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1、本科毕业设计（论文）一种新型无损电力电子缓冲器研究与仿真（燕 山 大 学2010年 6月 本科毕业设计（论文）一种新型无损电力电子缓冲器研究与仿真 学院（系）：里仁学院电气工程系专 业：应用电子技术 学生 姓名： 学 号：061203031051 指导 教师： 答辩 日期：2010.6.21 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：电气工程及自动化 学号61203031051学生姓名专 业班 级应用电子06-1题目题目名称一种新型无损电力电子缓冲器研究与仿真题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。
2、2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1了解缓冲器的工作原理和基本作用，主要种类、特点和应用场合2.研读无损耗缓冲器的典型文献，归纳总结实现无损耗缓冲器的基本思路3.设计一个无损耗缓冲器电路4.完成仿真实验5.根据仿真结果，总结无损耗缓冲器的设计要点和注意事项基本要求1.完成设计说明书一份（不少于80页），A1电气原理图一张。2.说明书及插图一律用钢笔撰写，要求条理清晰、文笔通顺、字迹工整、图形及文字符号复合国家现行标准。3.按教研室指定的地点进行设计，严格按计划进度进行设计
3、。参考资料1. Analysis Design and Performance of Flying-Capacitor Passive Loss less Snubber Applied to PFC Boost Converter IEEE APEC2002. Session 11.62. A Boost Converter with Loss less under Minimum Voltage Stress IEEE APEC2002. Session 11.73. 直流开关电源的软开关技术 阮新波 严仰光 科学技术出版社 2000年自查文献35篇。周 次14周58周912周1316周1
4、718周应完成的内容阅读文献资料，了解系统工作原理。电路设计，参数计算。熟悉仿真软件。电路仿真，波形分析，进行对比研究。理论总结，论文初稿，画图。撰写论文，准备答辩。指导教师：职称： 年 月 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要I本生的毕业设计内容是一种新型电力电子缓冲器研究与仿真，在本论文中主要研究了一种适用于大功率Buck变换器的带耦合电感的最小电压应力(Minimun Voltage Stress，简称MVS)无源无损零电流开通缓冲电路，它利用耦合电感的漏感与谐振电容在功率管开关过程中进行谐振，实现软开关。分析了变换器的工作模态，给出了软开关环节中耦合电感和谐振电容的参数设计方法，并用仿
5、真软件进行了仿真。结果表明，该结构实现了功率开关管零电流开通和近似零电压关断，抑制了功率二极管的反向恢复过程，减小了开关损耗，提高了变换器的效率。关键词变换器；无源无损；零电流开关 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractThe graduation design is a new kind of power electronic buffer research and simulation. This paper investigates a novel coupled-inductor passive lossless snubber circuit with minimum vol
