功率緩沖器的負(fù)載魯棒性分析

功率緩沖器的負(fù)載魯棒性分析第1頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1．引言

緩沖器電路常用在電子線路中實(shí)現(xiàn)前后級(jí)信號(hào)隔離，使前后級(jí)之間的相互影響降至最小。緩沖器電路可用圖1的二端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示。

第2頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日其中，Ri為輸入端的等效輸入電阻（在研究的信號(hào)頻率范圍內(nèi)忽略功率緩沖器的電容效應(yīng)），理想情況下Ri→∞；ro為輸出端的等效電阻，理想情況下ro→0，為等效輸出電動(dòng)勢(shì)。在這種條件下，不論緩沖器后級(jí)接什么類(lèi)型的負(fù)載，或負(fù)載如何變化（包括負(fù)載突變），均滿(mǎn)足v0≈Eo

，或Δv0→0；而且，由于Ri→∞，輸入電流趨于0，負(fù)載變動(dòng)幾乎不會(huì)反過(guò)來(lái)干擾輸入端信號(hào)的穩(wěn)定性。

第3頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在微電子線路中，常用于輸出緩沖器的實(shí)際電路是用運(yùn)算放大器接成的同相輸入電壓跟隨器電路，如圖2所示。顯然，它具有近似圖1的理想特性，因此信號(hào)端可以以搭積木方式再接其它運(yùn)算放大器或電子線路，具有一定的扇出能力。

第4頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日追溯到最原始的三端半導(dǎo)體器件，例如三極管BJT，共有三種最基本的接線方式：共射、共基、共集。其中共集電極接法可以構(gòu)成高阻輸入、低阻輸出的電壓跟隨器（或射級(jí)輸出器），也可等效成圖1的二端口網(wǎng)絡(luò)，具備緩沖器的基本特征。此類(lèi)電路在微電子線路應(yīng)用中已經(jīng)達(dá)到非常成熟和靈活的程度，但是在功率級(jí)電力電子線路中的應(yīng)用尚未引起重視。事實(shí)上，各類(lèi)電源中不同程度地存在對(duì)負(fù)載魯棒性的要求，特別是研發(fā)高附加值特種電源產(chǎn)品時(shí)，有時(shí)不僅要求同一電源能適應(yīng)多類(lèi)負(fù)載（阻性、感性、容性、晶閘管非線性等）及其組合單元的匹配，甚至要求在復(fù)雜負(fù)載條件下仍要滿(mǎn)足近乎同容量阻性負(fù)載的靜態(tài)指標(biāo)（正弦失真度THD%、穩(wěn)態(tài)精度）和動(dòng)態(tài)指標(biāo)（系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)突加或突卸負(fù)載盡可能小的瞬時(shí)變化量和穩(wěn)態(tài)恢復(fù)時(shí)間）。第5頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日如果僅限于在現(xiàn)有的“純開(kāi)關(guān)電路加濾波器”框架下，依靠復(fù)雜的算法和控制手段，采用高速芯片來(lái)強(qiáng)化電源的功能和提升靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)，顯然已比較困難；且復(fù)雜閉環(huán)對(duì)系統(tǒng)階數(shù)的提高直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。因此，在降階的簡(jiǎn)單控制“純開(kāi)關(guān)電路加濾波器”的電源模式基礎(chǔ)上串入功率緩沖器，將使高性能指標(biāo)的特種功能電源得以方便地實(shí)現(xiàn)。這說(shuō)明，一方面電源技術(shù)本身的發(fā)展存在對(duì)功率緩沖器的現(xiàn)實(shí)需求，另一方面微電子技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有的緩沖器應(yīng)用機(jī)理早已成熟，又可供功率領(lǐng)域借鑒。第6頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.功率緩沖器的構(gòu)成與工作原理

