全橋諧振電流源的分析與設(shè)計(jì)

O 引言
高頻變換能有效地減小功率變換器的體積、重量。但也帶來(lái)了高的開(kāi)關(guān)應(yīng)力、高頻變壓器漏感引起的電壓尖峰、電磁干擾(EMI)、高頻開(kāi)關(guān)損耗、效率低等問(wèn)題．而諧振變換具有工作頻率高、開(kāi)關(guān)損耗小、效率高、重量輕、體積小、EMI小、開(kāi)關(guān)應(yīng)
力低等特點(diǎn)，因此近來(lái)得到廣泛的研究。
諧振變換器有串聯(lián)和并聯(lián)兩種基本類(lèi)型。串聯(lián)諧振變換器具有能隔斷直流分量、避免變壓器飽和以及輕載效率高，適合高壓小電流輸出等特點(diǎn)。并聯(lián)諧振變換器負(fù)載可開(kāi)路、對(duì)電容脈動(dòng)電流要求小以及適合低壓大電流輸出等特點(diǎn)。根據(jù)電流源電路的特點(diǎn)，選擇并聯(lián)諧振方式，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)成兩級(jí)I/C諧振網(wǎng)絡(luò)。

本文第一部分分析感性負(fù)載下電流源的各個(gè)工作模式，第二部分是對(duì)并聯(lián)諧振方式的理論分析、仿真研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第三部分是由并聯(lián)諧振改進(jìn)的兩級(jí)I/C諧振網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)．為便于分析，在電流源工作模式分析中不加進(jìn)諧振網(wǎng)絡(luò)。

l 電流源的工作模式
主電路是由一級(jí)Buck電路加全橋逆變電路組成的，如圖l所示。Buck電路通過(guò)輸出大電感產(chǎn)生近似恒定的恒流源，再通過(guò)全橋逆變變成方波電流源，作為二次側(cè)電源的供電電源。
假?zèng)]開(kāi)關(guān)器件是理想器件，電感和電容均為無(wú)損耗的儲(chǔ)能元件，線路其它損耗可忽略，電感電流“紋波很小，在分析其它電流波形時(shí)可認(rèn)為恒值。對(duì)于感性負(fù)載，其工作狀態(tài)分為8個(gè)階段，主要工作波形如圖2所示。各階段的等效電路如圖3所示。
1)階段l[t0-t1] t0時(shí)刻，因負(fù)載電流相對(duì)于參考方向?yàn)樨?fù)，開(kāi)關(guān)管S2及S5內(nèi)寄生二極管導(dǎo)通給負(fù)載電流續(xù)流，D1及S1導(dǎo)通給電感電流續(xù)流。
2)階段2[t1-t2]負(fù)載電流換向，開(kāi)關(guān)管S2及S5零電壓開(kāi)通，t2時(shí)刻，iD1=0，二極管D1零電流關(guān)斷。
3)階段3[t2-t3]電壓下降為零，Buck電感L與負(fù)載電感串聯(lián)，負(fù)載電流基本保持不變。
4)階段4[t3-t4]時(shí)刻，S1關(guān)斷，電感電流通過(guò)二極管D2、開(kāi)關(guān)管S2及S5導(dǎo)通，負(fù)載電流基本保持不變。
5)階段5[t4-t5]時(shí)刻，S2及S5關(guān)斷，負(fù)載電流相對(duì)參考方向仍為正，此時(shí)，S3及S4的寄生二極管給負(fù)載電流續(xù)流。D1及D2導(dǎo)通給電感電流續(xù)流，電感和負(fù)載電壓箝位為Vdc，負(fù)載電流在Vdc的作用下迅速下降，電感電流iL因感抗大而只有較小的下降。其間，S3及S4有導(dǎo)通信號(hào)，但負(fù)載電流仍為正，仍是S3及S4的寄生二極管導(dǎo)通續(xù)流。
6)階段6[t5-t6]時(shí)刻，負(fù)載電流換向，S3及S4零電壓導(dǎo)通，當(dāng)iD1=0時(shí)，D1零電流關(guān)斷。
7)階段7[t6-t7]V1電壓下降為零，Buck電感L與負(fù)載電感串聯(lián)，負(fù)載電流基本保持不變。
8)階段8[t7-t8]t7時(shí)刻，S1導(dǎo)通，S3及S4繼續(xù)導(dǎo)通，Buck電感L與負(fù)載電感串聯(lián)，負(fù)載電流基本保持不變。