6、tage stress(MVS)for high power Buck converters. In order to realize the soft-switching of insulated gate bipolar transistor(IGBT)，the resonant process between the leakage inductance of coupled-inductor and resonant capacitors of snubber circuit is utilized while IGBT is switching. Operation mode is
7、analyzed，parameters design procedure of coupled-inductor and resonant capacitors are presented and a prototype is built and tested. The experimental result shows that this topology can realize zero current switching(ZCS) when IGBT turns on and approximate to ZVS when IGBT turns off，the reverse recov
8、ery process of the main diode is inhibited，switch loss is reduced and the efficiency of the converter is improved. Keywords converter ；passive lossless；zero current switchingI 目 录摘要VIAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 软开关技术的提出与发展21.3缓冲器的工作原理31.3.1缓冲电路的作用与基本类型41.3.2 缓冲电路的基本拓扑结构81.4 课题研究的主要工作11第2章 无损缓冲器主电路
9、设计12.1 BUCK电路的研究12.1.1 BUCK电路组成12.1.2 Buck电路工作原理142.1.3工作过程分析162.2主电路BUCK电路中缓冲电路的设计192.2.1无损缓冲BUCK变换器理论工作波形212.2.2缓冲电路参数设计232.3 本章小结24第3章 无损缓冲器控制电路设计253.1 单周期控制技术253.1.2控制技术的基本原理253.1.3单周期控制原理扩展273.1.4固定开关频率的单周期控制293.1.5单周期控制电路中的开关误差自动补偿303.2本章小结31第四章缓冲器的仿真334.1.1PSPICE介绍334.1.2电路仿真及实验波形354.2 本缓冲电路的
10、不足364.3本章小结37结论38参考文献39致谢40附录141附录246附录349附录454III第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景 45 第1章 绪论 电力电子器件工作在开关状态，电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件而导致因损耗散发的热量致使器件温度过高而损坏。这是因为电力电子器件在导通或者阻断状态下，并不是理想的短路或者断路。导通时器件上有一定的通态压降，阻断时器件上有微小的断态漏电电流流过，尽管其数值都很小，但分别与数值较大的通态电流和断态电压相互作用，就形成了电力电子器件的通态损耗和断态损耗。此外，还有在电力电子器件由断态转为通态（开通过程）或者由通态转为断态（关断过
11、程）的转换过程中产生的损耗，即开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。对于某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热而产生损耗的原因之一。通常来讲，除一些特殊的器件外，电力电子器件的断态漏电流都极其微小，因而通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要原因。当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。尤其现代电力电子装置其开关器件大部分都工作在高频开关状态。功率器件在开通时，其电流由零逐步上升，而电压逐步下降。电流上升和电压下降有一重叠过程，于是产生了功率损耗，即开通损耗；功率器件在关断时，也有一个电压上升、电流下降的重叠过程，此时产生的损耗即关断损耗。当然，还有寄
