運(yùn)用軟開(kāi)關(guān)及諧振技術(shù)的電流諧波補(bǔ)償與建模采樣分析研究及發(fā)展

高潮

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518172）

【博士論壇】

運(yùn)用軟開(kāi)關(guān)及諧振技術(shù)的電流諧波補(bǔ)償與建模采樣分析研究及發(fā)展

高潮

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518172）

論文分析和討論了電力電子技術(shù)、非線性與智能控制和信號(hào)處理等基礎(chǔ)理論的諧振軟開(kāi)關(guān)和網(wǎng)側(cè)電流諧波補(bǔ)償智能整流關(guān)鍵技術(shù)的研究與發(fā)展，抑制電子裝置諧波污染的途徑有對(duì)電網(wǎng)實(shí)施諧波補(bǔ)償，以及對(duì)電力電子裝置自身進(jìn)行改進(jìn)，也包括無(wú)功 補(bǔ)償和有功補(bǔ)償?shù)确矫?；討論了一種DC/DC開(kāi)關(guān)變流器仿真方法。其物理概念清楚、可用波德(Bode)圖設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)，因此該方法對(duì)變換器的優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)具有一定影響。

軟開(kāi)關(guān)諧振技術(shù)；諧波電流；建模采樣；數(shù)學(xué)模型

開(kāi)關(guān)變流器的特性是非線性的，輸入電壓高時(shí)阻抗小，電壓低時(shí)阻 抗很大。用電負(fù)載在電壓幅值高時(shí)從電網(wǎng)吸收較多的電流，導(dǎo)致電流的脈動(dòng)特性，產(chǎn)生 大量的諧波；電流在電網(wǎng)線路中產(chǎn)生的電壓降使電壓波形失真。脈動(dòng)的電流波形將降低電網(wǎng)的運(yùn)行效率，產(chǎn)生電磁輻射干擾；電壓波形失真會(huì)使接入電網(wǎng)的所有負(fù)載都產(chǎn)生諧 波電流，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)無(wú)法正常工作。

電力電子裝置諧波污染的途徑分別為對(duì)電網(wǎng)實(shí)施諧波補(bǔ)償，以及對(duì)電力電子裝置自身進(jìn)行改進(jìn)，也包括無(wú)功 補(bǔ)償和有功補(bǔ)償兩個(gè)方面。電網(wǎng)中的無(wú)功補(bǔ)償是用電容與電感組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，使電流與電壓的基波分量產(chǎn)生 附加相移，而補(bǔ)償電網(wǎng)的功率因數(shù)(PF)。無(wú)功補(bǔ)償校正電網(wǎng)中電流與電壓的相位失真， 基本上不消耗電能；無(wú)功補(bǔ)償不能消除諧波污染，也不能從根本上校正由總諧波畸變(THD)導(dǎo)致的功率因數(shù)的降低。有功補(bǔ)償是消除諧波污染和校正 THD 的有效途徑。電網(wǎng)中的有功補(bǔ)償可以認(rèn)為是一 臺(tái)接入電網(wǎng)的大功率信號(hào)發(fā)生器，理想情況下其輸出剛好是電網(wǎng)中各次諧波的反相信號(hào) 的疊加，結(jié)果使得電網(wǎng)中的電壓波形只保留正序基波。有功補(bǔ)償校正電網(wǎng)中電壓的波形 失真，消耗巨大的電能。就目前功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)的現(xiàn)狀， 智能整流模塊的電源產(chǎn)品包括各種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、充電器、電子鎮(zhèn)流器和變頻器等，應(yīng)用非常廣泛。以 SRM 與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的綜合設(shè)計(jì)研究為先導(dǎo)，逐步向其 他電子產(chǎn)品的應(yīng)用研究擴(kuò)展。基于 SRM 的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源應(yīng)該是 SRM 功能的擴(kuò)充：在其 中加入對(duì)輸出電壓和電流的檢測(cè)，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)在電網(wǎng)電壓一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通次數(shù) 和導(dǎo)通時(shí)間使電壓或電流得到穩(wěn)定，從而達(dá)到穩(wěn)壓或穩(wěn)流的目的。

