运用软开关及谐振技术的电流谐波补偿与建模采样分析研究及发展

高潮

（深圳信息职业技术学院，广东 深圳 518172）

【博士论坛】

运用软开关及谐振技术的电流谐波补偿与建模采样分析研究及发展

高潮

（深圳信息职业技术学院，广东 深圳 518172）

论文分析和讨论了电力电子技术、非线性与智能控制和信号处理等基础理论的谐振软开关和网侧电流谐波补偿智能整流关键技术的研究与发展，抑制电子装置谐波污染的途径有对电网实施谐波补偿，以及对电力电子装置自身进行改进，也包括无功 补偿和有功补偿等方面；讨论了一种DC/DC开关变流器仿真方法。其物理概念清楚、可用波德(Bode)图设计校正环节，因此该方法对变换器的优化分析和设计具有一定影响。

软开关谐振技术；谐波电流；建模采样；数学模型

开关变流器的特性是非线性的，输入电压高时阻抗小，电压低时阻 抗很大。用电负载在电压幅值高时从电网吸收较多的电流，导致电流的脉动特性，产生 大量的谐波；电流在电网线路中产生的电压降使电压波形失真。脉动的电流波形将降低电网的运行效率，产生电磁辐射干扰；电压波形失真会使接入电网的所有负载都产生谐 波电流，严重时将导致整个电网无法正常工作。

电力电子装置谐波污染的途径分别为对电网实施谐波补偿，以及对电力电子装置自身进行改进，也包括无功 补偿和有功补偿两个方面。电网中的无功补偿是用电容与电感组成的无源网络，使电流与电压的基波分量产生 附加相移，而补偿电网的功率因数(PF)。无功补偿校正电网中电流与电压的相位失真， 基本上不消耗电能；无功补偿不能消除谐波污染，也不能从根本上校正由总谐波畸变(THD)导致的功率因数的降低。有功补偿是消除谐波污染和校正 THD 的有效途径。电网中的有功补偿可以认为是一 台接入电网的大功率信号发生器，理想情况下其输出刚好是电网中各次谐波的反相信号 的叠加，结果使得电网中的电压波形只保留正序基波。有功补偿校正电网中电压的波形 失真，消耗巨大的电能。就目前功率因数校正(PFC)技术的现状， 智能整流模块的电源产品包括各种开关稳压电源、充电器、电子镇流器和变频器等，应用非常广泛。以 SRM 与开关稳压电源的综合设计研究为先导，逐步向其 他电子产品的应用研究扩展。基于 SRM 的开关稳压电源应该是 SRM 功能的扩充：在其 中加入对输出电压和电流的检测，通过控制功率开关在电网电压一个周期内的导通次数 和导通时间使电压或电流得到稳定，从而达到稳压或稳流的目的。

1 软开关的电流谐波补偿技术研究

1.1 电流谐波补偿技术发展运用

太阳能电池、燃料电池、风力发电等为代表的新能源技术的研究与开发，对电力变 换回路技术提出了更高的性能要求。提高电力变换回路的开关频率就可以使滤波器的体积、重量减 小；当开关频率大于 18Hz 时可以消除可闻噪音，从而可实现电力变换装置的小型轻量化、高效率化 和静音化。

然而现有的硬开关变流器开关频率的提高也带来一些坏处，如开关损耗大、 电磁干扰的发生增大、感性关断电压尖峰大、容性开通电流尖峰大。上述问题严重妨碍了开关器 件工作频率的提高和电力变换回路技术的发展，引起了国内外广大学者的关注。解决上述问题的根 本途径是软开关电力变换 回路技术的研究与发展。软开关的电流谐波补偿技术是在 PWM 整流器基础上引入新的电路拓扑和数据处理技术而形成的 新技术。电网中电流谐波污染以及相关联的电压波形失真是世界性的难题，而将谐波补偿装置与用电设备结合已被众多学者认为是最有前途的补偿方案。目前各种 ARCPI拓扑结构所存在共同问题是：在辅助谐振换流过程中，流过辅助开关 的电流为负载电流与辅助谐振回路的谐振电流之和，即使在轻负载时，辅助谐振回路也流过很大的 谐振电流，针对各种 ARCPI 拓扑结构所存在问题其解决方法有（1）基于软开关谐振技术与 PWM 技术的交流采样分析（2）主开关和辅助开关都能实现零电压开关和零电流开关,谐振电 路功率小。

1.2 基于软开关谐振技术与 PWM 技术的交流采样分析

当电网电压为波形基本无畸变的正弦波时，任何一种采样方式的误差都不大，但波形畸变较大时，测量的准确度就会受到较大影响。对采样方式的不同导致的测量精度的差别应予以更多关注。

模块的交流采样有三个作用：交流采样显示读数；峰值保护；作为PFC电流环的一个基准使用。目前采用峰值采样加均方根采样，当峰值采样值与均方根采样的差值在25V之内就显示峰值采样的读数，图1为基于软开关谐振技术与PWM技术的交流采样分析的交流采样硬件电路图。