12、生电容开通放电损耗，但极小，可忽略。这些损耗统称开关损耗。显然如上所说，频率越高，损耗越大。如果开关器件工作在高频下时，高电压和大电流重叠，不仅损耗很大，更是对开关器件的安全工作构成严重威胁。为降低开关损耗，确保开关器件工作在安全区，各种各样的缓冲吸收电路应运而生。其主要作用是抑制开关器件的、。缓解电压电流应力，减少电磁干扰(EMI)。传统的RCD或者RLD缓冲电路仅仅将功率开关管的开关损耗转移到缓冲电阻R上，依靠电阻R来消耗多余的能量，R将电能转变成热能散发。不仅使电子装置工作效率降低，而且增加了装置的散热负担。很难适合一些高要求的场合。近年来，发展迅速的无损吸收技术，以其无损、高效、高可靠
13、性得到人们普遍的青睐。1.2 软开关技术的提出与发展传统的各种 PWM 换流器中，功率开关器件以硬开关的方式工作，即在开关元件每次切换动作中（开通、关断），要在高电压下接通或断开全部负载电流，处于强迫开关状态，开关元件要承受很强的电压电流应力，开关损耗也较大。同时，开关元件切换动作引起较大的和，造成较严重的电磁干扰。因此，硬开关工作方式有热学限制、二次击穿限制、电磁干扰限制、缓冲电路限制等诸多局限性。为了减小各种开关型变换器体积、重量、损耗，提高换流器功率密度，提高开关频率是非常有效的手段。但是随着开关频率的增高，硬开关的上述缺陷益发明显，限制了开关频率的进一步提高，也限制了换流器向更加小型、
14、轻型化发展。因此，人们想到，如果在开关元件切换时，开关两端的电压或者流过开关的电流为零（或两种情况同时发生），即实现零电压、零电流切换，将能够有效地解决上述问题。于是，提出了软开关技术1。软开关技术企图使电路主开关在零电压或（和）零电流时开关动作，与其工作方式相对应，大体上有两种实现方式。其一，零电压开通、零电流关断，此方式必须借助辅助开关网络、检测电路及控制策略，或按特别的工作模式，往往以有源、谐振的方式来实现，因此，其控制复杂、附加成本较大、可靠性相对较低；其二，零电流开通、零电压关断，此方式可以借助于电感、电容与开关的串并联来实现，适用于所有工作模式和控制策略，且附加成本低、工作效率和可
15、靠性较高，因而，缓冲吸收技术是唯一可能以无源方式实现软开关的途径。正是由于无源缓冲吸收技术具有诸多优势，它已在单端变换器领域基本确立了主流地位。与软开关技术的上述两种实现方式相对应，出现了两种发展方向：软开关技术的一个发展方向是附加开关或改变主电路拓扑等形式，一般在换流器电路中都需要某种形式的 L-C 谐振电路，因此，称之为谐振换流器。软开关技术的另一个发展方向是无损（低损）缓冲吸收电路。缓冲吸收电路，是最早的开关工作条件改善技术，其基本原理是在主开关所在功率回路上，以一容性支路与之并联，以一感性元件与之串联，利用电容两端电压和电感中电流不能突变的特性，在主管开关期间避免它同时承受高电压大电流
16、，实现开关工况的软化2。功率开关器件的瞬态损耗可分为三种：开通损耗、关断损耗和寄生电容开通放电损耗。吸收电路不影响后者，从理论上讲也不能完全消除器件开通和关断损耗，但吸收电感/电容取值越大，开关轨迹越靠近电压电流坐标轴，主管开关损耗越小，越接近理想的软开关情况。而吸收元件取值越大，存储能量越多，传统的耗能式吸收电路把这些能量通过电阻泄放。主管开关损耗的降低以上述额外吸收损耗的增加为代价，二者存在着难以调和的矛盾。无损（低损）吸收技术的基本思路就在于处理吸收储能元件中的能量，将其回馈至电源（或/和负载）或大幅削减其数值，从而消除（削弱）损耗问题，达到软开关目的。无损吸收电路目前在单端变换器领域已