1 軟開(kāi)關(guān)的電流諧波補(bǔ)償技術(shù)研究

1.1 電流諧波補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展運(yùn)用

太陽(yáng)能電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電等為代表的新能源技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，對(duì)電力變 換回路技術(shù)提出了更高的性能要求。提高電力變換回路的開(kāi)關(guān)頻率就可以使濾波器的體積、重量減 小；當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率大于 18Hz 時(shí)可以消除可聞噪音，從而可實(shí)現(xiàn)電力變換裝置的小型輕量化、高效率化 和靜音化。

然而現(xiàn)有的硬開(kāi)關(guān)變流器開(kāi)關(guān)頻率的提高也帶來(lái)一些壞處，如開(kāi)關(guān)損耗大、 電磁干擾的發(fā)生增大、感性關(guān)斷電壓尖峰大、容性開(kāi)通電流尖峰大。上述問(wèn)題嚴(yán)重妨礙了開(kāi)關(guān)器 件工作頻率的提高和電力變換回路技術(shù)的發(fā)展，引起了國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注。解決上述問(wèn)題的根 本途徑是軟開(kāi)關(guān)電力變換 回路技術(shù)的研究與發(fā)展。軟開(kāi)關(guān)的電流諧波補(bǔ)償技術(shù)是在 PWM 整流器基礎(chǔ)上引入新的電路拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)處理技術(shù)而形成的 新技術(shù)。電網(wǎng)中電流諧波污染以及相關(guān)聯(lián)的電壓波形失真是世界性的難題，而將諧波補(bǔ)償裝置與用電設(shè)備結(jié)合已被眾多學(xué)者認(rèn)為是最有前途的補(bǔ)償方案。目前各種 ARCPI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所存在共同問(wèn)題是：在輔助諧振換流過(guò)程中，流過(guò)輔助開(kāi)關(guān) 的電流為負(fù)載電流與輔助諧振回路的諧振電流之和，即使在輕負(fù)載時(shí)，輔助諧振回路也流過(guò)很大的 諧振電流，針對(duì)各種 ARCPI 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所存在問(wèn)題其解決方法有（1）基于軟開(kāi)關(guān)諧振技術(shù)與 PWM 技術(shù)的交流采樣分析（2）主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)都能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān),諧振電 路功率小。

1.2 基于軟開(kāi)關(guān)諧振技術(shù)與 PWM 技術(shù)的交流采樣分析

當(dāng)電網(wǎng)電壓為波形基本無(wú)畸變的正弦波時(shí)，任何一種采樣方式的誤差都不大，但波形畸變較大時(shí)，測(cè)量的準(zhǔn)確度就會(huì)受到較大影響。對(duì)采樣方式的不同導(dǎo)致的測(cè)量精度的差別應(yīng)予以更多關(guān)注。

模塊的交流采樣有三個(gè)作用：交流采樣顯示讀數(shù)；峰值保護(hù)；作為PFC電流環(huán)的一個(gè)基準(zhǔn)使用。目前采用峰值采樣加均方根采樣，當(dāng)峰值采樣值與均方根采樣的差值在25V之內(nèi)就顯示峰值采樣的讀數(shù)，圖1為基于軟開(kāi)關(guān)諧振技術(shù)與PWM技術(shù)的交流采樣分析的交流采樣硬件電路圖。

圖1 交流采樣硬件電路圖Fig.1 The Sampling of AC Circuit

該電路主要分為兩個(gè)部分，前一部分用于將輸入的交流信號(hào)阻隔成單方向的放大的信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，二極管1導(dǎo)通。計(jì)算如下：V1/ R199=-Vout1/(R200+R197)Vout1=-V1×(R200+ R197)/R199

圖2 Vout1波形Fig.2 The waveform of Vout1

后一部分主要有一個(gè)加法器和電容濾波，將輸入信號(hào)整成接近直流的信號(hào)。加法器計(jì)算如下：Vout1/R198+V1/R196=-VAC/R195其中R198、R196和R195為15K，所以VAC=-(V1+Vout1)。所以經(jīng)過(guò)加法器得到的是一個(gè)正向的饅頭波。

