软开关技术在电磁兼容中的应用研究

2014-08-21李烨,荣军,陈曦,项娇

湖南理工学院学报（自然科学版） 2014年1期

李烨,荣军,陈曦,项娇

(湖南理工学院信息与通信工程学院,湖南岳阳 414006)

引言

20世纪以来,随着电子电气技术的发展和应用,以及通讯、广播等无线电事业的发展,人们逐渐认识到需要对各种电磁干扰进行控制.20世纪40年代,为了解决飞机通信系统受到电磁干扰造成飞机事故的问题,保证设备和系统的高可靠性,科学家和技术专家们开始系统地进行电磁兼容技术的研究,提出了电磁兼容性的概念.电磁兼容性概念的提出使得电磁干扰问题由单纯的排除干扰逐步发展成为从理论上、技术上全面控制用电设备在其电磁环境中保障正常工作的系统工程[1,2].此外在高等院校实验室电子测量设备如示波器和频谱仪等电子设备被广泛使用,由于其数目众多而且使用频率高,因此对于这些设备,如何保证它们正常运行对实验成功率有很大的影响,特别是设备之间的电磁兼容是我们最关心的课题.针对电磁兼容问题,本文引入软开关技术,对抑制电磁干扰有很好的效果.

1 典型开关电源Buck电路工作原理

本文以典型开关电源Buck电路[3]为例,通过引入软开关技术来抑制电磁干扰.图1是串联式开关电源的最简单工作原理图.图1(a)中Ui是开关电源的工作电压,即:直流输入电压;K是控制开关,R是负载.当控制开关K接通的时候,开关电源就向负载R输出一个脉冲宽度为Ton,幅度为Ui的脉冲电压Up;当控制开关K关断的时候,又相当于开关电源向负载R输出一个脉冲宽度为Toff,幅度为0的脉冲电压.这样,控制开关K不停地“接通”和“关断”,在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压Uo.

图1 典型Buck电路简图

2 软开关技术在Buck电路中的应用

软开关技术的基本思想是在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件,利用电感和电容的谐振,降低开关过程中的,使开关器件开通时电压的下降先于电流的上升,或关断时电流的下降先于电压的上升,来消除电压和电流的重叠.在理想情况下,软开关电路能够在降低电磁干扰影响的同时减小开关损耗,同时也可以大大减小EMI电平.因此在这里采用缓冲设计实现软开关电路,其软开关Buck主电路及工作波形分别如图2和图3所示[4,5].

图2 软开关Buck电路

图3 软开关Buck工作波形

在图2中,缓冲电感Ls为开关管M的开通缓冲电路,用于限制主续流二极管D的反向恢复电流,实现开关管的零电流开通;D1、R1、C1构成了开关管M的关断缓冲电路,并消耗部分Ls储能,实现开关管的零电压关断.D2、R2用于电感的复位电路.

为了方便分析,作如下假设[6]:

(1)关断导通时压降为零,关断时电流为零,状态转换无延时;

(2)电路中各器件均为理想器件,直流电源内阻为零,忽略直流母线的分布电感和电感、电容的寄生参数;

(3)在一个开关周期中,电感L及负载中的电流可以近似为恒定电流I0.

在一个开关周期中,电路有7个工作模态,每个工作模态的等效电路形式不同.

开关模态1(t0＜t＜t1):在t0-时刻,开关管M处于关断状态,UC1= 0 ,ILs= 0 ,输出电流I0通过D续流.在t0时刻,开关管M导通,缓冲电感Ls电流在电压Ui作用下线性上升,限制了流过开关管M电流的上升,主续流二极管D电流逐渐下降.同时,电源Ui通过电阻R1给电容C1充电,等效电路如图4所示.

图4 开关模态1等效电路

电感Ls中的电流可以表示为:

流过开关管的电流为:

当缓冲电感Ls中的电流等于输出电流I0时,D关断,开关模态1结束.此开关模态的持续时间为:

开关模态2(t1＜t＜t2):在t1时刻,电感Ls中的电流等于输出电流I0,电源一方面给负载供电,另一方面继续给电容C1充电,等效电路如图5所示.充电时间达到 3 ～5τ1之后,即可认为充电过程结束,电容充电电流为零,开关模态2结束.由分析可见,电路正常工作时,应限制开关最小导通时间大于5τ1,否则电容C1电压小于电源电压,不能实现开关M的零电压关断.

开关模态3(t2＜t＜t3):在t2时刻,流过开关管M的电流为I0,等效电路如图6所示.该模态与常规的降压电路开关正常导通工作过程相同.

图5 开关模态2等效电路

开关模态4(t3＜t＜t4):在t3时刻,开关管M关断.此时电容C1以电流I0通过二极管D1和缓冲电感Ls向负载供给能量,等效电路如图7所示.当电容C1上的电压降为零时,开关模态4结束.此开关模态的持续时间为:

图6 开关模态3等效电路

开关模态 5(t4＜t＜t5):在t4时刻,电容C1上电压为零.主续流二极管D导通续流,恒流源I0同时对电容C1反向充电.D中的电流增加,辅助续流二极管D1中的电流减小.而且,缓冲电感Ls中因电流减小,其感应电动势使D2导通,电感与电阻R1和电容C1进行并联谐振,电路进入缓冲电感Ls放电的第一阶段,等效电路如图8所示.电感Ls所存储的能量一部分转移到电容C1上,另一部分在电阻R2上以热能的形式消耗掉.为了将电感Ls中的能量迅速释放掉,为下一个开关周期做准备,使电路此时工作于过阻尼状态,电路参数应满足关系式:

图7 开关模态4等效电路

图8 开关模态5等效电路

开关模态 6(t5＜t＜t6):在t5时刻,辅助续流二极管D1的电流因减小为零而关断,此时电容C1电压达到反向最大值.电路进入缓冲电感Ls放电的第二阶段,其等效电路如图9所示.在t6时刻,电感Ls中电流为零,电容C1中电压为零,缓冲电路能量全部以热能的形式在R1和R2上消耗掉,为下一个开关周期的零电流开通做准备.