直流開關(guān)電源紋波分析

1、娥帑黼邋蔑瞧褥穗m一。I_|“ij強露套董m蠹i蒸&mm臻。=11j11,x*謄。t緣:一;巷r-一疊;、1I I_iI鞠喲隼直流開關(guān)電源紋波分析陶生桂劉成永胡兵UZSA摘要對城市軌道交通通信設(shè)備的開關(guān)直流電源中 產(chǎn)生鼓波的多種原目進行了定量分析.提出了相應(yīng)的押制 措施,并且在實驗中驗證了其方法的有效性和實用性。關(guān)鍵詞城市軌道變通,開關(guān)電源,紋渡,濾波軌道交通中的一個重要的技術(shù)設(shè)備是控制機 構(gòu)及信號設(shè)備供電電源。它可以利用軌道牽引逆 變系統(tǒng)的工頻交流電經(jīng)整流或直流電網(wǎng)經(jīng)高頻變 換,然后通過開關(guān)控制,向負載提供優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定直流 電能。當其應(yīng)用在通信設(shè)備時,對紋波有一定要 求。本文試從分析紋

2、波產(chǎn)生的不同機理,提出相應(yīng) 的抑制措施,并通過仿真和試驗來驗證。l產(chǎn)生紋波的機理圖1中為常用的開關(guān)電源的簡化電路圖。從圖l中可看出,輸出紋波主要包括低頻(整流濾波 中的輸入交流電源噪聲、高頻(開關(guān)管及二極管 噪聲和尖刺及控制環(huán)節(jié)引起的噪聲,還有一些共 模噪聲。圖1電網(wǎng)供電開關(guān)電源(sMPs簡化電路圖(1低頻紋波開關(guān)電源包括AC/Dc和Dc/Dc部分。其中整陶生桂:濟大學電。t L程系.教授,上海20033l44流部分一般通過整流橋整流,再經(jīng)過濾波平滑電容 濾波而得。由于通常電源體積受限,平滑電容不可 能無限大,所以導致低頻紋波的存在。如假定整流 橋輸出負載電流,。,負載電壓K。,整流橋輸入交流

3、 電壓幅值k及其輸入交流電壓頻率,則其輸出的 紋波電壓如表1所示。表1整流紋波電壓從表l可見,若H與,。乘積一定時(輸出恒功 率,提高輸入電壓可減少紋波。而當整流級的低 頻交流輸入電壓紋披經(jīng)過直流變換電路時,引起第 二級的紋波。一般的輸入電壓和輸出電壓紋波頻率 (幾十Hz較開關(guān)頻率(幾十甚至上幾百kHz低 得多,所以通常作低頻紋波分析時,對變換器的高 頻開關(guān)過程取了平均處理。即輸入、輸出瞬時功率 是經(jīng)平均處理后隨低頻輸入電壓而緩慢波動的瞬 時值,而不是高頻開關(guān)過程的瞬時值。這樣,采用功 率匹配法或等效電流源法.來計算紋波電壓,一般 表示為:U:?毛sin2f從式(1中可以看出,紋波頻率為輸入頻

4、率的 兩倍,其幅值正比于變換器的輸出電流,反比于輸 入電壓頻率和平滑電容的大小。(2高頻紋波開關(guān)電源是依靠電子功率器件對輸入的整流 直流電壓進行高頻PwM(脈寬調(diào)制斬波后再整 流濾波實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的。通常在功率變換回路中,一盈一一, 一墅 眵曩鏨曩黔臻i、融囊驥臻臻蠛顙糍鬟囂魏麟蠢落鬃黧蒸慧囂黥鞭囊麓鬻戮瓣黧撼蘸露;壤溶豁強輸出整流電容c,有限,實際電容也有損耗,流進電 容的電流屯是脈動的,使K脈動,形成紋波電壓。 假定D為占空比、為儲能電感、c為濾波電容Z 為開關(guān)頻率,則常用的4種基本類型變換器的輸出 紋波電壓如表2所示。表2高頻紋波電壓由表2可知,通常高頻的輸出噪聲與斬波頻率 同頻,大小與開

