一種轉(zhuǎn)移法消除電流紋波的電路研究

張宇翔， 張玉壘， 張元濤， 郭 敏

(鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院 河南鄭州450001)

0 引言

目前電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于電能提供的各種場合，但電力電子設(shè)備中功率開關(guān)器件所產(chǎn)生的紋波電流會對電能質(zhì)量造成影響．隨著社會的發(fā)展，對電能質(zhì)量的要求也越來越高，其中電流諧波是一項重要的電能指標(biāo)．在使用并網(wǎng)逆變器、有源電力濾波器等設(shè)備時，較大的紋波電流會造成電流諧波指標(biāo)超標(biāo);在恒流輸出類電源中，紋波電流更是要盡量減小的．紋波電流還會對用電設(shè)備造成不良的影響，它增加電機(jī)的軸損和鐵損，影響電機(jī)的使用壽命［1］．在小功率場合，紋波電流也有危害，如對LED的光輸出和光效造成影響［2］;高頻的紋波電流會對周圍的電子設(shè)備造成電磁干擾，紋波會對測量設(shè)備帶來測量誤差，使控制設(shè)備產(chǎn)生誤操作等［3］．

1 紋波電流產(chǎn)生的原因及抑制方法

電力電子電路中常使用電感存儲能量穩(wěn)定電流，由于電力電子電路中IGBT等控制器件工作在開關(guān)狀態(tài)，因此電路中電感兩端的電壓會產(chǎn)生周期性脈動，電感電壓的變化使流過電感的電流發(fā)生變化，電流的波動就造成了電路中存在電流紋波．電路的電流紋波大小不僅和電感大小有關(guān)，還和電感兩端電壓變化幅度以及開關(guān)管的工作頻率有關(guān)．電感值越大，開關(guān)頻率越高以及電感兩端電壓越小都會使電路中紋波電流減小，反之會使紋波電流增大．

抑制紋波電流的方法根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和輸出要求的不同采取不同方法，最常見的方法是在輸出端并聯(lián)較大容量電容，不但可以穩(wěn)定輸出電壓，而且可以抑制負(fù)載上的紋波電流．提高開關(guān)頻率和加大電感也是降低電流紋波的常用方式．在逆變電路中，可以通過多電平逆變技術(shù)來減小電感兩端電壓變化幅度，從而減小輸出紋波電流，或在不增加紋波電流的情況下減小電感量．

然而在某些情況下，常規(guī)的電流紋波抑制方法并不可?。缭诓⒕W(wǎng)以及恒流輸出的場合，不宜通過并聯(lián)電容的方法來減小輸出紋波電流．在大功率并網(wǎng)逆變器中，由于開關(guān)頻率較低，電感要做得很大，較大的電感不僅使得體積增大，而且電感成本在總成本的比重也會增加．

2 一種新的紋波電流抑制方法

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律［4］，當(dāng)在電感繞組兩端施加電壓時，電感磁芯中的磁通會產(chǎn)生變化．又根據(jù)安培環(huán)路定理，穿過沿磁芯區(qū)的環(huán)路的總電流必然會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，形成紋波電流．當(dāng)電感磁芯上繞有多個繞組時，可以設(shè)法將電感電流的變化集中到其中的一個繞組中去，其他繞組中可以沒有電流的變化．依據(jù)此思路，作者設(shè)計了紋波電流消除方案，如圖1所示．電感原有繞組L11處在主回路中，在電感磁芯加繞一個副繞組L22，L22和電感L2構(gòu)成副回路，如果控制L2上的電壓，使副回路中電流變化恰好等于流過L11和L22電流歸算到副繞組側(cè)的變化之和，則L11中的電流將不變化，即主回路中的電流紋波全部轉(zhuǎn)移到了副回路中．通過這樣的方式達(dá)到減小和消除主回路電流紋波的目的．

圖中L11為主繞組中的電感，L22為副繞組電感，U1為電感L1和L11兩端的電壓，I1為流過L1和L11的電流，U2為L2和L22兩端的電壓，I2為流過電感L2和L22的電流，U0為開關(guān)電源輸出電壓，UC為電容C兩端的電壓．

當(dāng)L11和L22之間的互感系數(shù)為M2=L11L22時，滿足緊耦合條件［5］．但實際中完全的緊耦合是不可能的，總會存在漏感，為分析方便，此處假設(shè)L11和L22滿足緊耦合條件，漏感計入電感L1和L2中，可得

當(dāng) U0=UC，U1=U2時，令 dI1/dt=0，則由(1)和(2)可解得:M=L2+L22，又有可得

滿足(3)式時主回路中的紋波電流可以減小到零，紋波電流全部流入到副回路中．另外，(3)中對電感L1沒有要求，L1可以取消，但當(dāng)N1=N2時，L2=0，則L1不能為零，此時也能將紋波電流全部導(dǎo)入副回路中．

設(shè)定U1=U2，U0=UC的條件是為了簡化實驗電路，圖1中主、副回路上端可并在一起，不需要另加開關(guān)管．如果不設(shè)定此條件，也能推導(dǎo)出相應(yīng)的電感值之間的關(guān)系式，但會導(dǎo)致電路復(fù)雜化．

