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1、功率缓冲器的负载鲁棒性分析,李绍铭 周谦之（安徽工业大学 243002）,1引言 缓冲器电路常用在电子线路中实现前后级信号隔离，使前后级之间的相互影响降至最小。缓冲器电路可用图1的二端口网络来表示。,其中，Ri为输入端的等效输入电阻（在研究的信号频率范围内忽略功率缓冲器的电容效应），理想情况下Ri；ro为输出端的等效电阻，理想情况下ro0，为等效输出电动势。在这种条件下，不论缓冲器后级接什么类型的负载，或负载如何变化（包括负载突变），均满足v0Eo，或v0 0；而且，由于Ri，输入电流趋于0，负载变动几乎不会反过来干扰输入端信号的稳定性。,在微电子线路中，常用于输出缓冲器的实际电路是用运算放大
2、器接成的同相输入电压跟随器电路，如图2所示。显然，它具有近似图1的理想特性，因此信号端可以以搭积木方式再接其它运算放大器或电子线路，具有一定的扇出能力。,追溯到最原始的三端半导体器件，例如三极管BJT，共有三种最基本的接线方式：共射、共基、共集。其中共集电极接法可以构成高阻输入、低阻输出的电压跟随器（或射级输出器），也可等效成图1的二端口网络，具备缓冲器的基本特征。此类电路在微电子线路应用中已经达到非常成熟和灵活的程度，但是在功率级电力电子线路中的应用尚未引起重视。事实上，各类电源中不同程度地存在对负载鲁棒性的要求，特别是研发高附加值特种电源产品时，有时不仅要求同一电源能适应多类负载（阻性、感
3、性、容性、晶闸管非线性等）及其组合单元的匹配，甚至要求在复杂负载条件下仍要满足近乎同容量阻性负载的静态指标（正弦失真度THD%、稳态精度）和动态指标（系统闭环时突加或突卸负载尽可能小的瞬时变化量和稳态恢复时间）。,如果仅限于在现有的“纯开关电路加滤波器”框架下，依靠复杂的算法和控制手段，采用高速芯片来强化电源的功能和提升静、动态指标，显然已比较困难；且复杂闭环对系统阶数的提高直接影响系统运行的稳定性和可靠性。因此，在降阶的简单控制“纯开关电路加滤波器”的电源模式基础上串入功率缓冲器，将使高性能指标的特种功能电源得以方便地实现。这说明，一方面电源技术本身的发展存在对功率缓冲器的现实需求，另一方面
4、微电子技术领域现有的缓冲器应用机理早已成熟，又可供功率领域借鉴。,2.功率缓冲器的构成与工作原理,由于微电子技术中的缓冲器是线性电压跟随器，因此其机理移植至功率级后仍能体现其线性工作特性，特别是对各类负载适应性与鲁棒性。其中要解决的问题是线性单元的效率问题。图3为用于特种电源的典型功率缓冲器电路。由于压控器件IGBT输入阻抗很高，而射极输出阻抗却很低，在一定条件下可近似等效为图1的理想二端口，因此不论负载类型和状况如何，v0将跟随vi，仅低于vi几伏。,现有的压控功率器件MOSFET、IGBT等可按射极（或源极）输出器原理构建高阻输入、低阻输出的功率级电压跟随器，因此可在电力电子电源的输出级充
5、当功率缓冲器。,在较高电压（110V以上）大电流电源系统中，可以忽略IGBT开启失真阈值电压的影响，也可加一定的补偿措施。此时要保持缓冲器的高效运行，必须使瞬时的IGBT损耗尽可能小，使瞬时管压降保持在饱和压降值左右，而又能保证IGBT工作于接近临界饱和态偏线性工作区一侧。,做到这一点的控制方式是使+e、vi均同步按比例跟踪一个参考信号源vs，且电压+e略高于vi。,显然，当参考信号源vs为直流信号时，图3的功率缓冲器将能使一个传统的DC/DC开关变换器电源在获得输出电压纹波净化的同时，得到极好的负载鲁棒性。这是因为电源+e上迭加的电压纹波将降落在功率缓冲器的IGBT管上。,当人们需要在某种负