軟件部分、峰值采樣將VACIN接到DSP的AD轉(zhuǎn)換口，通過(guò)采樣保持，每次讀取值與之前的最大值比較，記錄最大值。一個(gè)周期內(nèi)得出一個(gè)最大值，將這個(gè)最大值除以，即得到峰值采樣輸出值。

均方根采樣將VACIN接到DSP的AD轉(zhuǎn)換口，通過(guò)采樣保持，每20ms進(jìn)入中斷讀取一次數(shù)值，將讀取值進(jìn)行平方，通過(guò)數(shù)字濾波器濾波，其數(shù)字濾波器的截止頻率為5Hz，再經(jīng)過(guò)40次滑動(dòng)平均濾波，乘以保持時(shí)間求和，再除以n次時(shí)間之和，開(kāi)方即得均方根采樣輸出值。

2 軟開(kāi)關(guān)及諧振技術(shù)的工作機(jī)理及變流器建模分析與應(yīng)用

2.1 軟開(kāi)關(guān)及諧振技術(shù)的工作機(jī)理

傳統(tǒng)的PWM變換器，其開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止損耗都很低，但是在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通、或關(guān)斷的過(guò)渡過(guò)程中，卻存在著開(kāi)關(guān)損耗。例如，功率開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)，其電流是逐漸上升的，而功率開(kāi)關(guān)管的電壓也是逐漸下的。在這其間就存在一個(gè)電流、電壓交疊區(qū)，因而產(chǎn)生了較大的開(kāi)通損耗，同樣道理，在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，也產(chǎn)生了關(guān)斷損耗。開(kāi)關(guān)損耗使功率器件承受很大的電流、電壓的應(yīng)力，雖然可以通過(guò)增加緩沖電路來(lái)減小開(kāi)關(guān)器件的損耗和應(yīng)力，但變換器總的損耗并未減?。ㄩ_(kāi)關(guān)管的損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路的L、C、R中）。開(kāi)關(guān)損耗隨著工作頻率的提高而迅速增大，因而傳統(tǒng)的PWM變換器發(fā)展受到了限制。如何減小功率器件的開(kāi)關(guān)損耗成為變換技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。零電壓開(kāi)關(guān)，或零電流開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)諧振變換器可以大大減小功率器件的開(kāi)關(guān)損耗。變換器的工作頻率可以提高到1MHz以上，使變換器的體積和重量都大為減小。

零電流諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)：零電流開(kāi)關(guān)（Zero-Current-Switch—ZCS），是在一般功率開(kāi)關(guān)管的基礎(chǔ)上，配上諧振電感L1和電容C1，組成諧振開(kāi)關(guān)，使其功率開(kāi)關(guān)管在零電流條件下開(kāi)通和關(guān)斷，其中諧振電感與功率開(kāi)關(guān)管串聯(lián)，以限制開(kāi)關(guān)管的di/ dt。電容C1作為輔助儲(chǔ)能器件與L1組成串聯(lián)諧振諧振電路，以使功率開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)、關(guān)。工作原理:以降壓型ZCS準(zhǔn)諧振變換器為例，說(shuō)明零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)的工作原理電路采用的是半波諧振開(kāi)關(guān)，若加上二極管D1，則為全波諧振開(kāi)關(guān)。為分析方便，設(shè)電路中均為理想器件，同時(shí)濾波電感L2遠(yuǎn)大于諧振電感L1，L2從輸入端向輸出端看，可作為恒流源。ZCS準(zhǔn)諧振變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期有四種工作模式。假設(shè)在t0以前，Q1截止，D2導(dǎo)通、續(xù)流，電感L2釋放能量，向負(fù)載供電。ZCS準(zhǔn)諧振變換器的特點(diǎn)1.功率開(kāi)關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷，關(guān)斷損耗很低2.功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，其電流按正弦諧振曲線上升，減緩了電流的上升速度，使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗也大為減小。ZCS準(zhǔn)諧振變換器的諧振電流峰值電流很大（約是負(fù)載電流的2～3倍），增大了功率開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力和通導(dǎo)損耗。諧振頻率應(yīng)高于變換器的工作頻率.由于諧振頻率是一固定值，功率開(kāi)關(guān)管必須有一個(gè)固定的導(dǎo)通時(shí)間（等于、大于諧振半周期）。為保持輸出電壓恒定，應(yīng)采用定導(dǎo)通時(shí)間的調(diào)頻控制方式。因?yàn)閆CS準(zhǔn)諧振變換器的工作頻率不固定，給變壓器和濾波電感的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