3 紋波消除方案的仿真驗證

ORCAD公司推出的Capture系列軟件包，可以完成從電子電路仿真到制板的整個流程的全部工作，因此其在電子設(shè)計中被廣泛地采用．它的元件庫中包含了常用元件的PSPICE模型，各大半導(dǎo)體公司常會給出其新產(chǎn)品的PSPICE模型以方便使用者的建模仿真［6］．利用Capture軟件包對紋波消除方案的具體電路進(jìn)行仿真［7－8］，仿真電路采用Buck變換器，在普通Buck變換器基礎(chǔ)上，去掉并在負(fù)載上的濾波電容，并另加一條副回路．仿真的原理如圖2所示．

圖1 紋波電流消除方案示意圖Fig．1 Way to eliminate the ripple current

圖2 紋波消除方案的仿真電路圖Fig．2 Simulation of the circuit to eliminate the ripple current

圖中，V2為脈沖電壓源，其周期為50 μs、占空比為50%、幅值為15 V．K_Linear確定電感之間的耦合系數(shù)，它最多可以建模6個電感之間的耦合關(guān)系．通過觀察負(fù)載電阻R1的電壓波動來判斷對主回路中的紋波電流消除是否有效．

從圖3可以看出，負(fù)載R1兩端電壓波動的峰－峰值為0．1 V，輸出電壓中紋波電壓的比例僅為0．20%，由于是阻性負(fù)載，電流紋波的比例也是0．20%．可見在R1兩端不并濾波電容的情況下，R1上紋波電流已經(jīng)非常小了．由圖4可知，功率管開關(guān)造成的電感電流波動的峰－峰值為1．5 A，輸出電流為4．0 A，比值是37．5%，副回路集中了99．5%的電感電流變化．可見此方案對主回路的紋波電流的抑制效果還是非常好的．仿真還顯示:如果加大副回路的吸收電容C的容量，則主回路中的電流紋波會成比例減小，例如C加大10倍到220 μF，主回路中的電流紋波比例會減小10倍，這是由于電容C越大，UC的波動就越小，就越接近理論上完全轉(zhuǎn)移主回路紋波電流的條件:U0=UC．電容C上的電壓UC的平均值會自動趨于和U0相等．穩(wěn)態(tài)時副回路上電流平均值為零，但U0≠UC時副回路上電流平均值不為零，引起UC的平均值趨于和U0相等．

圖3 負(fù)載電阻兩端的電壓波動Fig．3 Voltage of the resistance

圖4 電容C上的電流Fig．4 Current on the capacity

4 實驗驗證

以上通過理論分析和電路仿真說明了紋波轉(zhuǎn)移副回路的理論及其可行性，現(xiàn)在通過搭建一個Buck變換器［9］來驗證該方法的作用和效果，如圖5所示．

電路的輸入電壓為24 V，輸出電壓12 V，電感L11和L22的值分別為1．27 mH和0．33 mH，負(fù)載電阻R阻值為100 Ω，電容C為22 μF，開關(guān)頻率30 kHz，占空比50%．STM32微處理器產(chǎn)生PWM 波送到IR2110，IR2110是自舉式半橋MOSFET或IGBT驅(qū)動芯片，實驗中用來驅(qū)動MOSFET．為了驗證紋波消除方法的正確性，通過不斷調(diào)整L2的電感值，找出使得主回路中紋波電流最小時L2的電感值，通過和理論計算的電感值相對比來驗證理論的正確性．實驗過程中的數(shù)據(jù)如表1所示．

圖5 驗證實驗電路圖Fig．5 The verification circuit

表1 不同L2電感值的紋波實驗數(shù)據(jù)Tab．1 Results on different L2

當(dāng)電感L2為0．36 mH時，主回路中的紋波電流為1．30 mA．L11和L22的匝數(shù)比為2∶1，此時要求L2和L22相等，這和理論結(jié)果相吻合．實驗證明了通過引入副回路，可將開關(guān)電源主回路中的紋波電流轉(zhuǎn)移到副回路中．

5 紋波消除方案的系統(tǒng)分析

圖6為紋波消除方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路，輸入電壓為U，主回路的電流為i1，副回路電流為i2，Ug為負(fù)載電壓，下面推導(dǎo)主回路中的電流i1和輸入電壓U及負(fù)載電壓Ug之間的傳遞函數(shù)，以此來對紋波消除方案的系統(tǒng)進(jìn)行分析和比較．

系統(tǒng)滿足函數(shù)

從式(4)和(5)可以看出，主回路的電流與負(fù)載電壓和輸入電壓是一個三階系統(tǒng)關(guān)系，這一點(diǎn)和LCL輸出濾波電路相似．副回路中只流過紋波電流，電流的有效值比較小，和LCL電路中全部電流流過電感相比，副回路中的電感的體積可以大大減小．

圖6 消除紋波電流的系統(tǒng)電路圖Fig．6 System circuit of eliminating ripple current

6 小結(jié)

通過對轉(zhuǎn)移紋波電流到副回路這種消除紋波電流方法的理論分析、電路仿真、實驗驗證和系統(tǒng)分析，可以看到該方法的正確性．這種方法電路結(jié)構(gòu)簡單、紋波消除效果很好，它可以用在并網(wǎng)逆變器、對紋波要求嚴(yán)格的電源和大功率恒流源中．

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