谐振式电源的基本原理 谐振开关的动态过程分析

时间:2023-07-17作者:佚名

电路的谐振现象

为了更好地理解谐振式电源,这里回忆一下电路谐振的条件及其特点。

一、串联电路的谐振

一个R、L、C串联电路,在正弦电压作用下,其复阻抗:

Z=R j(ωL-1/ωC)

一定条件下,使得XL=XC,即ωL=1/ωC ,Z=R,此时的电路状态称为串联谐振。

明显地,串联谐振的特点是:

1.阻抗角等于零,电路呈纯电阻性,因而电路端电压U和电流I同相。

2.此时的阻抗最小,电路电流有效值达到最大。

3.谐振频率:ωo=1/√LC 。

4.谐振系数或品质因素:

Q=ωoL/R=1/ωoCR=(√L/C)/R。

由于串联谐振时,L、C电压彼此抵消,因此也称为电压谐振。从外部看,L、C部分类似于短路。

而此时Uc、UL是输入电压U的Q倍。Q值越大,振荡越强。

这里的Z0=√L/C,我们称为特性阻抗,它决定了谐振的强度。

5.谐振发生时,C、L中的能量不断互相转换,二者之间反复进行充放电过程,形成正弦波振荡。

二、并联电路的谐振

一个R、L、C并联电路,在正弦电压作用下,其复导纳:

Y=1/R-j(1/ωL-ωC)

一定条件下,使得YL=YC,即1/ωL=ωC ,Y=1/R,此时的电路状态称为并联谐振。

明显地,串并谐振的特点是:

1.导纳角等于零,电路呈纯电阻性,因而电路端电压U和电流I同相。

2.此时的导纳最小,电路电流有效值达到最小。

3.谐振频率:ωo=1/√LC 。

4.由于并联谐振时,L、C电流彼此抵消,因此也称为电流谐振。从外部看,L、C部分类似于开路,L、C各自有效电流却达到最大。

5.谐振发生时,C、L中的能量不断互相转换,二者之间反复进行充放电过程,形成正弦波振荡。

谐振式电源的基本原理

谐振式电源是新型开关电源的发展方向。它利用谐振电路产生正弦波,在正弦波过零时切换开关管,从而大大提高了开关管的控制能力,并减小了电源体积。同时,也使得电源谐波成分大为降低。另外,电源频率得到大幅度提高。PWM一般只能达到几百K,但谐振开关电源可以达到1M以上。

普通传统的开关电源功率因素在0.4-0.7,谐振式电源结合功率因素校正技术,功率因素可以达到0.95以上,甚至接(jìn)于1。从而大大抑制了对电网的污染。

这种开关电源又分为:

1.ZCS——零电流开关。开关管在零电流时关断。

2.ZVS——零电压开关。开关管在零电压时关断。

在脉冲调制电路中,加入L、C谐振电路,使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。下面是这两种开关的简单原理图。

谐振式电源的基本原理 谐振开关的动态过程分析

图1:电流谐振式开关电路 电压谐振式开关电路

ZCS电流谐振开关中,Lr、Cr构成的谐振电路通过Lr的谐振电流通过S,我们可以控制开关在电流过零时进行切换。这个谐振电路的电流是正弦波,而Us为矩形波电压。

ZVS电压谐振开关中,Lr、Cr构成的谐振电路的Cr端谐振电压并联到S,我们可以控制开关在电压过零时进行切换。这个谐振电路的电压是正弦波,而Is接(jìn)矩形波。

以上两种电路,由于开关切换时,电流、电压重叠区很小,所以切换功率也很小。

以上开关电源是半波的,当然也可以设计成全波的。所以又有半波谐振开关和全波谐振开关的区分。

谐振开关的动态过程分析

实际上,谐振开关中的所谓“谐振”并不是真正理论上的谐振,而是L、C电路在送电瞬间产生的一个阻尼振荡过程。下面,我们对这个过程做一些分析,以了解谐振开关的工作原理。

一、零电流开关

实际的零电流开关谐振部分拓补又分L型和M型。如下面两组图形所示:

谐振式电源的基本原理 谐振开关的动态过程分析

图2:L型零电流谐振开关(中半波,右全波)

谐振式电源的基本原理 谐振开关的动态过程分析

图3:M型零电流谐振开关(中半波,右全波)

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