零電壓準(zhǔn)諧振變換器（Zero-Voltage-Switch—ZVS）：零電流準(zhǔn)諧振變換器的工作頻率可以提高到1MHz,但由于功率開(kāi)關(guān)器件存在結(jié)電容。開(kāi)通前器件處在截止?fàn)顟B(tài)時(shí),結(jié)電容存有電荷,開(kāi)通時(shí),電荷通過(guò)器件放電而造成損耗。同時(shí)在非零電壓下開(kāi)通,也會(huì)引起寄生振蕩。而零電壓準(zhǔn)諧振變換器可以將開(kāi)通前功率器件的電壓降到零伏,從而避免零電流開(kāi)關(guān)變換器存在的問(wèn)題。工作頻率可以提高到10MHz以上。

零電壓準(zhǔn)諧振變換器的工作原理以升壓型零電壓準(zhǔn)諧振變換器為例，說(shuō)明其工作原理。為簡(jiǎn)化分析，設(shè)電路中各功率器件均為理想器件（忽略開(kāi)關(guān)時(shí)間和正向壓降）。零電壓準(zhǔn)諧振變換器的特點(diǎn)1.功率開(kāi)關(guān)管在零電壓條件下開(kāi)通，開(kāi)通損耗很小。2.功率開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷時(shí)，由于電容C1充電的緩升作用，使得其關(guān)斷損耗也很小，因此零電壓準(zhǔn)諧振變換器的開(kāi)關(guān)損耗大為降低，其工作頻率可以達(dá)到10MHz以上。3.由于諧振電壓遠(yuǎn)大于輸出電壓，功率開(kāi)關(guān)管在截止時(shí)承受較大的電壓應(yīng)力。4.諧振頻率應(yīng)小于變換器的工作頻率。5.開(kāi)關(guān)管Q1必須有一個(gè)固定的導(dǎo)通時(shí)間（等于、大于諧振半周期）。為保持輸出電壓恒定，應(yīng)采用定導(dǎo)通時(shí)間的調(diào)頻控制方式。6.因?yàn)閆VS準(zhǔn)諧振變換器的工作頻率不固定，給變壓器和濾波電感的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

2.2 建模分析

傳統(tǒng)的變換器小信號(hào)模型對(duì) 開(kāi)關(guān)變流器的設(shè)計(jì)應(yīng)用有重要意義。數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，模型能否準(zhǔn)確的描述對(duì)象、真實(shí)的反映對(duì)象的特征， 將直接影響到控制策略的設(shè)計(jì)及控制參數(shù)的選擇，進(jìn)而影響到控制系統(tǒng)的性能。 變換器的理論研究，主要集中在建模方法及采用相關(guān)模型進(jìn)行工作特性分析和控制應(yīng)用的研究，為了進(jìn)行 變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，常用的建模方法是基于平均理論的狀態(tài)空間平均法 和電路平均法。狀態(tài)空間平均法是將描述系統(tǒng)變化過(guò)程的狀態(tài)方程和輸出方程，按加權(quán)平均原理進(jìn) 行合并得到變換器模型的方法，在DC-DC變換器建模研究中，采用狀態(tài)空間平均法建立的模型為小 信號(hào)模型；電路平均法是采用平均電路替代變換器電路中的開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行建模的方法，得到一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式，相比于狀態(tài)空間平均法，變換器的物理意 義體現(xiàn)的更加明確。但基于平均理論的建模方法主要借助線性化方法分析和研究變換 器特性，對(duì)變換器非線性特性的揭示存在不足。為更好的描述DC-DC變換器的非線性特征，近些年 來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者持續(xù)開(kāi)展了對(duì)變換器的非線性建模方法研究。根據(jù)實(shí)際電路（或系統(tǒng)）建立模型，通過(guò)對(duì)模型的計(jì)算機(jī)分析、研究和實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到研制和開(kāi)發(fā)實(shí)際電路（或系統(tǒng)）的目的，這一過(guò)程稱(chēng)為計(jì)算機(jī)仿真(Simulation) 。計(jì)算機(jī)仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子電路（或系統(tǒng)）的分析和設(shè)計(jì)中。計(jì)算機(jī)仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許多煩瑣的人工分析，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高分析和設(shè)計(jì)的能力，避免因?yàn)榻馕龇ㄔ诮铺幚碇袔?lái)的較大誤差，而且計(jì)算機(jī)仿真也可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充，最大限度降低設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)研制周期。為了把握開(kāi)關(guān)變換器的可靠性、穩(wěn)定性及其動(dòng)態(tài)性能。

