毕业设计（论文）-燃料电池电源系统滤波器设计.doc

武汉理工大学本科生毕业设计（论文武汉理工大学本科生毕业设计（论文) )任务书任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 自动化 0702 班 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 自动化学院 设计设计( (论文论文) )题目题目: : 燃料电池电源系统滤波器设计 设计（论文）主要内容：设计（论文）主要内容： 了解燃料电池输出特性，以 boost 和 buck 电路为原型，分别建立滤波器数学模型。 以 buck 为例：输入 6080V，输出 48V，功率 5kw，电压纹波1%，电流纹波10%；以 boost 为例：输入 3045V，输出 48V，功率 5kw，电压纹波1%，电流纹波10%。在设计 好的基础上，进行仿真分析。 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : 1学习燃料电池电源系统输出特性； 2分析滤波器用磁芯材料的特性及区别； 3研究磁滞曲线、工作磁密、磁导率、能量损耗和工作频率等参数之间的联系； 4讨论漏感、分布电容及温度等对滤波器的影响； 5以 boost 和 buck 电路为原型，分别建立滤波器数学模型； 6在 Matlab 中进行仿真分析； 7撰写毕业设计论文，字数不低于 15000； 8完成外文文献翻译，字数约为 10000 左右。 必读参考资料：必读参考资料： 1 林飞、杜欣著电力电子应用技术的 MATLAB 仿真北京：中国电力出版社，2009 2 Abraham I.Pressman 著，王志强等译开关电源设计.北京：电子工业出版社， 2010 3 王兆安、黄俊著电力电子技术北京：机械工业出版社，2000 4 陈坚著电力电子学电力电子变换和控制技术北京：高等教育出版社2004 指导教师签名：指导教师签名： 系主任签名：系主任签名： 院长签名（章）： 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 近些年来，燃料电池电源系统运用的越来越广泛，因为与常规发电相比，燃料电 池具有以下优点：（1）理论发展效率高，发展潜力大。 （2）小型高效，提高供电可 靠性。 （3）污染物和温室气体排放量较少。 （4）低噪声。 （5）电池排气中的热量可用 多种方法回收。 （6）电力质量高。 （7）变负荷率高。 （8）可用多种燃料。 （9）模块化 设计。 （10）占地面积小。 （11）自动化程度高。由于燃料电池具有以上优点，因此现 在我们开始研究利用燃料电池进行发电。 从燃料电池的静态输出特性中可以看出，随着电流密度的增加，燃料电池输出电压有 明显的下降。为了获得所需要的恒定纯净的电压与电流，可采用 DC/DC 的 buck 和 boost 电路。其中滤波器的设计是很关键的，因为滤波器的主要目的在于抑制高频开 关产生的电压和电流纹波。 在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣 直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 1917 年美国和德国科学家分别发明了 LC 滤波器，次年导致了美国第一个多路复 用系统的出现。20 世纪 50 年代无源滤波器日趋成熟。自 60 年代起由于计算机技术、 集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、 小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可 靠成为 70 年代以后的主攻方向。导致 RC 有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器 和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到 70 年代后期，上述几种滤波器的单片集 成已被研制出来并得到应用。80 年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能 并逐渐扩大应用范围。90 年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发 和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。 