图1 交流采样硬件电路图Fig.1 The Sampling of AC Circuit

该电路主要分为两个部分，前一部分用于将输入的交流信号阻隔成单方向的放大的信号。当输入信号为正时，二极管1导通。计算如下：V1/ R199=-Vout1/(R200+R197)Vout1=-V1×(R200+ R197)/R199

图2 Vout1波形Fig.2 The waveform of Vout1

后一部分主要有一个加法器和电容滤波，将输入信号整成接近直流的信号。加法器计算如下：Vout1/R198+V1/R196=-VAC/R195其中R198、R196和R195为15K，所以VAC=-(V1+Vout1)。所以经过加法器得到的是一个正向的馒头波。

软件部分、峰值采样将VACIN接到DSP的AD转换口，通过采样保持，每次读取值与之前的最大值比较，记录最大值。一个周期内得出一个最大值，将这个最大值除以，即得到峰值采样输出值。

均方根采样将VACIN接到DSP的AD转换口，通过采样保持，每20ms进入中断读取一次数值，将读取值进行平方，通过数字滤波器滤波，其数字滤波器的截止频率为5Hz，再经过40次滑动平均滤波，乘以保持时间求和，再除以n次时间之和，开方即得均方根采样输出值。

2 软开关及谐振技术的工作机理及变流器建模分析与应用

2.1 软开关及谐振技术的工作机理

传统的PWM变换器，其开关管的导通和截止损耗都很低，但是在开关管开通、或关断的过渡过程中，却存在着开关损耗。例如，功率开关管在开通时，其电流是逐渐上升的，而功率开关管的电压也是逐渐下的。在这其间就存在一个电流、电压交叠区，因而产生了较大的开通损耗，同样道理，在功率开关管关断时，也产生了关断损耗。开关损耗使功率器件承受很大的电流、电压的应力，虽然可以通过增加缓冲电路来减小开关器件的损耗和应力，但变换器总的损耗并未减小（开关管的损耗转移到缓冲电路的L、C、R中）。开关损耗随着工作频率的提高而迅速增大，因而传统的PWM变换器发展受到了限制。如何减小功率器件的开关损耗成为变换技术发展的关键。零电压开关，或零电流开关的准谐振变换器可以大大减小功率器件的开关损耗。变换器的工作频率可以提高到1MHz以上，使变换器的体积和重量都大为减小。

零电流谐振开关技术：零电流开关（Zero-Current-Switch—ZCS），是在一般功率开关管的基础上，配上谐振电感L1和电容C1，组成谐振开关，使其功率开关管在零电流条件下开通和关断，其中谐振电感与功率开关管串联，以限制开关管的di/ dt。电容C1作为辅助储能器件与L1组成串联谐振谐振电路，以使功率开关管零电压开、关。工作原理:以降压型ZCS准谐振变换器为例，说明零电流开关技术的工作原理电路采用的是半波谐振开关，若加上二极管D1，则为全波谐振开关。为分析方便，设电路中均为理想器件，同时滤波电感L2远大于谐振电感L1，L2从输入端向输出端看，可作为恒流源。ZCS准谐振变换器在一个开关周期有四种工作模式。假设在t0以前，Q1截止，D2导通、续流，电感L2释放能量，向负载供电。ZCS准谐振变换器的特点1.功率开关管在零电流时关断，关断损耗很低2.功率开关管开通时，其电流按正弦谐振曲线上升，减缓了电流的上升速度，使开关管的开通损耗也大为减小。ZCS准谐振变换器的谐振电流峰值电流很大（约是负载电流的2～3倍），增大了功率开关管的电流应力和通导损耗。谐振频率应高于变换器的工作频率.由于谐振频率是一固定值，功率开关管必须有一个固定的导通时间（等于、大于谐振半周期）。为保持输出电压恒定，应采用定导通时间的调频控制方式。因为ZCS准谐振变换器的工作频率不固定，给变压器和滤波电感的设计带来困难。

零电压准谐振变换器（Zero-Voltage-Switch—ZVS）：零电流准谐振变换器的工作频率可以提高到1MHz,但由于功率开关器件存在结电容。开通前器件处在截止状态时,结电容存有电荷,开通时,电荷通过器件放电而造成损耗。同时在非零电压下开通,也会引起寄生振荡。而零电压准谐振变换器可以将开通前功率器件的电压降到零伏,从而避免零电流开关变换器存在的问题。工作频率可以提高到10MHz以上。

