功率缓冲器的负载鲁棒性分析

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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ro→0，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v0≈Eo，或Δv0→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

2、线路中，常用于输出缓冲器的实际电路是用运算放大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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、．理论分析与实验分析3．1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）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ZO＜＜ZL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

8、强的鲁棒性。3．2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