我国广泛使用滤波器是 50 年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。 经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐， 但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器 的研制应用与国际发展有一段距离。20 世纪 80 年代技术改造一个重大课题是实现各 种电子系统全面大规模集成（LSI）。使用最多的滤波器成为“拦路虎”，RC 有源滤波 器不能实现 LSI，无源滤波器和机械滤波器更不用说了，于是，人们只能另辟新径。 50 年代曾有人提出 SCF 的概念，由于当时集成工艺不过关，并没有引起人们的重视。 1972 年，美国一个叫 Fried 的科学家发表了用开关和电容模拟电阻 R，说 SCF 的性 能只取决于电容之比，与电容绝对值无关，这样才引起人们的重视。 2、基本内容和技术方案 基本内容： 了解燃料电池电源系统的特性，为了获得稳定的电压，需要设计 DC/DC 滤波电路， 同时还考虑了 DC/DC 高频电源干扰源的产生及抑制措施，滤波电路是以 buck 和 boost 电路为基本电路的，设计中需要计算参数值以满足设计要求，并在 MATLAB 中建立数 学模型进行仿真分析，以检查设计电路的滤波效果。 技术方案： （1）了解燃料电池电源系统的构成和特性； （2）分析了 buck 电路和 boost 电路干扰来源； （3）计算 buck 电路电感和电容值并进行仿真，看是否符合要求； （4）计算 boost 电路电感和电容值并进行了仿真，看是否符合要求； （5）在计算了电路参数和对电路进行了仿真的基础上，再考虑实际运用中，电感 和电容值的选取问题，比如漏感对电感的影响，电感磁芯的选择，分布电容对电容的 选择，电压等对电容的影响等。 3、进度安排 第 12 周： 毕业实习，撰写毕业实习报告； 第 34 周： 翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告； 第 5 周： 确定最终方案，并进行可行性分析； 第 69 周： 滤波器各元件参数的计算及计算； 第 1011 周： 综合调试，根据结果完善系统； 第 1214 周： 完成论文撰写； 第 15 周： 论文答辩； 第 16 周： 论文装订 4 4、指导教师意见、指导教师意见 李慧洁同学调研充分，研究内容充实，技术方案明确可行，现已经具备开始毕业 设计的条件。该生能达到预期的目标，同意进入设计阶段。 指导教师签名： 年 月 日 目录 摘要摘要 .I I ABSTRACTABSTRACT .IIII 1 1 绪论绪论 .1 1 1.1 研究背景及意义.1 1.2 国内外研究现状.3 1.3 主要研究内容.4 2 2 DC/DCDC/DC 高频电源干扰源的研究高频电源干扰源的研究 .6 6 2.1 BUCK电路的电磁干扰及抑制措施.6 2.1.1 Buck 电路的电磁干扰 .6 2.1.2 Buck 电路的电磁干扰抑制措施 .7 2.2 BOOST电路的电磁干扰及抑制措施 .9 2.2.1 Boost 电路的电磁干扰 .9 2.2.2 Boost 电路的电磁干扰抑制措施 .9 2.3 纹波的产生及抑制措施.10 3 3 DC/DCDC/DC 滤波电路的设计滤波电路的设计 .1111 3.1 BUCK滤波电路的设计.11 3.1.1 Buck 滤波电路工作原理 .11 3.1.2 Buck 电路参数计算 .13 3.1.3 Buck 电路仿真模型的建立 .13 3.1.4 Buck 电路仿真波形及分析 .15 3.2 BOOST滤波电路的设计 .15 3.2.1 Boost 滤波电路的工作原理 .15 3.2.2 Boost 电路参数计算 .17 3.2.3 Boost 电路仿真模型的建立 .18 3.2.4 Boost 电路仿真波形及分析 .19 4 4 滤波电感和滤波电容的设计滤波电感和滤波电容的设计 .2121 4.1 滤波电感的设计.21 4.1.1 实际电感的特性 .21 4.1.2 磁性材料的磁特性 .22 4.1.3 克服电感寄生电容的方法 .23 4.2 电感磁芯的选择.24 4.2.1 磁芯材料的比较 .24 4.2.2 铁氧体特性 .25 4.2.3 电感磁芯的形状 .27 4.3 滤波电容的设计.27 4.3.1 电容的实际特性 .27 4.3.2 对电容的影响因素 .29 结束语结束语 .3333 参考文献参考文献 .3434 附附 录录 .3535 致致 谢谢 .3737 武汉理工大学毕业设计(论文) I 摘要 随着燃料电池电源系统越来越多的运用在生产和生活中，人们对其关注程度也越来 越大了。