无源无损缓冲器的设计与分析

摘要：在分析了现有功率变换电路的各种缓冲吸收电路的基础上，提出了两种新颖的无源无损缓冲电路，并且进行详细的定性分析和实验，并给出了实验结果。

关键词：功率变换；缓冲电路；无源；无损

1  引言

    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di/dt和dv/dt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di/dt和dv/dt，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吸收电路。已有文献^[1][2][3]对无源无损缓冲电路和软开关技术作了大量的研究。但是，这些无源无损缓冲电路一方面电路结构比较复杂，另一方面其使用具有一定的局限性。为此，笔者在对 DC/DC， DC/AC变换器进行了大量研究的基础上，提出了由一只电容和两只二极管构成的CD2型无源无损缓冲电路和由一只电容、一只电感和两只二极管构成的CLD²型无源无损缓冲电路。

    本文对CD²和CLD²型无源无损缓冲电路进行了分析，并且给出了在半桥变换电路中的应用结果。

2  CD²型无源无损缓冲电路及其分析

    CD²型无源无损缓冲电路可以应用于半桥和全桥变换电路。该电路应用于DC/AC半桥变换器中如图1所示。

图1  CD²型无源无损缓冲电路应用于DC/AC半桥变换器

    图1所示电路中，直流电源电压为E，电容C_s1，C_s2和开关管S₁，S₂各为一桥臂构成半桥电路，L，C，R为等效的输出电路，其中L包含功率电路中的寄生电感。V_D1，V_D2分别为S₁，S₂的反并联二极管。S₁的缓冲吸收电路由图1中虚线框内电容C₁和二极管V_D11，V_D12组成。S₂的缓冲吸收电路则由电容C₂和二极管V_D21，V_D22组成。CD²型无源无损缓冲电路共有三个工作模式，如图2所示。图中粗线表示电流通路。

(a)导通模式

(b)充电模式

(c)放电模式

图2  CD²型无源无损缓冲电路三个工作模式

    其工作过程如下：

    1）导通模式    S₁导通，S₂截止，如图2（a）所示。此时S₁导通，有电流通过，C₁两端电压上正下负，被箝位为电源电压E，故V_D12两端电压等于0，而V_D11反向截止，其上电压为－E，在此模式下电容C₁中无电流通过。

    V_C1=E    （1）

    2）充电模式    S₁关断，S₂截止，如图2（b）所示。此时电路中的等效电感L中的电流通过C₁，V_D11续流，给C₁充电，直到充电电流为0〔如式（2）〕。同时C₁的电压逐步增加，其峰值取决于S₁关断时电流值和电路中等效电感L值，此时，V_D12两端电压反偏，其值等于V_C1-E，V_D11导通。

    V_C1=V_C10＋i_c1dt=E＋i_c1dt（2）

    L＋i_c1R＋i_c1dt=（3）

    3）放电模式    S₁截止，S₂截止，如图2（c）所示。此时C₁两端电压高于电源电压，V_D12正偏导通，电容C₁迅速通过V_D12放电到直流电源，直到电容电压等于电源电压E时，V_D12截止。然后等待下一工作周期的到来。

    V_c1－E=i_c1dt（4）

    下管S₂缓冲电路工作原理类似。

    在该电路中，二极管应选用快恢复二极管，而电容容量可根据电路中所需要缓冲的能量来选取。电容首先吸收功率电路中需要缓冲的能量，然后再向电源释放能量，由此将缓冲的能量反馈回电源，从而提高了电路的转换效率。

3  CLD²无源无损缓冲电路及其分析

    图1所示电路为CD²无源无损缓冲电路在半桥电路中的应用。但是，当电路中需要缓冲吸收的能量较大时则电容电压增量很大，由于二极管V_D12的导通电阻值很小，则电容就以一个很大的冲击电流放电，这对电路各器件有损害，降低了电路的可靠性，为此，需要在V_D12放电支路中串联一个限流电感L₁，在V_D22放电支路中串联一个限流电感L₂，如图3所示。

图3  CLD²型无源无损缓冲电路应用于DC/AC半桥变换器

    CLD²型无源无损缓冲电路的工作模式，也有3个：其一为导通模式，其二为电容续流充电模式，其三为电容与电感谐振放电模式。前两个工作模式与CD²型缓冲电路相同，模式3等效电路如图4（c）所示，电容通过E—V_D12—L₁谐振放电，放电电流波形如图5所示，谐振放电模式可使二极管V_D12实现软开关，能有效限制放电电流冲击。

(a)导通模式

(b)充电模式

(c)谐振放电模式

图4  CLD²型缓冲电路的3个工作模式

图5  谐振放电电流波形

    电容选取原则同前，电感的选取原则是要满足电容、电感谐振半周期时间小于开关管截止期时间即可，此外并无严格要求。但是电感值越大，则放电电流峰值越小。

4    仿真与实验结果

    对图1、图3所示的电路，我们进行了一些仿真和实验，实验数据如下：E=100V，f_s=10kHz，C=1μF，L=100μH，占空比D₁=40％.

    仿真波形和实验结果分别如图6、7所示。

(a)  CD²型缓冲电路

(b)  CLD²型缓冲电路

(c)  RCD型截止缓冲电路

图6  各类缓冲电路的功率开关管两端电压仿真波形

(a)  CD²型缓冲电路    (b)  CLD²型缓冲电路

(c)  RCD型截止缓冲电路

图7  各类缓冲电路的功率开关管两端电压实验波形

    由实验和仿真结果可以看出，CD²型缓冲电路，CLD²型缓冲电路，RCD型截止缓冲电路的缓冲效果差不多。但明显可以看出CD²型缓冲电路简单，可靠，参数容易设计。

5    结语

    通过仿真和实验，说明CD²型和CLD²型无源无损缓冲电路简单可靠，缓冲效果好，且电路参数设计不是很严格，便于实现。该无损缓冲电路已使用在单相500W/400Hz逆变电源中，缓冲效果很好。