17、广泛应用，无论是单独的无损耗开通、关断吸收，还是统一的网络，都已进入实用化阶段，尤其是后者，理论成熟，拓扑完善，结构简明，设计灵活，已有很高的理论评价和工程效益。1.3缓冲器的工作原理 缓冲器，又名吸收电路、缓冲电路或开关辅助网络其基本原理是在主开关所在功率回路上以一容性元件与之并联、 一感性元件与之串联，利用电容端电压和电感中的电流不能突变的特性，避免开关承受高电压、大电流，实现开关工作状况的软化。在各种形式的开关变流器中，为了减小功率管的电流、电压及热应力，降低损耗，提高变流器效率，减小电磁干扰，提高开关频率和增加变流器功率密度，广泛采用了软开关技术。作为软开关技术的一种，无源无损缓冲电路
18、通过在主电路中附加电容、电感及二极管等无源元器件，使主开关具有零电压、零电流开关条件，并且由于能将缓冲电路上的储能全部传递给负载，从理论上讲缓冲电路是没有损耗的，这也有利于提高变换器的效率。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，过大的和的冲击，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，过大的和，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
19、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电路3。1.3.1缓冲电路的作用与基本类型缓冲电路在电力半导体器件的应用技术中起着重要的作用。因为电力半导体器件的可靠性与它在电路中承受的各种应力(电的、热
20、的)有关，所承受的应力越低工作可靠性越高。电力半导体器件开通时流过很大的电流，阻断时承受很高的电压;尤其在开关转换瞬间，电路中各种储能元件的能量释放会导致器件经受很大的冲击，有可能超过器件的安全工作区而导致损坏。附加各种缓冲电路，目的不仅是降低浪涌电压、, ，还希望能降低器件的开关损耗、避免器件的二次击穿和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。缓冲器的类型按电路作用可分为开通缓冲器和关断缓冲器，其中关断缓冲电路又称为抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换向过电压，抑制减小器件关断损耗。开通缓冲电路又称为抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和减小器件的开通损耗。按缓冲器的能量损耗可分为耗能式缓冲器和
21、馈能式缓冲器。耗能式缓冲器是把开关损耗从器件本身移至缓冲器内，然后消耗在电阻上，即开关器件损耗减少了，安全运行得到了保证，但开关器件的总损耗并未减少。而馈能式缓冲器是将缓冲电路中的电感元件与电容元件在开关器件导通与关断过程中的储能回馈到电源或负载内， 减少实际的电能损耗。由于后者节能效果明显，故大功率开关电路经常采用4。晶闸管开通时，为了防止过大的电流上升率而烧坏器件，往往在主电路中串入一个扼流电感，以限制过大的，串联电感及其配件组成了开通缓冲电路，或称串联缓冲电路。晶闸管关断时，电源|稳压器电压突加在管子上，为了抑制瞬时过电压和过大的电压上升率，以防止晶闸管内部流过过大的结电容电流而误触发，
22、需要在晶闸管的两端并联一个RC网络，构成关断缓冲电路，或称并联缓冲电路。GTR、GTO等全控型自关断器件在实际使用中都必须配用开通和关断缓冲电路；但其作用与晶闸管的缓冲电路有所不同，电路结构也有差别。主要原因是全控型器件的工作频率要比晶闸管高得多，因此开通与关断损耗是影响这种开关器件正常运行的重要因素之一。例如，GTR在动态开关过程中易产生二次击穿的现象，这种现象又与开关损耗直接相关。所以减少全控器件的开关损耗至关重要，缓冲电路的主要作用正是如此，也就是说GTR和功率MOSFET用缓冲电路抑制和，主要是为了改变器件的开关轨迹，使开关损耗减少，进而使器件可靠地运行。图1-1(a)是没有缓冲电路时