但是由于燃料电池输出特性很软，以及高频开关电源带来的严重电磁干扰，很 多情况下都需要通过滤波环节来获得所需要的稳定电压和消除干扰。本文针对燃料电池 电源系统来设计滤波器。 本文以 buck 和 boost 变换器为基本电路来通过参数设置获得希望的滤波效果。在阐 述燃料电池输出特性和了解了燃料电池电源系统构成的基础上，提出了利用 buck 和 boost 电路来滤波的思路。首先，论文研究了 buck 和 boost 电路开关电源存在的干扰和 采取的抑制措施；然后，在对 buck 和 boost 电路原理有了深刻理解的基础上，按照对输 出电压和电流纹波的要求计算 buck 和 boost 电路中电感和电容的参数并分别建立仿真模 型进行仿真，获得仿真波形后再看波形是否满足纹波要求，从而看出滤波的效果；最后， 为了满足上述 buck 和 boost 电路的参数要求，电感和电容的选择是一个关键，电感从磁 芯，形状等进行选择，并研究了寄生电容对电感的影响，电容选择时，考虑了温度、电 压等对电容的影响，从而获得一个完整的滤波器设计的要求。 综上所述，本文进行了 buck 和 boost 两种电路的滤波设计，并通过仿真得出了满意 的效果，论文工作的完成会对燃料电池电源系统更广泛的运用具有重要的意义。 关键词：燃料电池电源系统；buck 滤波；boost 滤波；MATLAB 武汉理工大学毕业设计(论文) II Abstract With the fuel cell power systems more and more used in the production and life, people pay more great attention on the development of it. However, due to the fuel cell output characteristic is very soft, and high-frequency switching power is with serious electromagnetic interference. In many cases, we need to get through the filtering part of the required stability voltage and eliminate the interference. This paper design filter based on the fuel cell power system. In this paper, we consider buck and boost converter circuit as the basic circuit, and get the desired filtering effect by setting parameters. By explaining the output characteristics of fuel cells and understanding the composition of the fuel cell power system, the idea is proposed based on the use of buck and boost circuits. Firstly, the paper study of the interference and suppression measures in buck and boost switching power supply circuits; and then, based on the deep understanding of principles in the buck and boost circuits , we calculate inductance and capacitance parameters in buck and boost circuits by ripple requirements of output voltage