由于微電子技術(shù)中的緩沖器是線性電壓跟隨器，因此其機(jī)理移植至功率級(jí)后仍能體現(xiàn)其線性工作特性，特別是對(duì)各類(lèi)負(fù)載適應(yīng)性與魯棒性。其中要解決的問(wèn)題是線性單元的效率問(wèn)題。圖3為用于特種電源的典型功率緩沖器電路。由于壓控器件IGBT輸入阻抗很高，而射極輸出阻抗卻很低，在一定條件下可近似等效為圖1的理想二端口，因此不論負(fù)載類(lèi)型和狀況如何，v0將跟隨vi

，僅低于vi幾伏?，F(xiàn)有的壓控功率器件MOSFET、IGBT等可按射極（或源極）輸出器原理構(gòu)建高阻輸入、低阻輸出的功率級(jí)電壓跟隨器，因此可在電力電子電源的輸出級(jí)充當(dāng)功率緩沖器。第7頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在較高電壓（110V以上）大電流電源系統(tǒng)中，可以忽略IGBT開(kāi)啟失真閾值電壓的影響，也可加一定的補(bǔ)償措施。此時(shí)要保持緩沖器的高效運(yùn)行，必須使瞬時(shí)的IGBT損耗盡可能小，使瞬時(shí)管壓降保持在飽和壓降值左右，而又能保證IGBT工作于接近臨界飽和態(tài)偏線性工作區(qū)一側(cè)。做到這一點(diǎn)的控制方式是使+e、vi均同步按比例跟蹤一個(gè)參考信號(hào)源vs

，且電壓+e略高于vi。第8頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日顯然，當(dāng)參考信號(hào)源vs為直流信號(hào)時(shí)，圖3的功率緩沖器將能使一個(gè)傳統(tǒng)的DC/DC開(kāi)關(guān)變換器電源在獲得輸出電壓紋波凈化的同時(shí)，得到極好的負(fù)載魯棒性。這是因?yàn)殡娫?e上迭加的電壓紋波將降落在功率緩沖器的IGBT管上。

當(dāng)人們需要在某種負(fù)載上獲得不含開(kāi)關(guān)紋波的特殊電壓波形時(shí)，亦可通過(guò)微處理器（或其它波形發(fā)生器）合成所需要的波形信號(hào)vs

，使+e和vs均同步按比例跟蹤。這樣，負(fù)載上就能得到不含開(kāi)關(guān)紋波的期望任意波形vs

，使圖3的功率緩沖器與前級(jí)開(kāi)關(guān)濾波電路共同組成一個(gè)抗負(fù)載擾動(dòng)能力很強(qiáng)的任意波形功率變換器電源。在特殊情況下，當(dāng)vs為正弦電壓信號(hào)時(shí)，圖3的電路在負(fù)載上得到半周純正弦電壓。

第9頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3．理論分析與實(shí)驗(yàn)分析

3．1電源電壓波動(dòng)與負(fù)載阻抗的關(guān)系

電力電子電源的輸出端總可等效為圖4所示的戴維南電路。其中，ZL為負(fù)載阻抗，ZO為輸出端的等效輸出阻抗，為等效的由信號(hào)源控制的受控電壓源。輸出端（負(fù)載端）的電壓與負(fù)載阻抗ZL的關(guān)系為：（1）在電源控制信號(hào)不變的情況下，和ZO近似為不變量。輸出電壓隨負(fù)載阻抗ZL的變化而波動(dòng)。上式對(duì)ZL

求微分，可得：

（2）上式說(shuō)明，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，電源輸出電壓的變化率為負(fù)載阻抗變化率的倍。顯然，當(dāng)電源輸出阻抗ZO＜＜ZL

或ZO→0時(shí)，不論負(fù)載如何變化（包括負(fù)載性質(zhì)改變和負(fù)載突變），輸出電壓將均不會(huì)隨之波動(dòng)，電源系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