23、GTR开关过程中集电极电压和集电极电流的波形，由图可见开通和关断过程中都存在和同时达到最大值的时刻；因此出现了瞬时的最大开关损耗功率和，从而危及器件的安全。所以，应采用开通和关断缓冲电路，抑制开通时的，降低关断时的，使和的最大值不会同时出现。图1-1(b)是GTR开关过程中的和的轨迹，其中轨迹1和2是没有缓冲电路的情况，开通时由（电源电压）经矩形轨迹降到0，相应地由0升到；关断时由经矩形轨迹降到0，相应地由0升高到。不但集电极电压和电流的最大值同时出现，而且电压和电流都有超调现象，这种情况下瞬时功耗很大，极易产生局部热点，导致GTR的二次击穿而损坏。加上缓冲电路后，和的开通与关断轨迹分别如3和
24、4所示，由图可见，其轨迹不再是矩形，避免了两者同时出现最大值的情况，大大降低了开关损耗，并且最大程度地利用于GTR电气性能5。（a） GTR在开关过程中的和波形 （b）和的轨迹图1-1 GTR在关断过程中的和的轨迹GTR的开通缓冲电路用来限制导通时的，以免发生元件的过热点，而且它在GTR逆变器中还起着抑制贯穿短路电流的峰值及其的作用。GTO的关断缓冲电路不仅为限制GTO关断时再加电压的及过电压，而且对降低GTO的关断损耗，使GTO发挥应有的关断能力，充分发挥它的负荷能力起重要作用。IGBT的缓冲电路功能更侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，这是由于IGBT的工作频率可以高达3050kHz；因此
25、很小的电路电感就可能引起颇大的，从而产生过电压，危及IGBT的安全。图2(a)和图2(b)是PWM逆变器中IGBT在关断和开通中的和波形。由图2(a)可见，在下降过程中IGBT上出现了过电压，其值为电源电压和两者的叠加。(b) 开通时的和(a)关断时的和图1-2 逆变器中IGBT开通和关断时的波形图1-2(b)为开通时的和波形，图中增长极快的出现了过电流尖峰，当回落到稳定值时，过大的电流下降率同样会引起元件上的过电压而须加以吸收（如图所示）。逆变器中IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前
26、，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大IGBT的容量。综上所述，缓冲电路对于工作频率高的自关断器件，通过限压、限流、抑制和，把开关损耗从器件内部转移到缓冲电路中去，然后再消耗到缓冲电路的电阻上，或者由缓冲电路设法再反馈到电源中去。此缓冲电路可分为两在类，前一种是能耗型缓冲电路，后一种是反馈型缓冲电路。能耗型缓冲电路简单，在电力电子器件的容量不太大，工作频率也不太高的场合下，这种电路应用很广泛6。1.3.2 缓冲电路的基本拓扑结构 缓冲电路的功能包括抑制和吸收二个方面。图1-3(a)是这种电路的基本结构，串联的Ls用于抑制的过量，
27、并联的Cs通过快速二极管Ds充电，吸收器件上出现的过电压能量，由于电容电压不会跃变，限制了重加。当器件开通时Cs上的能量经Rs泄放。对于工作频率较高、容量较小的装置，为了减少损耗，可将图1-3(a)的RLCD电路简化为图1-3(b)的形式。这种由RCD网络构成的缓冲电路普遍用于GTR、GTO、电力MOSFET及IGBT等电力电子器件的保护。(b)并联RCD缓冲电路(a)串并联RLCD缓冲电路图1-3电力电子器件的基本缓冲电路 图1-4所示的几种缓冲电路是上述基本RCD缓冲电路的简化或演变。如图所示，既可用于逆变器中IGBT模块的保护，也适用于其他电子器件的缓冲保护；但其性能有所不同。图1-4(
28、a)是最简单的单电容电路，适用于小容量的IGBT模块(1050A)或其他容量较小的器件；但由于电路中有无阻尼元件，容易产生振荡，为此Cs中可串入Rs加以抑制，这种RC缓冲电路在晶闸管的保护中已用得很普遍。图1-4(b)是把RCD缓冲电路用于由两只IGBT组成桥臂的模块上，此电路比较简单；但吸收功能较单独使用RCD时略差，多用于小容量元件的逆变器桥臂上。有时还可以把图1-4(a)、图1-4(b)两种缓冲电路并联使用，以增强缓冲吸收的功能。图1-4(c)是Rs交叉连结的缓冲电路，当器件开断时，Cs经Ds充电，抑制；当器件开通前，Cs经电源和Rs释入电荷，同时有部分能量得到反馈，这种电路对大容量的器