and current, and build simulation models to simulate, observe simulation waveforms and then see if the ripple waveform meets the requirements, see the filtering effect; Finally, in order to meet the above parameters of buck and boost circuits required, the inductor and capacitor selection is a key, we choose inductance from the core and shape, and study the impact of parasitic capacitance of the inductance, in capacitance selection, we take temperature and voltage of the capacitor into account, resulting in a complete filter Design. In summary, this paper design the buck and boost filter circuit, and obtain satisfactory results by simulation, the paper will have great significance to fuel cell power systems widely used. KEYWORDS: EMI filter; DC to DC converter; switch power; MAT 武汉理工大学毕业设计(论文) 1 1 绪论 当前燃料电池电源系统的应用越来越广泛，因而人们对其关注程度也越来越大。但 是燃料电池输出特性较软，因此设计滤波器来获得所需稳定的电压和电流就显得非常必 要，这将对燃料电池电源系统进一步在生产和生活中的应用有着广泛而深远的意义。 1.1 研究背景及意义 近些年来，燃料电池电源系统运用的越来越广泛，与其它发电方式相比，燃料电池 发电具有以下优点：效率高，燃料电池的能量转换效率比热机能量转换效率高很多；污 染小，噪音低，燃料电池作为发电装置使用时，其突出优点是污染排放低，对于氢燃料 电池，其发电生成物只有水，可实现零污染，此外，燃料电池发电无传统热机引擎等机 械传动部分，故运行环境无噪声污染；模块化、可靠性高，燃料电池发电装置可以根据 用户需要灵活配置输出电压和功率容量，具有很好的积木化特性，采用模块化结构可方 便组装和维修，与燃料涡轮机循环系统构或内燃机相比，燃料电池系统其传动部件很少， 因而系统更加安全可靠；功率密度高、可移动性好，燃料电池发电功率密度较高发电装 置可根据需要灵活配置，体积小，环境适应性强，适合城市集中用电地区域，并易于实 现便携、移动；适应能力强，燃料电池可以使用多种多样的燃料，如天然气、煤气、甲 醇、乙醇、汽油以及其它传动发电不易使用的低质燃料，适用能力强。 1 下图 1-1 显示的是燃料电池在标准条件下给以固定的燃料流量时，典型的燃料电池 电流密度和输出电压的关系。这是在稳定的输出电流电压的情况下的静态特性。从图上 可以看到，随着电流密度的增加，燃料电池输出电压有明显的下降，燃料电池电压特性 可明显地分为三个不同特性的区域：活化区、欧姆极化区和密集极化区。其中，活化区 是燃料电池在产生电流前使反应物激活所付出的电压损失其电压损失随着电流密度的增 加而指数增大，但其主要是在电流较小的阶段表现突出，当电流较大时活化电压损失相 对地不再明显；欧姆极化区是电流经燃料电池电解质和电解材料时的内阻电压损失，符 合欧姆定律，随着电流密度的增加电池端电压呈现近似线性下降的规律；密集极化区是 当电流密度的增加达到一定程度时，反应物进出电极表面参与反应的流量受限因而造成 电压快速下降。通常燃料电池正常工作时处于欧姆极化区内，电压随负载变化较大。 2 燃料电池的动态输出特性主要表现在输出响应慢，前述燃料电池的静态特性是在固 定的燃料压力与流量条件下的电压电流特性。实际应用中，负载的持续变化将对前述条 件产生影响，控制系统需根据运行状况做响应的调节。当负载条件变化时，如负载电 3 流突然加大，燃料电池系统需对燃料流量、压力作调节，而这一调节过程往往具有较大 的时间常数，才能适应负载要求。