Contents 1 谐振变换器的特点 2 谐振的概念 3 谐振变换器的拓扑结构及其特性

Contents 1 谐振变换器的特点 2 谐振的概念 3 谐振变换器的拓扑结构及其特性

谐振变换器概述 在变换器应用中, 有一类将直流电变为高频正弦交流电的变换器, 作为变换器的中间环节或者直接输出, 主要应用于 : 1. 雷达 通信中的射频功率放大器 ; 2. 感应炉的高频逆变器 ; 3. 使用高频正弦中间储能环节的谐振 DC/DC 变换器 ; 4. 日光灯的电弧装置 ;

谐振变换器概述 这类变换器具有一些共性的特点 : 1. 主回路中为高频正弦交流波形 2. 具有较高的电能转换效率 其高频正弦交流波形通常通过谐振网络实现, 因 此称为谐振变换器

谐振变换器的特点 谐振变换器 优点 : 主功率回路波形为正弦波, 无谐波成分, 电磁干扰小 可在很宽的范围内实现软开关 缺点 : 通过频率调制方式控制, 频率变化范围较宽, 不利于磁性元件优化设计对负载变化敏感, 调 节范围窄

谐振的概念 什么是谐振? 当电路中激励的频率等于电路的固有频率时, 电 路的电磁振荡的振幅达到峰值的状态称为谐振 谐振条件 : 1. 电路必须同时存在电感和电容元件 2. 激励频率必须与电路固有的震荡频率相同

全谐振 DC-DC 变换器的结构

交流方波的产生 通过桥式电路, 将直流电压斩成交变的交流方波, 为谐 振网络提供激励源

交流方波的等效 直流电源通过桥式电路, 变成交变的交流方波, 为谐振网络提供激励源 由于谐振网络设计时一般 Q 值较高, 只允许基波分量通过 因此通过傅里叶分析, 可以提取其基波分量为其等效 半桥型开关网络, 其基波分量为 : 2V o Vs = sin(2 π fs t) π 全桥型开关网络, 其基波分量为 : 4V o Vs = sin(2 π fs t) π

零电流谐振开关的实现 ZCS 通过改变开关频率, 使谐振网络中电流超前于电压, 即谐振网络呈容性, 使得开关管在关断前, 其电流已下降到零, 从而实现 ZCS 对于常见的谐振变换器拓扑结构, 当开关频率低于谐振频率时, 谐振网络呈容性

零电压谐振开关的实现 ZVS 通过改变开关频率, 使谐振网络中电流滞后于电压, 即谐振网络呈感性, 使得开关管在开通前, 其电压已下降到零, 从而实现 ZVS 对于常见的谐振变换器拓扑结构, 当开关频率高于谐振频率时, 谐振网络呈感性

输出整流方式

负载等效 电压源型输出整流 适用于谐振网络呈电压源的特性

负载等效 电流源型输出整流 适用于谐振网络呈电流源的特性

电路输入阻抗为 : 1 Z = R + j( ωl ) ωc 发生谐振时 : ωl = 1 ωc 谐振频率为 : f r 品质因数 : 串联谐振电路 电路增益 : Vo R R M = = = V in Z R + j( ωl ) ωc 串联谐振电路的增益始终小于 1, 在谐振点处有最大的增益, 最大增益为 1 = ω 1 2π = 2π LC 1 ω 1 Q = = L R R C o L R

Q 值的影响 Q 值增大 F r e q u e n c y / H e r t z Q 值越大, 谐振网络的通频带越窄, 选择性越好, 电流波形越接近正弦 Q 值越大, 增益曲线越陡, 调节特性越好

Q 值的影响 IPROBE1 / ua IPROBE1 / ma Q 值越大, 电流波形越接近正弦 因此 Q 值是电路设计的一个重要参数

SRC 工作原理 通过调节频率改变谐振网络增益, 从而调节输出电压 对于 MOSFET 应用, 常工作在增益曲线右半部分, 以实现 ZVS 因此频率的升高, 可以降低谐振网络增益

SRC 的特性 1. 使用串联电容, 隔离了直流成分, 避免了变压器饱和 ; 2. 流过开关器件的电流随着负载电流的减小而减小, 所以在全负载范围可以获得高效率 3. 轻载或空载时, 增益曲线非常平缓, 开关频率需在较大范围变动才能调节输出 4. 输入电压升高后, 开关频率将远离谐振频率, 使得谐振网络阻抗增大, 无功环流增大, 开关管的通态损耗增大 5. 输出整流采用电流源整流滤波电路, 输出整流滤波电容承受很大的纹波电流

并联谐振电路 发生谐振时 : 1 ωl = ωc 谐振频率为 : f r ω 1 = = 2π 2π LC 品质因数 : R 1 C Q = = ω L R L o V 电路增益 : M V o = = V in 1 X L 1 + X 并联谐振电路的增益可以大于 1, 在谐振点处有最大的增益 C X j R L