29、件，例如，400A以上的IGBT模块比较适合7。图1-4 电力电子器件的其他缓冲电路(e) 形吸收电路(d)不对称有反馈功能的RCD电路(c) 有反馈功能的RCD电路(b) 桥臂模块公用的RCD电路(a) IGBT桥臂模块的单电容电路图1-4(d)是大功率GTO逆变桥臂上的非对称RLCD缓冲电路。图1-4(d)中电感受Ls经过Ds和RS释放磁场能量。GTO开断时，Cs经Ds吸收能量并经Rs把部分能量反馈到电网上去；因此损耗较小，适用于大容量的GTO逆变器。图1-4(c)和图1-4(d)的功能类似，其Cs具有吸收电能和电压箝位双重功能，且效率较高。图1-4(e)是三角形吸收电路，这里吸收电容C1
30、-C3为三角形联结，在T1关断时，并联在T1两端的总吸收电容量C3和C2串联再和C1并联后组成，这种电路的特点是：1.三只电容器之间几乎不需要连结线，所以寄生电感极小；2.在电力电子器件工作过程中每只电容器都参与工作，电容器利用率高；3.电路的损耗较小，日立公司曾在一定的条件下进行试验比较，这种电路的损耗约为RCD电路损耗的40%，因此我国研制中的CTO交流传动电力机车逆变器也采用这种电路，其GTO的规格为3000A、4500V，吸收电容量为C1=C2=C3=18F。(b) 使阳极电压产生峰值(a)缓冲电路中的图1-5 缓冲电路中的杂散电感对关断波形的影响缓冲电路引线中的杂散电感必须限制到最小
31、，以防止电力电子器件在关断时出现电压尖峰，并消除杂散电感与缓冲电路中Cs构成谐振回路所产生的振荡。图1-5是以电感性负载中的GTO的缓冲电路为例，说明杂散电感对关断过程中阳极电压产生尖峰电压UP的影响。在阳极电流迅速下降时，随着CS快速充电，上所产生的电势加在GTO上；故越大，UP越大，管耗也越严重。此外，在感性负载下阳极电流下降率与缓冲电路中的电流上升率相等，故负载电流越大，下降越快，也越大，同样会产生严重后果。所以缓冲电路中的R、C、D等元件也力求采用无感元件81.4 课题研究的主要工作在了解了缓冲电路的基本组成和工作原理，通过对缓冲电路的基本拓扑结构的进一步了解与分析之后，在课题的研究设
32、计中，总结归纳出有以下工作重点：1.开关开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行，通过设计近似的实现软开通过程，电压先降到零，电流再缓慢上升到通态值，即零电流开通。2.开关关断时，开关器件的电压上升和电流下降同时进行，通过设计近似实现软关断过程，电流先降到零，电压在缓慢上升到通态值，即零电压关断。3.感性关断电压尖峰大。当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开通频率越高，关断越快，该感应电压越高，此电压加在开关器件两端，容易造成器件击穿。4.容性开通电流尖峰大。当器件在很高的电压下开通时，开关管在此期间内的开通动作容易产生很大的冲击电流。频率越高，该冲击电流越大，对器件的安全运行造成
33、危害。5.电磁干扰的影响。随着频率的提高，电路中的和增大，从而导致电磁干扰增大，影响整流器和周围电子设备的工作。第2章 无损缓冲器主电路设计 第2章 无损缓冲器主电路设计2.1 BUCK电路的研究采用Buck电路的大功率电源变换器具有结构简单、可靠性好、效率高的优点，但是传统的RCD或者RLD缓冲电路仅仅将功率开关管的开关损耗转移到缓冲电阻上，影响了系统效率的进一步提高9。2.1.1 BUCK电路组成 图2-1 Buck型变换器电路Buck型变换器的组成如图2-1所示，由一个电子开关S，二极管D，电感L,电容C和一个基本负载R组成，属于非隔离式变换器。经过串联电感滤波电路的滤波，在电压输出端就