如果仅有燃料电池来供电，负载突变还易引起燃料电 池寿命下降。因此电源系统需配备能量缓冲环节，如蓄电池等。 武汉理工大学毕业设计(论文) 2 图 1-1 燃料电池的静态输出特性 为了获得所需要的恒定纯净的电压与电流，可采用 DC/DC 的 buck 和 boost 电路。其 中滤波器的设计是很关键的，因为滤波器的主要目的在于抑制高频开关产生的电压和电 流纹波。在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优 劣直接决定产品的优劣。因此设计燃料电池电源系统的滤波系统，将充分发挥燃料电池 的优点，满足生产的需要。 而燃料电池电源系统的组成如下图 1-2 所示，一种是升压 boost 电路，一种是降压 buck 电路。 图 1-2 燃料电池电源系统的构成 武汉理工大学毕业设计(论文) 3 图中，FC 是燃料电池，由于燃料电池静态输出特性中，电流随着电压的增大而减小， 因此为了获得所需要的电压值，则需要 boost 和 buck 电路来进行升压或者降压，boost 和 buck 电路的工作原理在之后的章节中将会叙述，BPS 是指燃料电池辅助系统。 4 1.2 国内外研究现状 这里主要讲到的是有源滤波器，有源滤波器有其发展历程及主要应用。1971 年日本 的 Machida 首先提出了有源滤波器的原始模型。1976 年，美国的 St rycula 提出了用 PWM 逆变器结构构成有源滤波器，确立了当今滤波器的基本结构。1982 年，第 1 台采用 GTO 作为开关元件的电流源 PWM 逆变器构成的有源滤波器(800 kV A) 在日本研制成功 并投入使用。1983 年,日本的 Akagi 等人提出了瞬时无功功率理论，表明实现有源滤波 器补偿功能的条件已经具备，使有源电力补偿技术实用化研究得到了极大的发展。1986 年,日本的 Komasugi 和 Imura 研制出一套用于三相整流器补偿的电流补偿器，可补偿 19 次以下的高次谐波。1991 年，南非的 Enslin 和 Wyk 研制出综合补偿系统。经过 20 5 多年的研究和探索，APF 技术得到了长足的发展,越来越多的 APF 投入了运行，不论从实 现功能还是运行功率上都有明显的改善。其中在日本，已投入使用的 APF 从 50 kV A 到 60 MV A 功率范围越来越宽，从谐波补偿到抑制闪变和电压调节应用功能越来越丰 富。目前有源滤波器已用在提高电能质量,解决三相电力系统中终端电压调节、电压波动 抑制、电压平衡改善以及谐波消除和无功补偿等问题上。 6 在中国，直到20 世纪80 年代末期才开始有相关方面文章的出现，起初论文中所采 用的谐波检测方法陈旧，补偿效果不理想。进入20 世纪90 年代，国内的多所高校和研 究机构也加入到了有源滤波器的研究中来，这方面的工作主要以理论研究和实验为主。 目前以西安交通大学和浙江大学为代表，他们已经形成了比较系统的研究体系和理论基 础；另外，国内的一些研究所也在开展研究工作。在实际应用方面,国内已经有人试制 7 出了有源滤波器的样机,并且在小功率的场合使用。哈尔滨工业大学电气工程系研制开发 出一种单相有源滤波器产品，目的是改善单相用户接入点的电网品质,进而改善配电网的 品质。浙江省新技术推广站已经把30 kV A有源滤波器产品化，并开始投向市场。但总 的说来，向是加快有源滤波器的产品化，提高它在实际生产中的应用水平。 有源滤波器有其优缺点。有源滤波器的优点如下：实现了动态补偿，可对频率和大 小变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；可同时 对谐波和无功功率进行补偿,且补偿无功功率的大小可做到连续调节；补偿无功功率时不 需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大；即使补偿对象电流过大,有源滤波器 也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；受电网阻抗影响不大,故补偿性能不受电网频 率变化的影响；既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功功率集中补 偿。缺点:数字化测量系统参数稳定性好，但计算量较大，相应加大了检测过程的延迟时 间；就目前来说,APF 还难以实现大功率的滤波，并且成本较高。 