电力电子电路缓冲器研究与仿真

1. 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 电力电子技术的重要性

• 电力电子技术在工业控制中发挥着关键作用。
• 交流电机在工业控制系统中广泛应用，其高速旋转会产生电磁感应，导致电流波形扭曲和电源系统电压波动等问题。
• 因此，需要使用缓冲装置来抑制电磁能量，保证电机稳定工作。

1.1.2 缓冲装置的研究现状

• 目前缓冲装置分为电磁继电器和电磁保护机制两大类。
• 电磁弹簧和电缓冲装置是两种常见的缓冲装置，但都存在不足。
• 电子化缓冲器虽具有优势，但成本高、使用条件苛刻，限制了其广泛应用。

1.2 研究目的和意义

• 研制低成本、高可靠性的缓冲装置，以满足高速电动机的需求。
• 提出一种采用电磁弹簧技术的电动减震器，具有刚度大、阻尼系数可调等优点。

2. 无损缓冲器主电路设计

2.1 主电路BUCK电路概述

• BUCK电路是电力电子装置中常见的一种电路，用于实现电压的降低。
• 在BUCK电路中，缓冲电路的设计至关重要，以降低切换损耗和开关管的电压应力。

2.2 无源无损缓冲架构

2.2.1 最小电压应力（MVS）特性

• 该架构具有MVS特性，能够实现软切换，但谐振电感与谐振电容的比率限制了其应用范围。

2.2.2 感应耦合方式的被动式无损缓冲区

• 采用感应耦合方式的被动式无损缓冲区可在更大范围内工作，但存在谐振环振荡和器件与零电压开关失配的问题。

2.2.3 耦合电感式的 MVS缓冲器

• 结合上述两种缓冲器的构造，提出一种具有耦合电感式的 MVS缓冲器，以实现更广泛的软切换范围。

2.3 主电路BUCK电路中缓冲电路的设计

2.3.1 缓冲电路参数设计

• 缓冲电路参数设计遵循两条基本原理：保证能量释放和最小化切换损失。
• 详细分析了缓冲电路中能量的谐振过程，以及如何实现软切换操作。

3. 无损缓冲器控制电路设计

3.1 单周期控制技术

• 提出一种基于单周期的非线性电力系统控制策略，实现有功功率和无功功率解耦控制。
• 仿真结果表明，该算法能自适应补偿系统模型不确定和外界干扰，保证控制系统的稳定性和快速性。

3.2 控制技术的基本原理

3.2.1 单周期控制原理

• 单周期控制技术通过调整切换过程中的占空比，消除误差。
• 该方法不需要对系统进行精确建模，也不需要知道外部干扰的具体信息，具有很强的适应性和鲁棒性。

3.2.2 单周期控制原理扩展

• 将单周期控制原理推广为一般的控制原理，适用于各种类型的切换系统。
• 分析了单周期控制原理在Buck变换器中的应用，实现对输出电压的精确控制。

4. 缓冲器的仿真

4.1 仿真软件介绍

• PSPICE是电子设计领域的重要工具，能对各种电子元器件进行建模和仿真。
• 该软件涵盖了原理图编辑、电路模拟、激励源编辑、元件库编辑以及波形图编辑等多个环节。

4.2 仿真结果分析

4.2.1 电路仿真及实验波形

• 对带无源无损缓冲电路的Buck变换器进行了验证，得到了预期的仿真波形。
• 仿真结果证明了该缓冲器电路的可行性，能够实现开关管在开启时零流、关闭时接近零压的状态。

4.2.2 缓冲电路的不足

• 该缓冲器电路使用了大量的功率电子设备，增加了电路的费用。
• 在能量谐振过程中，存在一些问题，如电流或电压的变化问题，增加了电路的能量转化难度。
• 该缓冲器电路的设计有一定的限制，主要适用于高功率巴克转换器。

5. 结论

• 提出了一种全新的零流开关式缓冲器，实现了开关管在开启时零流、关闭时接近零压的状态。
• 该缓冲器能够有效抑制切换过程中的电流、电压和热应力，提高了系统的效率。
• 仿真结果证明了该缓冲器在提高工作负载上限和工作负载范围方面的优势。
• 该缓冲器结构简单，易于实现，特别适合于需要大电流输入的系统中。