Q 值的影响 Q 值减小 Frequency / Hertz Q 值越大, 谐振网络的通频带越窄, 选择性越好, 输出电压波形越接近正弦

Q 值的影响 PRCout / mv PRCout / V Q 值越大, 输出电压波形越接近正弦 对于并联谐振变换器, 输出电压与输入电压波形存在 90 度的相位差

PRC 工作原理 调节过程与串联谐振变换器类似 但轻载时 Q 值高, 重载时 Q 值低

PRC 的特性 1. 轻载与空载时, 增益曲线非常陡峭, 轻载时开关频率只需要在很小范围内变动, 就可以实现输出电压的调节 2. 重载时调节特性不好 3. 轻载时存在无功环流, 开关管的通态损耗增大 4. 输出整流采用电压源整流滤波电路, 输出整流滤波电容承受很小的纹波电流

串并联谐振电路 (LCC LCC) V 串并联谐振电路是串联谐振电路和并联谐振电路的结合, 具有串 联谐振和并联谐振的优点, 轻载时呈现并联谐振的特性, 重载时 呈现串联谐振的特性, 其固有谐振频率随负载的不同而改变

串并联谐振电路 负载短路时谐振频率为 : 负载开路时谐振频率为 : f r 2 f r1 = 2π = 2π 品质因数 : 1 LC C C 1 p LC p s + C ωol 1 L Q = = R R C s s s V 电路增益 : Vo 1 M = = V X in cs X L X L X cs 1 + + j( ) X X R R A = C C s p cp cp 串并联谐振电路的增益曲线与 A 值有很大关系

串并联谐振电路 A=1 A=0.5 A 越小, 曲线越平缓, 谐振变换器的调节特性越差 ;A 越大, 谐振变换器的谐振峰值越高 通常取 A=1

SPRC 的特性 1. LCC 谐振变换器的电压转换特性允许变换器所接负载范围很大, 在重载时它近似串联谐振变换器, 轻载时近似为并联谐振变换器, 且轻载回路能量最小 ; 2. 串联电容使得回路等效电容量减小, 从而使谐振网络的特征阻抗增加, 可以减小回路电流, 减小变换器所承受的电流应力 ; 3. 输出整流采用电压源整流滤波电路, 输出整流滤波电容承受很小的纹波电流 4. 变压器原边漏感无法参与谐振, 造成变压器电压电流存在较大的相位差, 导致谐振回路中无功电流增加, 通态损耗也增加

LLC 谐振电路 负载短路时谐振频率为 : 负载开路时谐振频率为 : f r 2 f r1 = 2π = 2π 品质因数 : 1 1 Cr L + L m L C ωol 1 L Q = = R R C r r s r 电路增益 : M = k = L L m r V 2 n 1 1 1 1 (1 + ) + Q ( f ) k kf f 2 2 2 n n

LLC 的 Q 值曲线 根据 LLC 的增益函数, 可以得到 LLC 的增益曲线 Q 值减小

K 的取值 K 值对 LLC 的增益曲线的影响 : K 值越小,Q 值曲线越陡峭, 要得到相同增益时, 频率变化范围越小 K 值越大,Q 值曲线越平缓, 要得到相同增益时, 频率变化范围越大

K 的取值 K 值对效率的影响 : K 值越小, 意味着对于相同的 Lr, 其励磁电感越小, 器件 损耗会增大, 效率降低 通常取 K 值在 3~7 之间

Q 的取值 对于同一个增益, 不同负载下 Q 值是变化的, 但 Q 值有一个最大值 Qmax, 如果 Q>Qmax, LLC 将进入 ZCS 区域

由 : 可以得到 : Q = Z = R Q o r r ac Z o = = R ac Q 的取值 2π f L R ac 2π r kr f L m k = 由于 Q 值越大, 励磁电感越大, 励磁电流越小, 损耗越小 因此在满足软开关的条件下,Q 值应尽量取大 由 LLC ZVS 软开关的边界条件, 即 LLC 谐振网络的阻抗为纯阻性, 可以求出 Qmax Q ac 1 = k + k M m ax 2 m ax 为留一定的裕量, 通常取 Q 为 (0.92~0.95)Qmax M M L L m ax 2 m r m ax 1

Q 的取值 当 LLC 运行于高输入电压空载的情况下时, 原边电流最小, 需要确保在此情况下, LLC 仍能实现软开关 I Z V ifhamax zvs ( vdc max) ( f ) inol n max 2 V = (2 C + C ) ( max) T zvs vdc oss stay I dc D Q ZVS 2 λ f n max T 2 π ( λ + 1) f λ R C n max ac zvs LLC 的 Q 值应该小于 Qmax 和 Qzvs D

LLC 的特性 1. 固有谐振频率随负载的变化而变化, 频率变化范围宽, 输入电压范围宽 2. 具有全负载范围内, 功率元件全软开关的特性 3. 充分利用变压器的漏感和激磁电感, 便于磁集成 4. 轻载和空载调节特性不好, 需采用 PWM 方式 5. 输出整流滤波电路采用电流源型整流方式, 输出整流滤波电容承受很大的纹波电流