8 武汉理工大学毕业设计(论文) 4 目前投入使用的有源滤波器种类繁多，其分类方法也多种多样。根据应用场合的不 同可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器2 大类。前者主要用来消除高压直流系统中 换流器直流侧的电压；后者则应用于交流电力系统。根据逆变电路的储能元件不同，有 源滤波器可分为电流型和电压型2 种。电压型滤波装置效率高,初期投资小,可任意并联 扩容,易于单机小型化，适用于电网级谐波补偿。目前使用装置90 %以上为电压型，技术 相对成熟、完善。电流型滤波装置作为非正弦电流源来满足非线性负载的谐波电流要求， 其结构简单，性能可靠，但损耗较大，不适用于大容量系统。 有源滤波器的发展趋势是器件容量的增大和开关频率的提高。为实现电流的快速控 制和提高补偿效果，开关频率是关键，此外,应用多重化技术也能提高器件的等效开关频 率。从经济的角度考虑，应使用高容量、大功率的器件，但这与使用高频率产生矛盾。 因为大容量受到频率的限制，如何从两者中找到一个折中，获得最佳效果，是值得研究 的问题；降低装置的价格并使其多功能化，APF 能消除高次谐波还能提高电力系统稳定 性,抑制闪变和补偿无功,一机多用最为经济，也符合电力系统发展的需要，然而有源滤 波器造价较高，与LC 滤波器是不可比拟的，如何提高装置的性价比是电力电子器件制造 技术面临的问题；降低损耗提高系统可靠性。这方面主要工作包括:采用合理的开关频率， 选择适当的吸收回路以提高装置的使用效率，采用过流、过压保护技术及故障诊断技术， 使系统可靠工作；APF 技术至今未在各国普遍使用的一个重要原因是补偿电流的精度检 测等问题始终没有很好解决。中国在研制APF 时应着力采用新理论和新方法，结合中国 国情采用小额定值的APF 配以无源滤波器的混合型电力滤波的方式是可行的。随着电力 有源技术的发展,APF 将逐步向大功率高频率发展。 1.3 主要研究内容 本文研究了燃料电池电源系统的特性，为获得稳定的电压，建立了以 Buck 和 Boost 电路为基本电路的滤波电路，并建立数学模型进行仿真分析，具体研究包括以下几个方 面： 第二章的内容是分析 Buck 和 Boost 电路的电磁干扰以及采取的抑制措施。Buck 电路 中，经分析可知主要的干扰源是开关管和功率二极管，由于开关频率较高，传输的能量 又大，故在开关过程中会产生很高的毛刺。采取的抑制措施主要从滤波、接地、吸收几 个方面进行分析和设计。Boost 电路中，同样来自于开关管和功率二极管的干扰，为了抑 制干扰，设计了二极管反向恢复电路和带补偿电路的非隔离式 Boost 电路，很好的解决 了上述问题。同时提出了纹波的产生和抑制。 第三章的内容是 Buck 和 Boost 电路的设计。在首先介绍了 Buck 和 Boost 电路工作 原理的基础上，进而计算了 Buck 和 Boost 电路中电感和电容等参数值，之后建立了两个 电路的仿真模型，并在 MATLAB 软件中进行了仿真，对得出的波形进行了分析，波形能够 满足要求的电流和电压对纹波方面的要求。 武汉理工大学毕业设计(论文) 5 第四章的内容是对电感和电容进行选择。在进行电感选择时，研究了实际电感的特 性和磁性材料的此特性，并讨论了克服电感寄生电容的方法。最终选择了铁氧体铁芯， 并研究了电感磁芯的形状。在进行电容选择时，研究了电容的实际特性和影响电容的各 种因素，包括电容引线、温度和电压的影响。 武汉理工大学毕业设计(论文) 6 2 DC/DC 高频电源干扰源的研究 开关电源通过改变开关器件的导通比来有效地控制输出电压和电流的大小。通常它 在几十 kHz 以上的开关频率下工作，当开关导通时，它将流过浪涌电流 Cdv/dt；当开关 断开时，其两端将会产生浪涌电压 Ldi/dt，形成较强的电磁骚扰源。随着半导体开关器 件的不断发展，开关频率将提高到 MHz 数量级，使电磁骚扰更加严重。因此，必须采用 相应的措施，加强开关电源的电磁兼容性（EMC）。 9 电磁兼容性是指在不损失有用信号所包含信息的条件下，信息和干扰共存的能力。 电力电子装置在其使用环境下，承受来自外部电磁干扰的同时也向周围环境释放干扰。 在设计制造电力电子装置时，应考虑到电力电子装置在工作时所产生的电磁骚扰不对在 同一环境中工作的其它电子设备的运行产生不良影响，同时来自外部环境的电磁干扰又 不会影响电力电子装置的工作。 2.1 Buck 电路的电磁干扰及抑制措施 2.1.1 Buck 电路的电磁干扰 图 2-1 是该系统的电磁兼容性示意图，结合此图分析系统所处的电磁环境及其相互 作用的情况。