補償電源是指通過在電力系統(tǒng)中增加電容來補償無功功率，從而提高功率因數(shù)，改善供電品質(zhì)，減少電力損失，延長設備壽命，并滿足電力系統(tǒng)對無功補償?shù)谋O(jiān)測要求。??

補償電源的工作原理主要是通過在電力系統(tǒng)中增加電容來補償負載所需的無功功率。電力系統(tǒng)的負載多數(shù)是電感性的，這會導致電力系統(tǒng)消耗無功電力，使負載電流相位滯后于電壓。通過在系統(tǒng)中增加電容，可以改善功率因數(shù)，減少線路損耗，并滿足電力系統(tǒng)對無功補償?shù)谋O(jiān)測要求。

補償電源的應用場景和效果

?改善供電品質(zhì)?：通過補償無功功率，可以提高供電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和電流質(zhì)量。

?減少電力損失?：提高功率因數(shù)后，線路總電流降低，從而減少供電端與用電端的電力損失。

?延長設備壽命?：減少設備和線路的負荷，降低溫度，延長使用壽命。

?滿足監(jiān)測要求?：消除因功率因數(shù)過低而產(chǎn)生的罰款。

靜止無功補償裝置(SVC)

靜止無功補償裝置(SVC)是一種重要的無功補償設備，它可以通過調(diào)節(jié)電抗器和電容器的容量來濾除電網(wǎng)諧波，并保持在較高的功率因數(shù)。SVC通常由固定電容器、固定電抗器和可控硅電子開關(guān)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子測量裝置往往需要負電源為其內(nèi)部的集成電路芯片與傳感器供電。如集成運算放大器、電壓比較器、霍爾傳感器等。

負電源的好壞很大程度上影響電子測量裝置運行的性能，嚴重的話會使測量的數(shù)據(jù)大大偏離預期。目前，電子測量裝置的負電源通常采用抗干擾能力強，效率高的開關(guān)電源供電方式。以往的隔離開關(guān)電源技術(shù)通過變壓器實現(xiàn)負電壓的輸出，但這會增大負電源的體積以及電路的復雜性。而隨著越來越多專用集成DC/DC控制芯片的出現(xiàn)，使得電路簡單、體積小的非隔離負電壓開關(guān)電源在電子測量裝置中得到了越來越廣泛的應用。因此，對非隔離負電壓開關(guān)電源的研究具有很高的實用價值。

本文旨在幫助設計人員了解DC-DC補償?shù)墓ぷ髟?、補償網(wǎng)絡的必要性以及如何使用正確的工具輕松獲得有效的結(jié)果。該方法使用LTspice中的一個簡單電路，此電路基于電流模式降壓轉(zhuǎn)換器的一階(線性)模型。使用此電路，無需執(zhí)行復雜的數(shù)學計算即可驗證補償網(wǎng)絡值。

設計DC-DC轉(zhuǎn)換器時，應仔細選擇FET、電感、電流檢測電阻和輸出電容等元件，以匹配所需的輸出電壓紋波和瞬態(tài)性能。在設計功率級之后，閉合環(huán)路也很重要。DC-DC電源包含一個使用誤差放大器(EA)的負反饋環(huán)路。在負反饋系統(tǒng)中傳播的信號可能會在其路徑中遇到極點和零點。單個極點會使信號相位減小約90°，并使增益斜率減小-20 dB/Dec，而單個零點會使相位增加約90°，并使增益提高+20 dB/Dec。如果信號的相位減小-180°，則負反饋環(huán)路可能變成正反饋環(huán)路并發(fā)生振蕩。保持環(huán)路穩(wěn)定并避免振蕩是電源的設計準則。

測試DC-DC穩(wěn)定性的方法有兩種。第一種是頻率響應分析(FRA)，此方法將會創(chuàng)建波特圖。第二種方法是時域分析，此方法將會使負載電流發(fā)生瞬變，并可觀察到輸出電壓的欠沖和過沖響應。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的設計，應確保避免相位降低-180°的情況，并保持相位裕量(PM)大于45°。相位裕量為60°是較為理想的情況。當電源設計的帶寬(BW)較寬時，器件對電流負載變化的響應會更快。電源的帶寬是0 dB增益與頻率軸交點的頻率。該頻率也稱為交越頻率Fc，可觀察到其相位高于45°。DC-DC轉(zhuǎn)換器的帶寬是其開關(guān)頻率Fsw的導數(shù)，通常在Fsw/10 < Fc < Fsw/5的范圍內(nèi)。越趨近于Fsw/5則意味著帶寬越寬，實現(xiàn)起來也會更難。帶寬越寬，相位越低，因此需進行設計權(quán)衡。增益裕量(GM)是指Fsw/2和–180°處的負增益，-8 dB或更高的值將能很好地衰減可能的開關(guān)噪聲，或減小相移-180°時的增益可能性。我們希望以-20 dB/Dec的斜率穿過0 dB點。