34、可得到平稳的直流输出电压了。通过控制开关S开通和断开的比例，就可以对输出电压的高低进行控制，这是Buck型变换器电路的特点。Buck型变换器也叫串联开关变换器或者降压式开关变换器，当要求较低输出电压的场合就要使用降压式变换器电路。2.1.2 Buck电路工作原理 开关闭合状态时的等效电路如图2-2(a)所示，开关断开状态时的等效电路如图2-2(b)所示，开关闭合时能量从电源注入并存储于电感之中。由于二极管被反偏，负载电流完全由滤波电容通过释放电荷的形式提供。当开关断开后，由于电感中的电流不能突变，将产生极性为左负右正的电势并与输入电源叠加迫使二极管导通并将电感储能馈送至输出端。开关闭合的时间越
35、长，电感中的电流也就越大，磁储能也就越多，开关断开期间向输出端馈送的能量越多，因此输出端的电压也就越高。这样，调节占空比D就可以实现调节输出电压。同样当输入电压发生变化时也可以通过改变占空比达到稳定输出电压的目的。图2-2 Buck变换器两种开关状态下的等效电路上述分析表明：在串联式开关变换器电路中，串联电感的作用是滤波，经过串联电感滤波电路的滤波，在输出端就可以得到平稳的直流输出电压了。由图2-2可以列出开关闭合时的电路方程，由于此时电路可以划分成单独的两个部分分别单独考察，因此输入部分为： (2-1)虑初始条件，可得电感电流变化规律： (2-2)在时电感电流达到最大： (2-3)另外，根据
36、等效电路和假设，开关断开时的原始微分电路的微分方程为： (2-4)此时的初始条件，因此其解为： (2-5)当时电感电流达到最小，注意到稳态时一个周期内电感电流的净变化量为零的特征，开关断开末期电感电流的最小值等于下一个周期开关闭合电感电流的初始值：。所以有： (2-6)消去L，又和，可以得到输入电压、输出电压和占空比D三者的关系如下： (2-7)由于D是恒小于1的，所以输出电压总是小于输入电压，电压增益恒小于1，因此又叫做降压变换器。根据上面的分析可知电感电流成周期性脉动，是一个锯齿波形状的脉动电流。电感电流的平均值等于输出的负载电流，其脉动成分就是滤波电容的充、放电电流。并有以下关系： (2
37、-8)输入电流与输出电流的关系 (2-9)另外，Buck型变换器的输出端实际上是一个LC滤波器，由此不难理解为了降低输出纹波系数必须使滤波器的通频带远低于开关频率。即 (2-10)理想直流变换应具备的性能：1.输入输出端的电压均为平滑直流，无交流谐波分量；2.输出阻抗为零；3.快速动态响应,抑制能力强；4.高效率小型化:单象限降压型电路。但在实际应用时需要注意LC参数的合理搭配.因为从降低纹波的角度希望截止频率尽量低,从动态响应的快速性出发则需要适当减小电感.因此设计时要结合具体的指标适当兼顾.其次,电感越小,在相同的输出电流情况下电感电流的波动越大,开关的峰值电流也越高,会提高对器件的要求,
38、并且电磁兼容性也将下降.这一点也需综合考虑10。2.1.3工作过程分析变换器的整个工作过程可以分为动态阶段和稳态阶段两段。设初始状态为零，即：电容的电压为零，电杆的电流为零，开关以一定的占空比周期工作。刚开始时，当开关S闭合时，输入电压完全加在二极管D的两端，上正下负，二极管被反偏截止。由于此时电容C的初始电压为零（输出电压为零），电容电压不能突变，所以输入电压完全加在电感L之上，沿着电感L电容C和电阻R构成的回路建立起初始电流。随着开关闭合时间的增加，电感电流逐渐增大，这个电感电流中的一部分供给电阻R成为输出电流；另一部分对电容充电使电容两端电压逐步上升。由于电容电压从零开始建立，在开关S闭
39、合器件电感电流的增量较大，而输出给R的负载电流与电容电压成正比，故开始阶段电容的充电电流最大，电容电压上升的最快。当开关S断开后，由于电感电流不能突变，失去外加激励趋于下降的电感电流在电感L的两端产生右正左负的感应电势，这一感应电势将克服电容器电压使二极管D承受正偏导通，形成L至C、R至D至L的续流回路。在开始阶段的若干个周期内由于电容电压尚处于一个比较低的数值，输出的负载电流不大，因此电感电流的大部分扔将作为充电电流对电容充电，使得电容电压继续升高，不过在开关断开期间，由于电感电流的总趋势是下降，因此电容的充电电流在逐渐减小，电容电压上升的速度逐渐变缓。这种情形将持续若干个周期，这一阶段成为