小信號(hào)分析主要以狀態(tài)空間平均法來(lái)建立變換器小信號(hào)線性模型。狀態(tài)空間平均法（State-Space Averaging Method）是一種解析的分析方法，它是由R.D.Middlebrook提出來(lái)的，后又經(jīng)過(guò)許多研究者的完善和發(fā)展，提出了不同形式的狀態(tài)空間平均法，對(duì)變換器分析和設(shè)計(jì)影響很大。

根據(jù)實(shí)際電路（或系統(tǒng)）建立模型，通過(guò)對(duì)模型的計(jì)算機(jī)分析、研究和實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到研制和開(kāi)發(fā)實(shí)際電路（或系統(tǒng)）的目的，這一過(guò)程稱(chēng)為計(jì)算機(jī)仿真(Simulation) 。計(jì)算機(jī)仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子電路（或系統(tǒng)）的分析和設(shè)計(jì)中。計(jì)算機(jī)仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許多煩瑣的人工分析，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高分析和設(shè)計(jì)的能力，避免因?yàn)榻馕龇ㄔ诮铺幚碇袔?lái)的較大誤差，而且計(jì)算機(jī)仿真也可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充，最大限度降低設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)研制周期。為了把握開(kāi)關(guān)變換器的可靠性、穩(wěn)定性及其動(dòng)態(tài)性能，開(kāi)關(guān)變換器的動(dòng)態(tài)分析是十分重要的。早在70年代，人們就開(kāi)始了開(kāi)關(guān)變換器小信號(hào)頻域模型的研究。小信號(hào)分析是要建立某一個(gè)工作點(diǎn)附近的近似小信號(hào)線性模型，該工作點(diǎn)由變換器參數(shù)、輸入電壓和負(fù)載決定。這樣，就可以采用線性系統(tǒng)分析方法對(duì)開(kāi)關(guān)變換器的調(diào)節(jié)控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

電網(wǎng)中的無(wú)功補(bǔ)償是用電容與電感組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，使電流與電壓的基波分量產(chǎn)生 附加相移，而補(bǔ)償電網(wǎng)的功率因數(shù)(PF)。電力電子技術(shù)、非線性與智能控制和信號(hào)處理等基礎(chǔ)理論的諧振軟開(kāi)關(guān)和網(wǎng)側(cè)電流諧波補(bǔ)償智能整流關(guān)鍵技術(shù)的研究，電網(wǎng)中的各次電流諧波的補(bǔ)償和對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓波形的矯正，DC/DC開(kāi)關(guān)變流器的小信號(hào)分析是分析電源變換器動(dòng)態(tài)性能的有力工具，也是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

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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

【責(zé)任編輯：毛蔚】

2015-08-21

高潮（1958-），男（漢），四川省仁壽縣人，博士，教授，研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體材料和器件及光機(jī)電一體化。E-mail：gaoc@sziit.com.cn