5、關(guān)電源的頻率和輸出濾波器有關(guān)。 電源的開關(guān)頻率越高,電感和電容值越大,則輸出 紋波越小。此外,由于開關(guān)二極管的特性引起尖刺紋波。 通常的輸出濾波電路如圖2中的輸出部分(此圖中 考慮到器件和電路的分布參數(shù)。圖2中,為續(xù)流 二極管的連線電感;c,和R。為扼流線圈的分布電 容和等效電阻;,。和R。、R。為電容器的等效電感 和等效電阻。圖2輸出電路的等效圖由于二極管中電荷貯存效應(yīng)引起的反向恢復 問題,電流在,、R.、,。和屁。反向流動。它不僅帶 來尖刺紋波,還增加開關(guān)管瞬間損耗,降低效率。 此外,在采用高頻變壓器的開關(guān)電源中,變壓 器原邊的漏感也會產(chǎn)生高頻干擾。(3控制環(huán)節(jié)引起的紋波在常用的開關(guān)電源中

6、,通常采用電壓環(huán)與電流 環(huán)的雙環(huán)控制,再加上一些保護措施的控制,使其 控制線路復雜,參數(shù)匹配要求增加。參數(shù)配置不當, 經(jīng)常會產(chǎn)生振蕩。其主要原因是反饋信號與調(diào)制信 號問存在的相位差(相位偏移是由于輸出濾波構(gòu) 成了一個移相環(huán)節(jié),調(diào)制方向不能與輸出控制量 的變化方向相吻合。主要后果是引起功率開關(guān)管失控,使輸出波形失真,增加損耗。這種紋波一般幅值 不是很大,也沒有固定頻率。(4共模噪聲在開關(guān)電源中,功率器件開關(guān)管和輸出整流管 都會發(fā)熱,一般都會加裝散熱器底板,但這樣就形 成一個寄生電容。在變壓器原邊與副邊之間也存在 寄生電容。兩者構(gòu)成一個共模通道。這樣,當將方波 施加在功率器件時,都會在開關(guān)電源輸出

7、端產(chǎn)生共 模噪聲。它的大小與輸入電壓幅值和寄生電容及導 線寄生電感大小有關(guān)。2抑制紋波的措施(1低頻紋波的抑制從表1中可以看出,低頻的抑制方法主要可以 從以下兩方面考慮:加平滑電容的容量值。這樣一般會增加整 個產(chǎn)品的總成本和體積。簡單辦法是利用晶體管的 放大特性,即構(gòu)成有源濾波器。它是通過合適連接, 將電容接在晶體管基極上,經(jīng)過放大,可以等效成 一個較大的電容。增加低頻濾波器。將它加在高頻開關(guān)整流 電壓和輸出之間,可濾去高頻開關(guān)脈寬調(diào)制引起的 差模濾波和整流器的低頻濾波。般有兩種濾波結(jié) 構(gòu),如圖3。圖3中(1為L形濾波,(2為w形濾波,建議 采用第二種結(jié)構(gòu)。兩級的濾波結(jié)構(gòu)不僅可達到要 求,還可

8、適當降低對兩個電解電容c.、c。的需求, 這在小功率開關(guān)電源體積受限時尤為有用。(2高頻紋波的抑制開關(guān)管的尖峰電壓。在常用的開關(guān)管上開 關(guān)頻率達到幾百kHz,其產(chǎn)生的電壓尖峰可通過在 開關(guān)管的集一射極間并接電阻、電容(Rc或電阻、 電容、二極管(RCD吸收阿絡(luò)。電容值越大,吸收 效果越好。電阻的選擇與功率有關(guān)。整流二極管尖刺紋波。從二極管通用等效 電路可以看到,為解決二極管的反向恢復問題,最 基本的方法是采用恢復時間小的快恢管或肖特基 管。但有時還不能滿足需求。根據(jù)二極管反向恢 復機能,為有效地抑制尖刺紋波。在電路中還可以 采取如下的不同措施:(i在開關(guān)二極管兩端關(guān)聯(lián)Rc阻尼網(wǎng)絡(luò)。這 是常用抑

