一种转移法消除电流纹波的电路研究

张宇翔， 张玉垒， 张元涛， 郭 敏

(郑州大学物理工程学院 河南郑州450001)

0 引言

目前电力电子设备广泛应用于电能提供的各种场合，但电力电子设备中功率开关器件所产生的纹波电流会对电能质量造成影响．随着社会的发展，对电能质量的要求也越来越高，其中电流谐波是一项重要的电能指标．在使用并网逆变器、有源电力滤波器等设备时，较大的纹波电流会造成电流谐波指标超标;在恒流输出类电源中，纹波电流更是要尽量减小的．纹波电流还会对用电设备造成不良的影响，它增加电机的轴损和铁损，影响电机的使用寿命［1］．在小功率场合，纹波电流也有危害，如对LED的光输出和光效造成影响［2］;高频的纹波电流会对周围的电子设备造成电磁干扰，纹波会对测量设备带来测量误差，使控制设备产生误操作等［3］．

1 纹波电流产生的原因及抑制方法

电力电子电路中常使用电感存储能量稳定电流，由于电力电子电路中IGBT等控制器件工作在开关状态，因此电路中电感两端的电压会产生周期性脉动，电感电压的变化使流过电感的电流发生变化，电流的波动就造成了电路中存在电流纹波．电路的电流纹波大小不仅和电感大小有关，还和电感两端电压变化幅度以及开关管的工作频率有关．电感值越大，开关频率越高以及电感两端电压越小都会使电路中纹波电流减小，反之会使纹波电流增大．

抑制纹波电流的方法根据电路结构和输出要求的不同采取不同方法，最常见的方法是在输出端并联较大容量电容，不但可以稳定输出电压，而且可以抑制负载上的纹波电流．提高开关频率和加大电感也是降低电流纹波的常用方式．在逆变电路中，可以通过多电平逆变技术来减小电感两端电压变化幅度，从而减小输出纹波电流，或在不增加纹波电流的情况下减小电感量．

然而在某些情况下，常规的电流纹波抑制方法并不可取．例如在并网以及恒流输出的场合，不宜通过并联电容的方法来减小输出纹波电流．在大功率并网逆变器中，由于开关频率较低，电感要做得很大，较大的电感不仅使得体积增大，而且电感成本在总成本的比重也会增加．

2 一种新的纹波电流抑制方法

根据法拉第电磁感应定律［4］，当在电感绕组两端施加电压时，电感磁芯中的磁通会产生变化．又根据安培环路定理，穿过沿磁芯区的环路的总电流必然会产生相应的变化，形成纹波电流．当电感磁芯上绕有多个绕组时，可以设法将电感电流的变化集中到其中的一个绕组中去，其他绕组中可以没有电流的变化．依据此思路，作者设计了纹波电流消除方案，如图1所示．电感原有绕组L11处在主回路中，在电感磁芯加绕一个副绕组L22，L22和电感L2构成副回路，如果控制L2上的电压，使副回路中电流变化恰好等于流过L11和L22电流归算到副绕组侧的变化之和，则L11中的电流将不变化，即主回路中的电流纹波全部转移到了副回路中．通过这样的方式达到减小和消除主回路电流纹波的目的．

图中L11为主绕组中的电感，L22为副绕组电感，U1为电感L1和L11两端的电压，I1为流过L1和L11的电流，U2为L2和L22两端的电压，I2为流过电感L2和L22的电流，U0为开关电源输出电压，UC为电容C两端的电压．

当L11和L22之间的互感系数为M2=L11L22时，满足紧耦合条件［5］．但实际中完全的紧耦合是不可能的，总会存在漏感，为分析方便，此处假设L11和L22满足紧耦合条件，漏感计入电感L1和L2中，可得

当 U0=UC，U1=U2时，令 dI1/dt=0，则由(1)和(2)可解得:M=L2+L22，又有可得

满足(3)式时主回路中的纹波电流可以减小到零，纹波电流全部流入到副回路中．另外，(3)中对电感L1没有要求，L1可以取消，但当N1=N2时，L2=0，则L1不能为零，此时也能将纹波电流全部导入副回路中．

设定U1=U2，U0=UC的条件是为了简化实验电路，图1中主、副回路上端可并在一起，不需要另加开关管．如果不设定此条件，也能推导出相应的电感值之间的关系式，但会导致电路复杂化．

3 纹波消除方案的仿真验证

ORCAD公司推出的Capture系列软件包，可以完成从电子电路仿真到制板的整个流程的全部工作，因此其在电子设计中被广泛地采用．它的元件库中包含了常用元件的PSPICE模型，各大半导体公司常会给出其新产品的PSPICE模型以方便使用者的建模仿真［6］．利用Capture软件包对纹波消除方案的具体电路进行仿真［7－8］，仿真电路采用Buck变换器，在普通Buck变换器基础上，去掉并在负载上的滤波电容，并另加一条副回路．仿真的原理如图2所示．