零电压准谐振变换器的工作原理以升压型零电压准谐振变换器为例，说明其工作原理。为简化分析，设电路中各功率器件均为理想器件（忽略开关时间和正向压降）。零电压准谐振变换器的特点1.功率开关管在零电压条件下开通，开通损耗很小。2.功率开关管在关断时，由于电容C1充电的缓升作用，使得其关断损耗也很小，因此零电压准谐振变换器的开关损耗大为降低，其工作频率可以达到10MHz以上。3.由于谐振电压远大于输出电压，功率开关管在截止时承受较大的电压应力。4.谐振频率应小于变换器的工作频率。5.开关管Q1必须有一个固定的导通时间（等于、大于谐振半周期）。为保持输出电压恒定，应采用定导通时间的调频控制方式。6.因为ZVS准谐振变换器的工作频率不固定，给变压器和滤波电感的设计带来困难。

2.2 建模分析

传统的变换器小信号模型对 开关变流器的设计应用有重要意义。数学模型是分析和设计控制系统的基础，模型能否准确的描述对象、真实的反映对象的特征， 将直接影响到控制策略的设计及控制参数的选择，进而影响到控制系统的性能。 变换器的理论研究，主要集中在建模方法及采用相关模型进行工作特性分析和控制应用的研究，为了进行 变换器系统的稳定性分析，常用的建模方法是基于平均理论的状态空间平均法 和电路平均法。状态空间平均法是将描述系统变化过程的状态方程和输出方程，按加权平均原理进 行合并得到变换器模型的方法，在DC-DC变换器建模研究中，采用状态空间平均法建立的模型为小 信号模型；电路平均法是采用平均电路替代变换器电路中的开关元件进行建模的方法，得到一个数学表达式，相比于状态空间平均法，变换器的物理意 义体现的更加明确。但基于平均理论的建模方法主要借助线性化方法分析和研究变换 器特性，对变换器非线性特性的揭示存在不足。为更好的描述DC-DC变换器的非线性特征，近些年 来国内外学者持续开展了对变换器的非线性建模方法研究。根据实际电路（或系统）建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和实验，以达到研制和开发实际电路（或系统）的目的，这一过程称为计算机仿真(Simulation) 。计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等诸多优点，已经广泛应用于电力电子电路（或系统）的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代系统的许多烦琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计的能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，而且计算机仿真也可以与实物试制和调试相互补充，最大限度降低设计成本，缩短系统研制周期。为了把握开关变换器的可靠性、稳定性及其动态性能。

小信号分析主要以状态空间平均法来建立变换器小信号线性模型。状态空间平均法（State-Space Averaging Method）是一种解析的分析方法，它是由R.D.Middlebrook提出来的，后又经过许多研究者的完善和发展，提出了不同形式的状态空间平均法，对变换器分析和设计影响很大。

根据实际电路（或系统）建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和实验，以达到研制和开发实际电路（或系统）的目的，这一过程称为计算机仿真(Simulation) 。计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等诸多优点，已经广泛应用于电力电子电路（或系统）的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代系统的许多烦琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计的能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，而且计算机仿真也可以与实物试制和调试相互补充，最大限度降低设计成本，缩短系统研制周期。为了把握开关变换器的可靠性、稳定性及其动态性能，开关变换器的动态分析是十分重要的。早在70年代，人们就开始了开关变换器小信号频域模型的研究。小信号分析是要建立某一个工作点附近的近似小信号线性模型，该工作点由变换器参数、输入电压和负载决定。这样，就可以采用线性系统分析方法对开关变换器的调节控制回路进行设计。

3 结束语

电网中的无功补偿是用电容与电感组成的无源网络，使电流与电压的基波分量产生 附加相移，而补偿电网的功率因数(PF)。电力电子技术、非线性与智能控制和信号处理等基础理论的谐振软开关和网侧电流谐波补偿智能整流关键技术的研究，电网中的各次电流谐波的补偿和对网侧电压波形的矫正，DC/DC开关变流器的小信号分析是分析电源变换器动态性能的有力工具，也是系统动态设计的依据。

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A research on high performance switching converters with the power new simulation method of double-loop
feedback switching power stage

GAO Chao
(Dept of Electronic Engineering,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,P.R.China)

The new simulation method of double-loop feedback switching power stage is Proposed in this paper.According to the small signal mathematics model.The advantages of this method is to calculate the open-loop transfer function,close-transfer function and frequency characters of switching power stage.These benefits make it a very appealing technique in the computing industry.However,a comprehensive explanation is still unavailable or unconvincing theoretically.Some questions still remain unclear,such as:Is it universally true that a coupled inductor converter always respond faster to load transient than its uncoupled counterpart? Are there any special conditions that must be satisfied to optimize performance? To truly take advantage of the coupled inductor technique,a clear understanding is needed of its limitations,of the effect of the coupling coefficient on the current distribution in each winding and on the overall regulator steady-state and transient performances,as well as of the specification of the coupling coefficient in order to meet certain performance。

Soft switching power stage；double-loop feedbac；switching converter

TM46

A

1672-6332（2015）03-0070-05

【责任编辑：毛蔚】

2015-08-21

高潮（1958-），男（汉），四川省仁寿县人，博士，教授，研究方向为半导体材料和器件及光机电一体化。E-mail：gaoc@sziit.com.cn