9、制振蕩方法,可強制限制開關(guān)二極管反向 45s+娥穗瓠遣惑斑褥瞧一一一-一-謄糍氍曩曩糍蕊辮糍臻鬻一氍i*i一搿融凈二、曩_I:I_!J'_:j|_I_2B,毒恢復電流的變化速率(di/m及反向恢復時間。因 在二極管兩端。為要求Rc網(wǎng)絡(luò)等效電感要小,Rc網(wǎng)絡(luò)可直接并圖3低頻濾波器的電路圖(ii串聯(lián)非線性電感。見圖4。其中L.采用非 線性飽和電感,正常狀態(tài)時,它飽和不起作用;關(guān)斷 時,L.。限制“的下降速度,電感。產(chǎn)生反電動勢, 使二極管維持正偏并逐步向零偏壓過渡,接著轉(zhuǎn)向 反向截止狀態(tài)。這里有兩個問題選擇時要考慮,一 是電感不能太人,否則影響二極管的導通時間,且 還會影響效率;二是電感磁

10、芯的選擇,要選易飽和 的、導磁率“值較大的鐵氧體或非晶合金。圖4二極管串聯(lián)的非線性電感增大負載網(wǎng)絡(luò)電阻值。此方法目的是減少 的峰值。這一點上,有些自激式串聯(lián)型開關(guān)電容 在復合晶體管的基極驅(qū)動電阻上并電容,能減少輸 出紋波。防高頻變壓器的高頻紋波。在高頻變壓器 中,尖峰是由漏感引起,所以制作時采用緊密繞制 來減少漏感。通常,有時在繞電感時,為減少電流 的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),采用銅帶繞制。但這樣漏 感大,若繞的不緊,還容易發(fā)熱,影響輸出特性。一 個解決辦法是:選擇有效面積4。大的磁芯。可適當 減少繞的匝數(shù);還町用窄銅帶上下繞制,有利于減 少漏感?；蛘咴谧儔浩鞯脑呍黾右粋€尖峰電壓 46的吸收網(wǎng)絡(luò),

11、一般采用RcD吸收回路(見圖5。 布線的要求。在開關(guān)電源印制PcB(印刷 電路板板中,不僅要考慮隔離和絕緣問題,還要 考慮高頻耦臺問題,高頻線不要過多平行走線,引 線盡可能的短,強弱電要分開走線。使用地線時, 可將屏蔽層和電源外包裝都接地。圖5高頻變雎器用于抑制高頻的RcD網(wǎng)絡(luò)(3抑制控制環(huán)節(jié)引起的紋波控制環(huán)節(jié)引起紋波的抑制主要在實驗中調(diào)試。 在開始設(shè)計時,盡量減少滯后環(huán)節(jié)與滯后參數(shù).即 減少反饋的延遲時間;合理選取反饋速度與反饋的 位置,調(diào)整放大倍數(shù)及反饋參數(shù)并選擇適當?shù)腖c 濾波器。3試驗波形及其分析本試驗中,所用的PwM控制芯片為u(:3842或3843,MOs管的脈沖周期為lo us,

12、輸入電雎為 工頻交流電220V,輸出電壓為19V。利用L述紋 波抑制方法使得紋波電壓幅值僅為O.028V,紋波 系數(shù)為o.147%,完全達到開關(guān)電源的要求,證明 了上述方法的正確有效性及可實用性。圖6為輸 出電壓紋波的實驗波形;圖7為開關(guān)管uds實驗波 里纂凈潮。;_,形。4結(jié)語謄I;i%曩孤一m11I111?！癷曩+自*鞋_jIil,;一一一m§_*一曩.:_一-一舞曩i_蠢撩瀑鐮!狳l(1率丈劉影響開關(guān)電源輸出紋波的各種因 素進行丁,系統(tǒng)分析,認為開關(guān)電源的輸出紋波由低 頻交流噪聲、高頻開關(guān)噪聲、控制環(huán)節(jié)噪聲和共模圖6輸出電壓紋波實驗波形噪聲組成,在此基礎(chǔ)上對各個環(huán)節(jié)噪聲提出J相