图1 纹波电流消除方案示意图Fig．1 Way to eliminate the ripple current

图2 纹波消除方案的仿真电路图Fig．2 Simulation of the circuit to eliminate the ripple current

图中，V2为脉冲电压源，其周期为50 μs、占空比为50%、幅值为15 V．K_Linear确定电感之间的耦合系数，它最多可以建模6个电感之间的耦合关系．通过观察负载电阻R1的电压波动来判断对主回路中的纹波电流消除是否有效．

从图3可以看出，负载R1两端电压波动的峰－峰值为0．1 V，输出电压中纹波电压的比例仅为0．20%，由于是阻性负载，电流纹波的比例也是0．20%．可见在R1两端不并滤波电容的情况下，R1上纹波电流已经非常小了．由图4可知，功率管开关造成的电感电流波动的峰－峰值为1．5 A，输出电流为4．0 A，比值是37．5%，副回路集中了99．5%的电感电流变化．可见此方案对主回路的纹波电流的抑制效果还是非常好的．仿真还显示:如果加大副回路的吸收电容C的容量，则主回路中的电流纹波会成比例减小，例如C加大10倍到220 μF，主回路中的电流纹波比例会减小10倍，这是由于电容C越大，UC的波动就越小，就越接近理论上完全转移主回路纹波电流的条件:U0=UC．电容C上的电压UC的平均值会自动趋于和U0相等．稳态时副回路上电流平均值为零，但U0≠UC时副回路上电流平均值不为零，引起UC的平均值趋于和U0相等．

图3 负载电阻两端的电压波动Fig．3 Voltage of the resistance

图4 电容C上的电流Fig．4 Current on the capacity

4 实验验证

以上通过理论分析和电路仿真说明了纹波转移副回路的理论及其可行性，现在通过搭建一个Buck变换器［9］来验证该方法的作用和效果，如图5所示．

电路的输入电压为24 V，输出电压12 V，电感L11和L22的值分别为1．27 mH和0．33 mH，负载电阻R阻值为100 Ω，电容C为22 μF，开关频率30 kHz，占空比50%．STM32微处理器产生PWM 波送到IR2110，IR2110是自举式半桥MOSFET或IGBT驱动芯片，实验中用来驱动MOSFET．为了验证纹波消除方法的正确性，通过不断调整L2的电感值，找出使得主回路中纹波电流最小时L2的电感值，通过和理论计算的电感值相对比来验证理论的正确性．实验过程中的数据如表1所示．

图5 验证实验电路图Fig．5 The verification circuit

表1 不同L2电感值的纹波实验数据Tab．1 Results on different L2

当电感L2为0．36 mH时，主回路中的纹波电流为1．30 mA．L11和L22的匝数比为2∶1，此时要求L2和L22相等，这和理论结果相吻合．实验证明了通过引入副回路，可将开关电源主回路中的纹波电流转移到副回路中．

5 纹波消除方案的系统分析

图6为纹波消除方案的系统结构电路，输入电压为U，主回路的电流为i1，副回路电流为i2，Ug为负载电压，下面推导主回路中的电流i1和输入电压U及负载电压Ug之间的传递函数，以此来对纹波消除方案的系统进行分析和比较．

系统满足函数

从式(4)和(5)可以看出，主回路的电流与负载电压和输入电压是一个三阶系统关系，这一点和LCL输出滤波电路相似．副回路中只流过纹波电流，电流的有效值比较小，和LCL电路中全部电流流过电感相比，副回路中的电感的体积可以大大减小．

图6 消除纹波电流的系统电路图Fig．6 System circuit of eliminating ripple current

6 小结

通过对转移纹波电流到副回路这种消除纹波电流方法的理论分析、电路仿真、实验验证和系统分析，可以看到该方法的正确性．这种方法电路结构简单、纹波消除效果很好，它可以用在并网逆变器、对纹波要求严格的电源和大功率恒流源中．

［1］ 陈天殷．汽车交流发电机纹波电流及其抑制［J］．汽车电器，2007(3):4－6．

［2］ 石挺，陈育明．纹波电流对发光二极管(LED)性能的影响［J］．光源与照明，2012，6(2):1－11．

［3］ 訾兴建．电力电子装置的谐波危害及抑制［J］．电气时代，2005(5):118－119．

［4］ 赵凯华，陈熙谋．电磁学［M］．2版．北京:高等教育出版社，2005:461－465．

［5］ 马文蔚．物理学［M］．4版．北京:高等教育出版社，2002:202－224．

［6］ 周景润．Pspice电子电路设计与分析［M］．北京:机械工业出版社，2011:1－2．

［7］ 王贞艳，陈志梅，张井岗，等．基于Pspice的Buck变换器仿真教学研究［J］．电气电子教学学报，2012，34(2):95－97．

［8］ Basso C P．开关电源SPICE仿真与实用设计［M］．吕章德，译．北京:电子工业出版社，2009:30－41．

［9］ 王兆安，刘进军．电力电子技术［M］．5版．北京:机械工业出版社，2012:119－137．