2 并聯(lián)諧振的設(shè)計(jì)
假設(shè)逆變橋輸出電流為‰諧振電感電流iL諧振電容電流iC，負(fù)載電流iR，則等效電路模型如圖4所示，其中ip為方波電流源。

式中ω=2πf；

ωi=iω，i=1，3，5…n。

設(shè)LC諧振角頻率為ω，則

對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率的k次諧波，LC的阻抗值如下。

取ω0=ω，即諧振頻率等于開(kāi)關(guān)頻率，由式(6)可知，|Zab|→∝，|Zab|與Q成反比，即Q值越大，|Zab|越小，濾波效果越好，但同時(shí)諧振電感、電容上電流也越大，考慮到大電流情況下，諧振電感、電容不易設(shè)計(jì)，實(shí)際電路取值Q≈3。
采用了PSPICE仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)如下：直流電源電壓300V，開(kāi)關(guān)頻率l00kHz，質(zhì)因數(shù)Q=3，負(fù)載阻抗50Ω，諧振電感、電容分別是15.9μH，159nF，從圖5仿真波形上看，負(fù)載電流近似為正弦波，諧波分量較小。

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，我們對(duì)電流源主電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到未加諧振網(wǎng)絡(luò)與加諧振網(wǎng)絡(luò)負(fù)載電流波形分別如圖6(a)和圖6(b)所示。

對(duì)比圖6(a)、圖6(b)可見(jiàn)．加諧振網(wǎng)絡(luò)負(fù)載電流波形得到了改善，基本上呈正弦波值得注意的是，以上仿真和實(shí)驗(yàn)都是在重載情況下做的，當(dāng)負(fù)載很輕時(shí)，由式(6)可知，Q值小，諧振網(wǎng)絡(luò)效果不明顯，

3 兩級(jí)LC諧振網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

兩級(jí)LC諧振式電路如圖7所示。C1及L1主要用于濾除開(kāi)關(guān)毛刺以及限制負(fù)載最大電流，G2及L2是主諧振網(wǎng)絡(luò)，主要用于改善負(fù)載電流波形，使其趨于正弦波，降低電流高次諧波分量。電流源在滿(mǎn)足輸出要求的情況下，采用平均值反饋方式。取樣電流是濾波電感L上的電流，忽略紋波電流。

由電路可知，

所以從濾波電容上漏走的電流大小可以表示為

從式(9)可以了解到對(duì)于同樣的給定輸出電流，負(fù)載上的輸出電流并不是確定的，而與負(fù)載、輸出頻率和濾波參數(shù)有密切的關(guān)系?？紤]到實(shí)際裝置隔離驅(qū)動(dòng)負(fù)載是小確定的，為了保證任何負(fù)載下輸出電流基本固定，加大輸出電感L，減小輸出電容C，可以使負(fù)載電流接近電感的電流，使負(fù)載趨于阻感性負(fù)載，保證負(fù)載電流處于某一范圍。

根據(jù)以上的分析，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：直流電源電壓300V，逆變和Buck開(kāi)關(guān)頻率都為100kHz，C1=2.2nF，L1=115μH，C2=1OnF，L2=lOOμH。圖8是實(shí)驗(yàn)所得波形，重載及輕載閉環(huán)前波形良好正弦，工作穩(wěn)定可靠，輕載閉環(huán)后負(fù)載和諧振網(wǎng)絡(luò)近似為純感性，負(fù)載電流波形為三角波。

4 結(jié)語(yǔ)
本文主要介紹了Buck電路和全橋電路諧振電流源的工作模式，并根據(jù)諧振理論將方波的電流信號(hào)變成良好的正弦電流信號(hào)，從而減少了EMI及提高了效率。對(duì)并聯(lián)諧振輕載情況下諧振效果不明顯的缺陷，又進(jìn)一步設(shè)計(jì)了兩級(jí)LC諧振網(wǎng)絡(luò)。仿真和實(shí)驗(yàn)效果表明該諧振電流源在不同負(fù)載下都能達(dá)到良好效果。作為具有良好正弦波形的高頻電流型交流母線，在分布式電源系統(tǒng)日益發(fā)展的今天，將越來(lái)越顯示其廣闊的應(yīng)用前景。