功率緩沖器的負載魯棒性分析

功率緩沖器的負載魯棒性分析第1頁，共20頁，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現(xiàn)前后級信號隔離，使前后級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)來表示。

第2頁，共20頁，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，為等效輸出電動勢。在這種條件下，不論緩沖器后級接什么類型的負載，或負載如何變化（包括負載突變），均滿足v0≈Eo

，或Δv0→0；而且，由于Ri→∞，輸入電流趨于0，負載變動幾乎不會反過來干擾輸入端信號的穩(wěn)定性。

第3頁，共20頁，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際電路是用運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，因此信號端可以以搭積木方式再接其它運算放大器或電子線路，具有一定的扇出能力。

第4頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日追溯到最原始的三端半導體器件，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。此類電路在微電子線路應(yīng)用中已經(jīng)達到非常成熟和靈活的程度，但是在功率級電力電子線路中的應(yīng)用尚未引起重視。事實上，各類電源中不同程度地存在對負載魯棒性的要求，特別是研發(fā)高附加值特種電源產(chǎn)品時，有時不僅要求同一電源能適應(yīng)多類負載（阻性、感性、容性、晶閘管非線性等）及其組合單元的匹配，甚至要求在復雜負載條件下仍要滿足近乎同容量阻性負載的靜態(tài)指標（正弦失真度THD%、穩(wěn)態(tài)精度）和動態(tài)指標（系統(tǒng)閉環(huán)時突加或突卸負載盡可能小的瞬時變化量和穩(wěn)態(tài)恢復時間）。第5頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日如果僅限于在現(xiàn)有的“純開關(guān)電路加濾波器”框架下，依靠復雜的算法和控制手段，采用高速芯片來強化電源的功能和提升靜、動態(tài)指標，顯然已比較困難；且復雜閉環(huán)對系統(tǒng)階數(shù)的提高直接影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。因此，在降階的簡單控制“純開關(guān)電路加濾波器”的電源模式基礎(chǔ)上串入功率緩沖器，將使高性能指標的特種功能電源得以方便地實現(xiàn)。這說明，一方面電源技術(shù)本身的發(fā)展存在對功率緩沖器的現(xiàn)實需求，另一方面微電子技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有的緩沖器應(yīng)用機理早已成熟，又可供功率領(lǐng)域借鑒。第6頁，共20頁，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，因此其機理移植至功率級后仍能體現(xiàn)其線性工作特性，特別是對各類負載適應(yīng)性與魯棒性。其中要解決的問題是線性單元的效率問題。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，因此不論負載類型和狀況如何，v0將跟隨vi

，僅低于vi幾伏。現(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、低阻輸出的功率級電壓跟隨器，因此可在電力電子電源的輸出級充當功率緩沖器。第7頁，共20頁，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開啟失真閾值電壓的影響，也可加一定的補償措施。此時要保持緩沖器的高效運行，必須使瞬時的IGBT損耗盡可能小，使瞬時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)。做到這一點的控制方式是使+e、vi均同步按比例跟蹤一個參考信號源vs

，且電壓+e略高于vi。第8頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日顯然，當參考信號源vs為直流信號時，圖3的功率緩沖器將能使一個傳統(tǒng)的DC/DC開關(guān)變換器電源在獲得輸出電壓紋波凈化的同時，得到極好的負載魯棒性。這是因為電源+e上迭加的電壓紋波將降落在功率緩沖器的IGBT管上。

當人們需要在某種負載上獲得不含開關(guān)紋波的特殊電壓波形時，亦可通過微處理器（或其它波形發(fā)生器）合成所需要的波形信號vs

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

，使圖3的功率緩沖器與前級開關(guān)濾波電路共同組成一個抗負載擾動能力很強的任意波形功率變換器電源。在特殊情況下，當vs為正弦電壓信號時，圖3的電路在負載上得到半周純正弦電壓。

第9頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日3．理論分析與實驗分析

3．1電源電壓波動與負載阻抗的關(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為負載阻抗，ZO為輸出端的等效輸出阻抗，為等效的由信號源控制的受控電壓源。輸出端（負載端）的電壓與負載阻抗ZL的關(guān)系為：（1）在電源控制信號不變的情況下，和ZO近似為不變量。輸出電壓隨負載阻抗ZL的變化而波動。上式對ZL

求微分，可得：

（2）上式說明，當負載變動時，電源輸出電壓的變化率為負載阻抗變化率的倍。顯然，當電源輸出阻抗ZO＜＜ZL

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

第10頁，共20頁，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。當工作頻率合適時，功率管結(jié)電容可近似看作開路（即忽略結(jié)電容效應(yīng)時），其輸出等效阻抗為：，近似為一純電阻。由于功率管IGBT的跨導通常都較大，比如，IMBH25—120D給出的跨導參數(shù)為gm≥100，因此，用其構(gòu)成功率緩沖器的輸出阻抗ro≤0.01Ω。當負載阻抗|ZL

|>>ro

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

第11頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日3．3負載適應(yīng)性和動態(tài)指標

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

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

功率緩沖器的動態(tài)性能指標取決于場控功率器件IGBT的動態(tài)指標和電壓波動率。由于功率IGBT的動態(tài)恢復時間一般為μs級，因而，功率緩沖器在合理設(shè)計情況下的穩(wěn)態(tài)恢復時間Tr

亦可為μs級。功率緩沖器的正弦失真度THD%，取決于輸入信號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)計合理時具有非常好的瞬態(tài)跟隨特性，所以只要保證輸入控制信號的正弦失真度，就可使功率緩沖器的THD%達到功率級很滿意的程度。

第13頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日電路形式第14頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日3．4實驗結(jié)果

(a)PWM濾波UPS接兩臺計算機(b)加功率緩沖器的UPS接負載時的輸出電壓波形兩臺計算機時的輸出電壓波形第15頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日(c)無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，共20頁，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

突加負載時穩(wěn)態(tài)電壓電流突加負載時的電壓電流波形第17頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日突加負載時的對照波形第18頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日4.綜合分析在傳統(tǒng)的DC/DC、DC/AC開關(guān)濾波電源之后嫁接功率緩沖器，對功率濾波器中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，可設(shè)定較低的開關(guān)頻率，以降低功率開關(guān)管的動態(tài)損耗。這樣，雖然附加了功率緩沖器中IGBT管壓降損耗，卻可由降低開關(guān)電路的動態(tài)損耗得到補償。因此，可以認為同容量合理設(shè)計的條件下，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，共20頁，2023年，2月20日