圖1.波特圖，顯示了帶寬、相位、增益裕量和0 dB時的交越頻率Fc

圖2.電源帶寬越寬，器件對電流負載變化的響應越快

功率級LC濾波器

功率級LC濾波器是指給定拓撲(降壓、升壓等)的電感和等效輸出電容。各種拓撲常用的架構(gòu)有兩種：電壓模式(VM)和電流模式(CM)。VM架構(gòu)和CM架構(gòu)中的同一LC濾波器會產(chǎn)生不同行為。簡單說來，用于VM架構(gòu)的LC濾波器會增加兩個極點。CM架構(gòu)額外包含一個電流檢測反饋路徑，有助于消除LC濾波器的雙極點。VM架構(gòu)則難以做出補償，因為LC雙極點需要更多的零點來抵消雙極點效應，因此需要更多元件。

降壓VM架構(gòu)和LC頻率行為 由于等效輸出電容CEQ及其等效ESR (ESREQ)，LC濾波器將導致增加兩個極點和一個零點：

LC濾波器雙極點位置與LC寄生電阻無關(guān)。電感和等效電容值越大，雙極點位置就會越靠近頻率軸的原點0 Hz。如果CEQ及其ESREQ值較高，則LC濾波器零點頻率位置將向左移動或更接近0 Hz。VM中的LC濾波器行為如圖3所示，其仿真結(jié)果如圖4所示。紅線和藍線之間的差異是電容ESR值造成的，分別為1 mΩ和100 mΩ。Fr位置相同，因為LC值沒有改變，但零點位置因ESR值的改變而變化。

圖3.VM降壓LC濾波器行為的簡化模型電路

圖4.簡化VM降壓LC濾波器行為的仿真結(jié)果

對于VM架構(gòu)，LC濾波器會增加兩個極點和一個零點。頻率響應形狀始終相同：斜率變化為0 dB/Dec至-40 dB/Dec至-20 dB/Dec。極點和零點的位置取決于電感、總電容和等效電容ESR值。

CM架構(gòu)和LC頻率行為 可以通過電壓控制電流源來仿真CM中LC濾波器的頻率行為，如圖5所示。ESR在兩個數(shù)值間步進，以凸顯零點位置的差異。由下式計算得出CM降壓架構(gòu)中LC濾波器的極點位置：

RLOAD為負載電阻，即輸出電壓與電流的比值。例如，若輸出電壓為5 V，負載電流為2 A，則RLOAD將等于5 V/2 A = 2.5 Ω。零點位置由等效輸出電容及其等效ESR決定。同VM架構(gòu)類似，1 mΩ和100 mΩ ESR對應的兩個零點值為：

圖5.電壓控制電流源用作CM降壓的模型;ESR為步進式

對于CM架構(gòu)，LC濾波器會增加一個極點和一個零點。頻率響應形狀始終相同：斜率變化為0 dB/Dec至-20 dB/Dec至0 dB/Dec。極點/零點的頻率位置取決于輸出電容、等效ESR和負載值。

補償器

LC濾波器會導致相位損失。補償網(wǎng)絡用于補償相位，通過向環(huán)路添加極點和零點，可抵消LC濾波器引起的相位滯后/超前和增益變化。

圖6.CM降壓LC濾波器頻率響應形狀的仿真

電流模式架構(gòu)補償器

CM架構(gòu)補償器稱為2型補償器。圖7所示為2型補償器。 AD8038 為EA，R2、R3為反饋電阻，R4為電阻，V1通過R4將頻率注入環(huán)路以執(zhí)行FRA。補償網(wǎng)絡由R1、C1和C2組成。

圖7.LTspice中的2型補償器模型

零點/極點和增益的預期結(jié)果：

Gain(bzp)為零點和極點之間的增益，由R1與R3的比值決定。Gain(rz)為直流增益。在上述計算過程中，原點處的極點使用1 Hz的頻率;因此，補償器的初始斜率為-20 dB/Dec。圖8顯示仿真結(jié)果與計算值密切相關(guān)。

圖8.2型補償器仿真結(jié)果、極點/零點位置和斜率變化

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