諧振式電源的基本原理 諧振開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程分析

電路的諧振現(xiàn)象

為了更好地理解諧振式電源，這里回憶一下電路諧振的條件及其特點(diǎn)。

一、串聯(lián)電路的諧振

一個(gè)R、L、C串聯(lián)電路，在正弦電壓作用下，其復(fù)阻抗：

Z=R+j(ωL-1/ωC)

一定條件下，使得XL=XC，即ωL=1/ωC ，Z=R，此時(shí)的電路狀態(tài)稱為串聯(lián)諧振。

明顯地，串聯(lián)諧振的特點(diǎn)是：

1．阻抗角等于零，電路呈純電阻性，因而電路端電壓U和電流I同相。

2．此時(shí)的阻抗最小，電路電流有效值達(dá)到最大。

3．諧振頻率：ωo=1/√LC 。

4．諧振系數(shù)或品質(zhì)因素：

Q=ωoL/R=1/ωoCR=（√L/C）/R。

由于串聯(lián)諧振時(shí)，L、C電壓彼此抵消，因此也稱為電壓諧振。從外部看，L、C部分類似于短路。

而此時(shí)Uc、UL是輸入電壓U的Q倍。Q值越大，振蕩越強(qiáng)。

這里的Z0=√L/C，我們稱為特性阻抗，它決定了諧振的強(qiáng)度。

5．諧振發(fā)生時(shí)，C、L中的能量不斷互相轉(zhuǎn)換，二者之間反復(fù)進(jìn)行充放電過程，形成正弦波振蕩。

二、并聯(lián)電路的諧振

一個(gè)R、L、C并聯(lián)電路，在正弦電壓作用下，其復(fù)導(dǎo)納：

Y=1/R-j(1/ωL-ωC)

一定條件下，使得YL=YC，即1/ωL=ωC ，Y=1/R，此時(shí)的電路狀態(tài)稱為并聯(lián)諧振。

明顯地，串并諧振的特點(diǎn)是：

1．導(dǎo)納角等于零，電路呈純電阻性，因而電路端電壓U和電流I同相。

2．此時(shí)的導(dǎo)納最小，電路電流有效值達(dá)到最小。

3．諧振頻率：ωo=1/√LC 。

4．由于并聯(lián)諧振時(shí)，L、C電流彼此抵消，因此也稱為電流諧振。從外部看，L、C部分類似于開路，L、C各自有效電流卻達(dá)到最大。

5．諧振發(fā)生時(shí)，C、L中的能量不斷互相轉(zhuǎn)換，二者之間反復(fù)進(jìn)行充放電過程，形成正弦波振蕩。

諧振式電源的基本原理

諧振式電源是新型開關(guān)電源的發(fā)展方向。它利用諧振電路產(chǎn)生正弦波，在正弦波過零時(shí)切換開關(guān)管，從而大大提高了開關(guān)管的控制能力，并減小了電源體積。同時(shí)，也使得電源諧波成分大為降低。另外，電源頻率得到大幅度提高。PWM一般只能達(dá)到幾百K，但諧振開關(guān)電源可以達(dá)到1M以上。

普通傳統(tǒng)的開關(guān)電源功率因素在0.4-0.7，諧振式電源結(jié)合功率因素校正技術(shù)，功率因素可以達(dá)到0.95以上，甚至接近于1。從而大大抑制了對(duì)電網(wǎng)的污染。

這種開關(guān)電源又分為：

1．ZCS——零電流開關(guān)。開關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷。

2．ZVS——零電壓開關(guān)。開關(guān)管在零電壓時(shí)關(guān)斷。

在脈沖調(diào)制電路中，加入L、C諧振電路，使得流過開關(guān)的電流及管子兩端的壓降為準(zhǔn)正弦波。下面是這兩種開關(guān)的簡單原理圖。

圖1：電流諧振式開關(guān)電路 電壓諧振式開關(guān)電路

ZCS電流諧振開關(guān)中，Lr、Cr構(gòu)成的諧振電路通過Lr的諧振電流通過S，我們可以控制開關(guān)在電流過零時(shí)進(jìn)行切換。這個(gè)諧振電路的電流是正弦波，而Us為矩形波電壓。

ZVS電壓諧振開關(guān)中，Lr、Cr構(gòu)成的諧振電路的Cr端諧振電壓并聯(lián)到S，我們可以控制開關(guān)在電壓過零時(shí)進(jìn)行切換。這個(gè)諧振電路的電壓是正弦波，而Is接近矩形波。

以上兩種電路，由于開關(guān)切換時(shí)，電流、電壓重疊區(qū)很小，所以切換功率也很小。

以上開關(guān)電源是半波的，當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)成全波的。所以又有半波諧振開關(guān)和全波諧振開關(guān)的區(qū)分。

諧振開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程分析

實(shí)際上，諧振開關(guān)中的所謂“諧振”并不是真正理論上的諧振，而是L、C電路在送電瞬間產(chǎn)生的一個(gè)阻尼振蕩過程。下面，我們對(duì)這個(gè)過程做一些分析，以了解諧振開關(guān)的工作原理。

一、零電流開關(guān)