6、载上获得不含开关纹波的特殊电压波形时，亦可通过微处理器（或其它波形发生器）合成所需要的波形信号vs，使+e和vs均同步按比例跟踪。这样，负载上就能得到不含开关纹波的期望任意波形vs，使图3的功率缓冲器与前级开关滤波电路共同组成一个抗负载扰动能力很强的任意波形功率变换器电源。在特殊情况下，当vs为正弦电压信号时，图3的电路在负载上得到半周纯正弦电压。,3理论分析与实验分析,31 电源电压波动与负载阻抗的关系,电力电子电源的输出端总可等效为图4所示的戴维南电路。其中，ZL为负载阻抗，ZO为输出端的等效输出阻抗，为等效的由信号源控制的受控电压源。输出端（负载端）的电压 与负载阻抗ZL的关系为：（1）
7、,在电源控制信号不变的情况下，和ZO近似为不变量。输出电压 随负载阻抗ZL 的变化而波动。上式对ZL 求微分，可得：（2）,上式说明，当负载变动时，电源输出电压的变化率为负载阻抗变化率的 倍。显然，当电源输出阻抗ZOZL 或ZO 0 时，不论负载如何变化（包括负载性质改变和负载突变），输出电压将均不会随之波动，电源系统具有较强的鲁棒性。,32 功率缓冲器的输出阻抗,功率器件IGBT可接成源极输出器形式，如图5。当工作频率合适时，功率管结电容可近似看作开路（即忽略结电容效应时），其输出等效阻抗为：，近似为一纯电阻。由于功率管IGBT的跨导通常都较大，比如，IMBH25120D给出的跨导参数为gm
8、100，因此，用其构成功率缓冲器的输出阻抗 ro0.01。,当负载阻抗|ZL|ro 时，由式（2）知，功率缓冲器输出电压几乎不随负载的突变而波动，具有很强的鲁棒性。,33 负载适应性和动态指标,当功率缓冲器的输出阻抗（电阻）ro0.010，即ro|ZL|时，式（2）可近似为：（3）,当负载为纯阻性时，输出电压的相对变化极小，具有很好的鲁棒性。当负载为纯感性或纯容性时，输出电压的相对变化量同样极小（因为ro|ZL|），但电压的相对变化与负载的相对变化有一些相位差。比如ZL=j L,。由于ro L，则附加相位变化也很小。因此，不论负载为什么性质的负载（阻性、感性、容性，及非线性负载），输出电压均具
9、有很好的鲁棒性。,功率缓冲器的动态性能指标取决于场控功率器件IGBT的动态指标和电压波动率。由于功率IGBT的动态恢复时间一般为s 级，因而，功率缓冲器在合理设计情况下的稳态恢复时间T r 亦可为s 级。功率缓冲器的正弦失真度THD%，取决于输入信号的正弦失真度和缓冲器的瞬态射极跟随性能。由于射极跟随器在设计合理时具有非常好的瞬态跟随特性，所以只要保证输入控制信号的正弦失真度，就可使功率缓冲器的THD%达到功率级很满意的程度。,电路形式,34 实验结果,(a)PWM滤波UPS接两台计算机(b)加功率缓冲器的UPS接 负载时的输出电压波形 两台计算机时的输出电压波形,(c)无功率缓冲器的变频器在
10、0.2Hz（d）加功率缓冲器的变频器在0.2Hz下的稳态电压电流波形 下的稳态电压电流波形,（e）滤波型变频器在0.2Hz下（f）加功率缓冲器的变频器在0.2Hz下突加负载时稳态电压电流 突加负载时的电压电流波形,突加负载时的对照波形,4.综合分析,在传统的DC/DC、DC/AC开关滤波电源之后嫁接功率缓冲器，对功率滤波器中L、C的参数选择可按纹波峰峰电压设定在IGBT的饱和管压降左右为原则推出。因此，在相同的开关频率下，嫁接功率缓冲器和不嫁接相比，可选择较小的L、C参数。换言之，在选择相同的L、C参数时，可设定较低的开关频率，以降低功率开关管的动态损耗。这样，虽然附加了功率缓冲器中IGBT管压降损耗，却可由降低开关电路的动态损耗得到补偿。因此，可以认为同容量合理设计的条件下，加与不加功率缓冲器的电力电子变换器电源的效率基本持平。,5.结论,在电力电子电源的开关滤波单元后加功率缓冲器可提高电源的综合性能，表现在：a)适应多类负载（阻性、容性、感性、可控硅、整流滤波等，或其组合），而维持输出稳态电压波形不变的能力；b)在负载参数发生变化时，维持输出电压波形不变的能力；c)在各类负载突变时，抑制输出电压波形闪变的能力；d)采用功率缓冲器时，开关电源可选择较低的开关频率。,