13、應(yīng)的抑制措施,使開關(guān)電源輸出紋波降為28一,這樣便可進步擴大開關(guān)電源的應(yīng)用范創(chuàng)。(2軟開關(guān)技術(shù)作為抑制紋波和減少功耗的 一種有效方法,越來越受到人們的重視,若在本實 驗中引人軟開關(guān)技術(shù)將會使紋波進一步降低。參考文獻l2陸治國電源的仿真技術(shù)北京:科學出版社,2001圖7開關(guān)管ud5實驗波形Analysis of the砌ppleinUrb粕Ma鷂Tr粕sitDCS講tchjngP0werTno Sknggut【池Ck“g,o“g Hu B汛g(Tbngii univ,Electdcal En舀nee五“g D6pt.,shan出面200331Abstract Therearemultiplein

14、trinsiccausesoftheppk e“gende“g in t|e DC switching power.Thmughsimulation andexp商mentthe authors make8quan廿t“ve analysis of the dpple,reason its m“gc,andsuggestcorre3pondi“g restraini“g measure,which,the authors holdtobe emeiem and pracical if put inuse.Keywordsurban mass transit,gwitchi“g power,ri

15、pple,6lter(收稿日期:2002一101547 直流開關(guān)電源紋波分析作者:陶生桂 , 劉成永 , 胡兵 作者單位:同濟大學電氣工程系,教授,上海,200331刊名:城市軌道交通研究 英文刊名:URBAN MASS TRANSIT年,卷(期:2003,6(4被引用次數(shù):7次參考文獻(2條1. 張古松 開關(guān)電源原理與設(shè)計 20022. 陸治國 電源的仿真技術(shù) 2001本文讀者也讀過(10條1. 張國安 . 祁承超 . 張顯才 . ZHANG Guo-an. QI Cheng-chao. ZHANG Xian-cai 瞬時并聯(lián)補償消除開關(guān)電源高頻紋波的 研究 期刊論文-電力電子技術(shù) 2008

16、,42(62. 李宏 淺談開關(guān)型直流電源的紋波抑制問題 會議論文-20003. 李凱 . 于進杰 . Li Kai. Yu Jinjie 紋波的產(chǎn)生機理與抑制方法的探討 期刊論文-電子技術(shù) 2010,47(84. 董玉林 . 王曉明 . 劉瑤 . 周青山 . DONG Yu-lin. WANG Xiao-ming. LIU Yao. ZHOU Qing-shan 開關(guān)電源紋波和噪聲的 抑制 期刊論文-遼寧工業(yè)大學學報 2008,28(55. 李宏 . Li Hong 一種超低紋波組合開關(guān)電源的研制 期刊論文-電工技術(shù)雜志 2000,19(126. 譙劼 . QIAO Jie 電源紋波抑制器的原

17、理與設(shè)計 期刊論文-磁性材料及器件 2009,40(57. 李宏 淺談開關(guān)直流電源的紋波抑制問題 期刊論文-電力電子技術(shù) 2000,34(68. 于進杰 . 馮根生 . 李威 紋波的抑制方法探討及措施 期刊論文-廣西輕工業(yè) 2008,24(99. 閆曉金 . 陳永真 開關(guān)電源紋波和噪聲的測試與抑制 會議論文-200710. 同金 . 馬煜峰 . Tong Jin. Ma Yufeng 直流電源輸出的紋波和噪聲的測量 期刊論文-電子測試 2010(2引證文獻(7條1. 龍志斌 . 陳欽碧 . 龔琰 直流穩(wěn)壓電源紋波檢定研究 期刊論文-計量技術(shù) 2011(52. 任黎明 . 于紅 . 劉瑞娟 農(nóng)業(yè)自動化設(shè)備中