實(shí)際的零電流開關(guān)諧振部分拓補(bǔ)又分L型和M型。如下面兩組圖形所示：

圖2：L型零電流諧振開關(guān)（中半波，右全波）

圖3：M型零電流諧振開關(guān)（中半波，右全波）

這里的L1用于限制di/dt，C1用于傳輸能量，在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，構(gòu)成串聯(lián)諧振。用零電流開關(guān)替代PWM電路的半導(dǎo)體開關(guān)，可以組成諧振式變換器電路。按照Buck電路的拓補(bǔ)結(jié)果，可以得到如下電路：

圖4：Buck型準(zhǔn)諧振ZCS變換器（L型）

圖5：Buck型準(zhǔn)諧振ZCS變換器（M型）

這里，我們分析一下L型電路的工作過程。

假定這是一個(gè)理想器件組成的電源。L2遠(yuǎn)大于L1，從L2左側(cè)看，可以認(rèn)為流過L2、C2、RL的輸出電流是一個(gè)恒流源，電流I0。諧振角頻率：

ω0=1/√L1C1 。

特性阻抗：

Z0 =√L1/C1）。

動(dòng)態(tài)過程如下：

1．線性階段（t0-t1）：

在S導(dǎo)通前，VD2處于續(xù)流階段。此時(shí)VVD2=VC1=0。S導(dǎo)通時(shí)，L1電流由0開始上升，由于續(xù)流沒有結(jié)束，此時(shí)初始VL1=Vi。

由VL1=Vi=L1di/dt，且L1初始電流為0，有：

i1=Vi(t-t0)/L1
----------------------------------式1

到t1時(shí)刻，達(dá)到負(fù)載電流I0，因此：

此階段持續(xù)時(shí)間：

T1=t1-t0=L1I0/Vi

由式1，可以看出，此階段i1是時(shí)間的線性函數(shù)。

2．諧振階段（t1-t2）：

在電流i1上升期間，當(dāng)i1小于I0時(shí)，由于i1無法供應(yīng)恒流I0，續(xù)流過程將維持。當(dāng)i1=I0時(shí)，將以i1-I0對(duì)C1充電，VD2開始承受正壓，VD2電流下降并截止。L1、C1開始串聯(lián)諧振，i1 因諧振繼續(xù)上升。

iC1=C1dVC1/dt=i1-I0

VL1=L1di1/dt=Vi-VC1

因而：

i1=I0+ iC1=I0+Vi/Z0*sinω0 (t-t1)------------------式2

其中，iC1為諧振電流。

VC1=Vi-VL1= Vi -Vicosω0 (t-t1)= Vi [1-icosω0 (t-t1)]--式3

諧振到ta時(shí)刻，諧振電流歸零。如為半波開關(guān)，則開關(guān)自行關(guān)斷；如果是全波開關(guān)，開關(guān)關(guān)斷后，將通過VD1進(jìn)行阻尼振蕩，將電容能量饋送回電源，到時(shí)刻tb電流第二次為0。本階段結(jié)束，這時(shí)的時(shí)刻為t2。

VC1在i1諧振半個(gè)周期，i1=I0時(shí)，達(dá)最大值。i1第一次過零（ta）時(shí)，S斷開。如為半波開關(guān)，則諧振階段結(jié)束。如為全波開關(guān)，C1經(jīng)半個(gè)周期的阻尼振蕩到電流為0（tb）時(shí)，將放電到一個(gè)較小值。

從式2、3，可以看出諧振階段ta前，i1、VC1是時(shí)間的正弦函數(shù)；如為全波開關(guān)，還有一段時(shí)間的阻尼振蕩波。

3．恢復(fù)階段（t2-t3）：

由于VC1滯后1/4個(gè)諧振周期，因而在t2后，因L2的作用還將繼續(xù)向負(fù)載放電，直至VC1=0。這階段，如考慮電流方向性：

I0=-C1dVC1/dt

故：VC1= VC1（t2）-I0（t-t2）/C1
------------------------------------式4

因此，這個(gè)階段的VC1是時(shí)間的線性函數(shù)，電壓從VC1（t2）逐步下降到零。如為半波開關(guān)，則開關(guān)分壓也將線性上升到輸入電源值。

4．續(xù)流階段（t3-t4）：

當(dāng)電容放電到零后，VD2因反壓消失而導(dǎo)通，對(duì)L2及負(fù)載進(jìn)行續(xù)流，以保持電流I0連續(xù)。

此時(shí)，我們可以根據(jù)電路的要求，選擇在適當(dāng)時(shí)間再次開通S，重新開始線性階段。

根據(jù)以上導(dǎo)出的各公式，可以得到如下的波形圖：

圖2-18：半波ZCS開關(guān)波形 全波ZCS開關(guān)波形

從以上分析可以看出，ZCS諧振開關(guān)變換器的開關(guān)管總是在電流為0時(shí)進(jìn)行切換。

實(shí)際情況與理想分析有所不同，VC1將有所超前。

M型電路分析方法類似，不再贅述。

二、零電壓開關(guān)

ZCS在S導(dǎo)通時(shí)諧振，而ZVS則在S截止時(shí)諧振，二者形成對(duì)偶關(guān)系。分析過程大體類似，此處從略。

綜合以上分析過程，我們可以看出，該拓補(bǔ)諧振結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)PFM調(diào)節(jié)，而無法實(shí)現(xiàn)PWM。原因是脈沖寬度僅受諧振參數(shù)控制。要實(shí)現(xiàn)PWM，還需要增加輔助開關(guān)管。

審核編輯：湯梓紅