显然，电磁干扰既可发生在系统内部，又有可能发生在系统之间。 图 2-1 系统的电磁兼容性示意图 从图 2-1 中可以看出，任何一种 EMI 均由三部分组成：骚扰源、耦合路径和受扰体。 骚扰源产生的干扰经耦合途径进入受扰体，若干扰水平超出受扰体的敏感程度就会影响 其正常工作而构成干扰。与数字电路相比，由于开关电源功率开关管的高速开关动作， 它产生的干扰强度较大；骚扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的高频变压器上； 开关频率不高，主要干扰形式是传导干扰和近场干扰。一般解决 EMD 针对 3 方面：抑制 骚扰源、切断干扰途径和提高受扰体的抗干扰能力。 10 武汉理工大学毕业设计(论文) 7 由此可知 Buck 的主要骚扰源是开关管和功率二极管。由于开关频率较高，传输的能 量又大，故在开关过程中会产生很高的毛刺。 由于设计的开关电源的几何尺寸远小于 30MHz 电磁场对应的波长，因此，电磁干扰 主要考虑的是传导干扰。MOSFET 在开关过程中产生的电压尖峰和振荡主要通过导线寄生 电感和寄生电容干扰受扰体，开关过程越快，尖峰越高，振荡越明显，干扰越强。 2.1.2 Buck 电路的电磁干扰抑制措施 主要从滤波、接地、吸收几个方面进行分析和设计。 首先从滤波方面对抑制干扰进行研究。 由于电池存在一定的内阻抗，再加上入端引线上的寄生电感和内阻，将在输入端引 起一系列的高频纹波。为了使输入端成为满足要求的恒压源，需在电路进线端加上 EMI 滤波器，既抑制了外界对电路的干扰，也阻止了电路对电池的干扰。通常，在入端并联 电解电容和滤高频纹波的电容。电解电容主要滤低频纹波，滤高频纹波的电容采用 CBB 电容。 由于输出端对电流波形的要求，必须减小输出纹波的大小，因此，也需要在输出端 并联大容量的电解电容和较大容量的滤高频纹波的 CBB 电容。 11 系统中最易受干扰的是电流采样电阻，而采样电流的精度将直接影响电路的输出指 标。由于采样电阻受到开关管导通和关断的干扰，所以，需要对采样电阻上的信号进行 滤波，此电路中利用的 RC 二阶无源滤波，电路如下图 2-2 所示。 图 2-2 二阶 RC 无源滤波电路 其次从接地方面对抑制干扰进行研究。 一个系统的接地主要有安全地、信号地、机壳地和屏蔽地。这里只讨论本系统的公 共地的连接方法。 接地系统须具有很低的公共阻抗，使系统中各路电流，通过该公共阻 抗产生的直接传导噪声电压最小； 在高频电流的场合，保证“信号地”对“大地”有较 低的共模电压，使通过“信号地”产生的辐射噪音最低； 保证地线与信号线构成的电流 回路具有最小的面积，避免由地线构成“地回路”，使外界干扰磁场穿过该回路产生的 差模干扰电压最小，同时，也避免由地电位差通过地回路引起过大的地电流，造成传导 干扰。 12 武汉理工大学毕业设计(论文) 8 本系统中采用混合接地和浮空接地方式。主功率采用浮地方式，以便减小公共阻抗 和大电流的通过。控制系统内部先串联接地，然后再单点与主功率地连接。驱动电路则 采用光耦隔离技术来驱动开关管的导通和关断。 再次从缓冲方面对抑制干扰进行研究。 在采用了以上措施后，发现 MOSFET 的开关过程中毛刺仍然较高，这是由于电路中流 过的电流比较大，很小的寄生电感也能引起很大的毛刺。 13 缓冲电路的目的是对开关管产生的瞬态噪声进行抑制。采用的是在开关管两端并上 RCD 网络进行抑制，它可以减缓开关管的漏极和源极之间的电压上升率，如图 2-3 所 示。 图 2-3 RCD 吸收电路 在关断过程中由于功率二极管会有反向恢复，这是一个重要的骚扰源。 RC 缓冲电路是解决功率二极管反向恢复问题的常用方法。在高频下工作的功率二极 管，要考虑寄生参数。图 2-4(a)为电路模型，其中 D0 为理想二极管，Lp 为引线电感， Cp 为结电容，Rp 为并联电阻（高阻值），Rs 为引线电阻。如图 2-4(b)所示，将电容 C 和电阻 R 串联后并联到功率二极管 D 上。二极管反向关断时，寄生电感中的能量对寄生 电容充电，同时还通过缓冲电阻 R 对缓冲电容 C 充电。在同样能量的情况下，缓冲电容 越大，其上的电压就越小；当二极管正向导通时，C 通过 R 放电，能量绝大部分在 R 上消 耗。 （a）等效模型 （b）RC 缓冲电路 （a） (b) 图 2-4 功率二极管等效模型及 RC 缓冲电路 武汉理工大学毕业设计(论文) 9 2.2 Boost 电路的电磁干扰及抑制措施 2.2.1 Boost 电路的电磁干扰 开关变换器中电磁干扰是在开关管开关时刻产生的。