),應(yīng)限制開(kāi)關(guān)最小導(dǎo)通時(shí)間大于5τ1,否則電容C1電壓小于電源電壓,不能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)M的零電壓關(guān)斷.
開(kāi)關(guān)模態(tài)3(t2<t<t3):在t2時(shí)刻,流過(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)正常導(dǎo)通工作過(guò)程相同.
圖5 開(kāi)關(guān)模態(tài)2等效電路
開(kāi)關(guān)模態(tài)4(t3<t<t4):在t3時(shí)刻,開(kāi)關(guān)管M關(guān)斷.此時(shí)電容C1以電流I0通過(guò)二極管D1和緩沖電感Ls向負(fù)載供給能量,等效電路如圖7所示.當(dāng)電容C1上的電壓降為零時(shí),開(kāi)關(guān)模態(tài)4結(jié)束.此開(kāi)關(guān)模態(tài)的持續(xù)時(shí)間為:
圖6 開(kāi)關(guān)模態(tài)3等效電路
開(kāi)關(guān)模態(tài) 5(t4<t<t5):在t4時(shí)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(shí)對(duì)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(dòng)勢(shì)使D2導(dǎo)通,電感與電阻R1和電容C1進(jìn)行并聯(lián)諧振,電路進(jìn)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(chǔ)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(gè)開(kāi)關(guān)周期做準(zhǔn)備,使電路此時(shí)工作于過(guò)阻尼狀態(tài),電路參數(shù)應(yīng)滿足關(guān)系式:
圖7 開(kāi)關(guān)模態(tài)4等效電路
圖8 開(kāi)關(guān)模態(tài)5等效電路
開(kāi)關(guān)模態(tài) 6(t5<t<t6):在t5時(shí)刻,輔助續(xù)流二極管D1的電流因減小為零而關(guān)斷,此時(shí)電容C1電壓達(dá)到反向最大值.電路進(jìn)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(shí)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(gè)開(kāi)關(guān)周期的零電流開(kāi)通做準(zhǔn)備.
圖9 開(kāi)關(guān)模態(tài)6等效電路
圖10 開(kāi)關(guān)模態(tài)7等效電路
開(kāi)關(guān)模態(tài)7(t6<t<t7):負(fù)載電流I0通過(guò)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(guò)程相同.
為了驗(yàn)證軟開(kāi)關(guān)Buck電路對(duì)電磁干擾抑制的有效性,采用PSpice仿真軟件對(duì)系統(tǒng)主電路進(jìn)行仿真[7].由于干擾主要是由于開(kāi)關(guān)器件的高頻開(kāi)關(guān)作用引起的,所以仿真結(jié)果給出開(kāi)關(guān)功率管及輸出續(xù)流二極管電流仿真波形,可以驗(yàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)后開(kāi)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.
本文以普通Buck電路為例,引入軟開(kāi)關(guān)技術(shù),能夠消除Buck電路主開(kāi)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(duì)高校實(shí)驗(yàn)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(jī)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(xué)出版社,2007
[3] 王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009
[4] 李一鳴.無(wú)刷直流電機(jī)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(kāi)關(guān)電源的電磁干擾技術(shù)仿真研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2012,25(1):46~49
[6] 孔治國(guó),楊世彥.一種用于大功率Buck變換器的緩沖式軟開(kāi)關(guān)電路[C].中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2004:230~233
[7] 吳建強(qiáng).Pspice仿真實(shí)踐[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001:110~130