40、过渡过程的第一阶段，也是动态过程的初始阶段。这一阶段的特点是：不论开关的状态如何，电容电压使在不断升高。输出电流也在不断增加。在其后的若干周期内，开关闭合期间内电感电流仍将增加，并同时给负载电阻R和电容C提供电流。但是由于输出电压的不断升高，使得输出的负载电流也在不断增加，另一方面由于电容电压的增加，开关闭合期内电感电流的增加量将减小，所以在开关断开期间，电容的充电电流将由原来始终大于零将逐渐变为一段时间内大于零，一段时间里小于零，即：随着电感电流的逐渐下降，由原来的电感除了能提供足够的负载电流之外还始终能给电容提供一部分充电电流逐渐变为电感电流不仅不能给电容提供充电电流，而且负载所需要的电流
41、的一部分还要靠电容的放电电流继续维持。在一个周期内，如果电容的充电电荷量大于放电电荷量，虽然电容电压会出现时而上升时而下降的现象，但总体上讲电容电压仍保持上升的趋势。这一阶段是动态过渡过程的第二阶段，也是后期阶段。这一阶段的特点是：随着输出电压的不断升高，电感电流的增量在逐渐减小，电容的充电电流由始终大于零变为时而大于零时而小于零，而总的趋势是输出电压还在不断升高。在后面的周期里，开关闭合时电感电流增加，开关断开时电感电流下降，电容的充放电电流在一个周期内的平均值等于零，即：在电容充电电流大于零时电容电压上升，充电电流小于零时电容电压下降。因此输出电压的平均值保持不变，输出电压存在脉动成分。此
42、时电路进入稳态工作阶段。这个阶段的特点是：电容的充放电电流在一个周期内的平均值等于零，输出电压的平均值保持不变，输出电压存在因电容充放电形成的脉动成分。由上述分析可知：1零初始条件下固定占空比工作时变换器经历动态过程和稳态过程两个阶段。动态过程的特点是电容电压逐渐升高。一个周期内电感电流的平均值大于负载电流，电容的充电电荷大于放电电荷；稳态阶段的特点是一个周期内电感电流的平均值等于负载电流值，电容的充放电电荷相等，输出电压平均值不变。2调节占空比D可以改变电压的数值。3稳态时输出电压的平均值虽然保持不变，但输出电压存在因电容充放电引起的脉动。4电感电流和电容电流均呈现脉动形状，在开关闭合时电感
43、电流增加，开关断开时电感电流下降。另外，为了使变换器电路能具有由占空比D的变化控制输出电压大小的能力，电路中必须接入一个基本负载R。这一点不能理解：如果没有基本负载，那么不论占空比多么小或者怎么变化，一方面由于每个周期内建立起的电感电流将完全成为电容的充电电流。于是经过若干周期后其稳态值必须是，从而不能实现对输出电压控制的目的。另一方面接入这个电阻也是可以形成一个基本电流，保证后面的串联电感滤波器工作在电流连续状态，使输出具有平坦特性11。2.2主电路BUCK电路中缓冲电路的设计为了减小大功率Buck变换器的开关损耗，在不增加有源开关的前提下，在文献3中提出了最小电压应力(MVS)的无源无损缓
44、冲拓扑结构，它不会增加开关管的电压应力，而且结构简单，但谐振电感和谐振电容的比值受到限制，因而限制了实现软开关的占空比范围。在文献5中提出了一种耦合电感的无源无损缓冲电路，它能在很宽的占空比范围内软化开关过程，但谐振电路的振荡现象不仅增加了电磁噪声，而且还有可能使功率管丧失ZVS关断条件。综合以上两个缓冲电路的拓扑，本人在实际设计中研究了一种新颖的耦合电感MVS缓冲电路的拓扑。图2-2 带耦合电感的无源无损缓冲BUCK变换器 上图示出带耦合电感的MVS 无源无损缓冲Buck变换器，功率管VQ 在低压侧，便于驱动电路设计； 而且VQ和功率二极管VD可以采用两单元IGBT模块来实现， 因而该拓扑结构适合于高压大功率应用场合。该无源无损缓冲网络与MVS的区别是增加了，其作用可简单地理解为：在VQ开通时，为谐振网络提供额外的正电压激励；在VQ关断时，为谐振网络提供负电压激励。下图示出等效电路图： 图2-3 等效电路图若与电路主电感的匝数之比为n，则由磁耦合增加的额外电压源约为： (2-