無源無損緩沖器的設計與分析

摘要：在分析了現有功率變換電路的各種緩沖吸收電路的基礎上，提出了兩種新穎的無源無損緩沖電路，并且進行詳細的定性分析和實驗，并給出了實驗結果。

關鍵詞：功率變換；緩沖電路；無源；無損

1 引言

為了確保功率開關管安全可靠地工作，則功率開關管必須工作在安全區。但在硬開關條件下，功率開關管在開通和關斷過程中可能承受過壓、過流，過大的di/dt和dv/dt的沖擊，使開關管發熱，如不采取保護措施，可能使功率開關管超出安全工作區而損壞。為此，在功率電路中，通常設置緩沖電路或采用軟開關技術，以防止瞬時過壓、過流，過大的di/dt和dv/dt，減小開關損耗，確保開關管工作在安全工作區。

緩沖電路的形式很多，可根據不同的場合合理選用。常用的緩沖電路，簡單的有無源的并聯RC電路、并聯RCD緩沖電路、RCD限幅箝位緩沖電路等，還有較復雜的有源緩沖、軟開關電路等。有源緩沖電路在電路結構、控制方法上都比較復雜，成本價格也比較高。而無源緩沖電路往往是用緩沖電容C吸收功率開關器件關斷時的能量，然后消耗在電阻R上，雖然可以改善開關器件的關斷特性，但降低了電路的變換效率，并且在大功率場合，需要大功率的電阻，而消耗掉大量能量，甚至改變了設備的工作環境。為此，為了簡化電路，提高變換效率，有必要研究無源無損緩沖吸收電路。已有文獻^[1][2][3]對無源無損緩沖電路和軟開關技術作了大量的研究。但是，這些無源無損緩沖電路一方面電路結構比較復雜，另一方面其使用具有一定的局限性。為此，筆者在對 DC/DC， DC/AC變換器進行了大量研究的基礎上，提出了由一只電容和兩只二極管構成的CD2型無源無損緩沖電路和由一只電容、一只電感和兩只二極管構成的CLD²型無源無損緩沖電路。

本文對CD²和CLD²型無源無損緩沖電路進行了分析，并且給出了在半橋變換電路中的應用結果。

2 CD²型無源無損緩沖電路及其分析

CD²型無源無損緩沖電路可以應用于半橋和全橋變換電路。該電路應用于DC/AC半橋變換器中如圖1所示。

圖1 CD²型無源無損緩沖電路應用于DC/AC半橋變換器

圖1所示電路中，直流電源電壓為E，電容C_s1，C_s2和開關管S₁，S₂各為一橋臂構成半橋電路，L，C，R為等效的輸出電路，其中L包含功率電路中的寄生電感。V_D1，V_D2分別為S₁，S₂的反并聯二極管。S₁的緩沖吸收電路由圖1中虛線框內電容C₁和二極管V_D11，V_D12組成。S₂的緩沖吸收電路則由電容C₂和二極管V_D21，V_D22組成。CD²型無源無損緩沖電路共有三個工作模式，如圖2所示。圖中粗線表示電流通路。

(a)導通模式

(b)充電模式

(c)放電模式

圖2 CD²型無源無損緩沖電路三個工作模式

其工作過程如下：

1）導通模式 S₁導通，S₂截止，如圖2（a）所示。此時S₁導通，有電流通過，C₁兩端電壓上正下負，被箝位為電源電壓E，故V_D12兩端電壓等于0，而V_D11反向截止，其上電壓為－E，在此模式下電容C₁中無電流通過。

V_C1=E （1）

2）充電模式 S₁關斷，S₂截止，如圖2（b）所示。此時電路中的等效電感L中的電流通過C₁，V_D11續流，給C₁充電，直到充電電流為0〔如式（2）〕。同時C₁的電壓逐步增加，其峰值取決于S₁關斷時電流值和電路中等效電感L值，此時，V_D12兩端電壓反偏，其值等于V_C1-E，V_D11導通。

V_C1=V_C10＋i_c1dt=E＋i_c1dt（2）

L＋i_c1R＋i_c1dt=（3）

3）放電模式 S₁截止，S₂截止，如圖2（c）所示。此時C₁兩端電壓高于電源電壓，V_D12正偏導通，電容C₁迅速通過V_D12放電到直流電源，直到電容電壓等于電源電壓E時，V_D12截止。然后等待下一工作周期的到來。

V_c1－E=i_c1dt（4）

下管S₂緩沖電路工作原理類似。