整流二极管在开通时，其导通 电流不仅引起大量的开通损耗，还产生很大的 di/dt，导致电磁干扰；而在关断时，其两 端的电压快速升高，有很大的 dv/dt，从而产生电磁干扰。缓冲电路不仅可以抑制开通时 的 di/dt、限制关断时的 dv/dt，还具有电路简单、成本较低的特点，因而得到了广泛应 用。但是传统的缓冲电路中往往采用有源辅助开关，电路复杂不易控制，并有可能导致 更高的电压或电流应力，降低了可靠性。因此许多新的无源缓冲器应运而生。 14 2.2.2 Boost 电路的电磁干扰抑制措施 对于图 2-5 的 Boost 电路，Q1 开通后，D1 将关断。但由于此前 D1 上的电流为工作 电流，要降为零，其 dv/dt 将很高。D1 的关断只能靠反向恢复电流尖峰，而现有的抑制 二极管反向恢复电流的方法大多只适用于特定的变换器电路，而且只对应某一种的输入 输出模式，适用性很差。 图 2-5 boost 电路 图 2-6 很好地解决了上述缺陷，它的关键在于把一个辅助二极管（D2）、一个小的 辅助电感（L2）与主功率电感（L1）的部分线圈串联，然后与主二极管（D1）并联。其 工作原理是，在 Q1 开通时，利用辅助电感及辅助二极管构成的辅助电路进行分流，使主 二极管 D1 上的电流降为零，并维持到 Q1 关断。由于电感 L2 的作用，辅助二极管 D2 上 的反向恢复电流是很小的，可以忽略。 15 图 2-6 二极管反向恢复电路 利用其自身的磁复位线圈，可以更加方便地实现补偿。无源补偿技术还可以应用于 武汉理工大学毕业设计(论文) 10 非隔离式的变换器电路中。 图 2-7 带补偿电路的非隔离式 boost 电路 2.3 纹波的产生及抑制措施 通常情况下，开关电源首先把电网电压全波整流变为直流电，经高频开关变换由变 压器降压，经高频二极管整流滤波后，得到稳定的直流电压输出。其自身含有大量的谐 波干扰，同时由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰都形成了电磁 干扰源，这些尖峰就是输出纹波。输出纹波主要来源于 4 个方面：低频纹波、高频纹波、 共模纹波、功率器件开关过程中产生的超高频谐振等。 16 在 Buck 电路中，如果滤波电容 C 的容量足够大，则输出电压为常数。然而在电容 0 U C 为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份，流经电容的电流对电容 0 iii lC 充电产生的电压成为纹波电压，纹波电压与参数的关系表达式为： 0 U 0 U （2- 20 0 8 )1 ( T LC DU U C 1） 在 boost 电路中，在电感电流连续模式时，形成的纹波电压的表达式为： （2- RC TDV U SC0 0 2） 纹波的抑制措施主要有以下几个方面：提高开关频率将使系统功耗增大，电源效率 降低，温度升高，带来散热问题；开关频率受到开关管、控制芯片、二极管及其他因素 的限制，不能无限提高；提高 L 的值会使电感体积增加，成本增加，而电感的选择面是 比较窄的；无论是修改 L、C 或是开关频率，都要注意电源的稳定性。 武汉理工大学毕业设计(论文) 11 3 DC/DC 滤波电路的设计 3.1 Buck 滤波电路的设计 3.1.1 Buck 滤波电路工作原理 Buck 变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。图 3-1 是降压式 Buck 变换器的主电路。Buck 变换器的主电路由开关管 T，二极管 D，输出滤波 电感 L 和输出滤波电容 C 构成。其中，电源是电压源性质、负载为电流源性质。电路完 成把直流电压转换为较低的直流电压的功能。 d U 0 U 图 3-1 Buck 变换器 Buck 变换器连续模式时，当开关管 T 导通时，如图 3-2(a)所示，续流二极管因反向 偏置而截止，电容开始充电，直流电压源通过 L 向负载传递能量。此时，电感电流 s U 线性增加，储存的磁场能量也逐渐增加。负载 R 流过的电流，两端输出电压上正 L i 0 I 0 U 下负。在一个开关周期内开关导通的时间为。当开关断开时，如图 3-2（b）所示， s T on t 17 由于电感电流不能突变，故通过二极管 D 续流，电感电流逐渐减小，电感上的能量逐 L i