第10頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3．2功率緩沖器的輸出阻抗

功率器件IGBT可接成源極輸出器形式，如圖5。當(dāng)工作頻率合適時(shí)，功率管結(jié)電容可近似看作開(kāi)路（即忽略結(jié)電容效應(yīng)時(shí)），其輸出等效阻抗為：，近似為一純電阻。由于功率管IGBT的跨導(dǎo)通常都較大，比如，IMBH25—120D給出的跨導(dǎo)參數(shù)為gm≥100，因此，用其構(gòu)成功率緩沖器的輸出阻抗ro≤0.01Ω。當(dāng)負(fù)載阻抗|ZL

|>>ro

時(shí)，由式（2）知，功率緩沖器輸出電壓幾乎不隨負(fù)載的突變而波動(dòng)，具有很強(qiáng)的魯棒性。

第11頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3．3負(fù)載適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)指標(biāo)

當(dāng)功率緩沖器的輸出阻抗（電阻）ro≤0.01Ω→0，即ro<<|ZL|時(shí)，式（2）可近似為：（3）當(dāng)負(fù)載為純阻性時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化極小，具有很好的魯棒性。當(dāng)負(fù)載為純感性或純?nèi)菪詴r(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量同樣極小（因?yàn)閞o<<|ZL|），但電壓的相對(duì)變化與負(fù)載的相對(duì)變化有一些相位差。比如ZL=jωL,。由于ro

＜＜ωL，則附加相位變化也很小。因此，不論負(fù)載為什么性質(zhì)的負(fù)載（阻性、感性、容性，及非線性負(fù)載），輸出電壓均具有很好的魯棒性。第12頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

功率緩沖器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)取決于場(chǎng)控功率器件IGBT的動(dòng)態(tài)指標(biāo)和電壓波動(dòng)率。由于功率IGBT的動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間一般為μs級(jí)，因而，功率緩沖器在合理設(shè)計(jì)情況下的穩(wěn)態(tài)恢復(fù)時(shí)間Tr

亦可為μs級(jí)。功率緩沖器的正弦失真度THD%，取決于輸入信號(hào)的正弦失真度和緩沖器的瞬態(tài)射極跟隨性能。由于射極跟隨器在設(shè)計(jì)合理時(shí)具有非常好的瞬態(tài)跟隨特性，所以只要保證輸入控制信號(hào)的正弦失真度，就可使功率緩沖器的THD%達(dá)到功率級(jí)很滿(mǎn)意的程度。

第13頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日電路形式第14頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3．4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(a)PWM濾波UPS接兩臺(tái)計(jì)算機(jī)(b)加功率緩沖器的UPS接負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形兩臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)的輸出電壓波形第15頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(c)無(wú)功率緩沖器的變頻器在0.2Hz（d）加功率緩沖器的變頻器在0.2Hz

下的穩(wěn)態(tài)電壓電流波形下的穩(wěn)態(tài)電壓電流波形第16頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（e）濾波型變頻器在0.2Hz下（f）加功率緩沖器的變頻器在0.2Hz下

突加負(fù)載時(shí)穩(wěn)態(tài)電壓電流突加負(fù)載時(shí)的電壓電流波形第17頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日突加負(fù)載時(shí)的對(duì)照波形第18頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4.綜合分析在傳統(tǒng)的DC/DC、DC/AC開(kāi)關(guān)濾波電源之后嫁接功率緩沖器，對(duì)功率濾波器中L、C的參數(shù)選擇可按紋波峰—峰電壓設(shè)定在IGBT的飽和管壓降左右為原則推出。因此，在相同的開(kāi)關(guān)頻率下，嫁接功率緩沖器和不嫁接相比，可選擇較小的L、C參數(shù)。換言之，在選擇相同的L、C參數(shù)時(shí)，可設(shè)定較低的開(kāi)關(guān)頻率，以降低功率開(kāi)關(guān)管的動(dòng)態(tài)損耗。這樣，雖然附加了功率緩沖器中IGBT管壓降損耗，卻可由降低開(kāi)關(guān)電路的動(dòng)態(tài)損耗得到補(bǔ)償。因此，可以認(rèn)為同容量合理設(shè)計(jì)的條件下，加與不加功率緩沖器的電力電子變換器電源的效率基本持平。第19頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日