LC串联谐振拓扑常用于高压充电机及高压电源的设计开发。基于它具有高效能量传输、频率选择性、体积小型化以及可靠性等优点,被广泛应用于高压充电电源、静电驻极电源以及静电除尘高压电源等设备。
今天为大家带来的是LC串联谐振变换器的电路结构以及工作原理的讲解,快和小编一起学习吧。
拓扑构成
本文以LC高压充电电源为例,对电路的拓扑结构进行讲解。
LC高压充电机包括原边LC全桥串联谐振电路、变压器和副边整流电路,参见下图。
副边电路常用的有全桥整流电路以及倍压整流电路(如下图)。全桥整流适用于大电流场景,对于小电流应用场景可采用倍压整流电路。
原边全桥电路:包含输入直流源Vin、输入电容Cin、功率开关管器件(Q1~Q4)、谐振电感以及谐振电容Cr,其中体二极管(D1~D4)以及寄生结电容(C1~C4)为功率开关器件的自有部分。
副边电路:包含整流二极管(DR1~DR10)及负载(Cd)等。
工作模式
在LC串联谐振电路工作过程中有两个关键频率:开关频率fs和谐振频率fr。
开关频率是指电路开关器件控制信号频率,而谐振频率与电路的谐振电感与谐振电容有关:
根据电路的开关频率fs与谐振频率fr的关系,LC串联谐振拓扑电路分为三种工作模式:
▍工作模式1:0s<0.5fr
该模式下,开关器件Q1~Q4为零电流开通(t=0及t3时刻),零电流关断(t1、t4时刻),二极管D1~D4为低损耗开通和关断。在这种模式下,开关损耗低且电磁干扰小。
▍工作模式2:0.5frsr
电路工作在连续电流模式(CCM),谐振回路呈容性,谐振电流波形如下图。
在这一工作模式下,Q1~Q4为硬开通(t2、t4时刻),零电流关断(t1、t3时刻)。为了减少反向恢复电流,二极管D1~D4必须有较好的反向恢复特性。
这一工作模式下损耗和电磁干扰较大。
▍工作模式3:frs
电路工作在连续电流模式(CCM),谐振回路呈感性,谐振电流波形如下图。
在这一工作模式下,S1~S4为零电流开通(t1、t3时刻),硬关断(t2、t4时刻),给电路造成较大的损耗和电磁干扰,电路的输出特性与恒流源的特性有所偏离。
工作原理
在实际工程中工作模式1与工作模式3应用较多,其中工作模式1为脉冲频率调制(PFM)方式串联谐振,工作模式3为脉宽调制(PWM)方式串联谐振。
这里以副边全波整流电路结构为例,分析电路在这两种工作模式下的工作原理。
NO.1PFM模式原理
在半个开关周期内,LC谐振电路的一对开关器件和续流二极管会完成一次谐振,每次谐振包含两个工作过程,电路波形如下图。
其中,Q1~Q4为开关器件的控制信号,iLr为谐振电感电流,v1为谐振电容两端电压,v2为负载电容等效至原端电压。
t0~t1:此时Q1与Q4导通,电感电流大于零,原边电流经Q1、Lr、Cr、Q4流动,给Cr充电,变压器副端DR1、DR4导通,电流经DR1、DR4给负载电容Cd充电;
t1~t2:t1时刻电感电流反向,原边D1、D4导通续流,Cr放电,变压器副端DR2、DR3导通,电流经DR2、DR3给负载电容Cd充电;
t2~t3:t2时刻Cr放电结束,电感电流为零,此时Q2与Q3还未收到驱动信号,电路中并无器件导通,电路处于开路状态,负载Cd两端电压基本保持不变。
后半周期的谐振过程与前半周期类似,在此就不再赘述。
可见电路每次谐振都会给负载电容进行充电,使其两端电压上升一个台阶,这种充电方式又称为等台阶充电。
NO.2PWM模式原理
PWM方式串联谐振充分发挥了PWM威廉希尔官方网站 和谐振变换的优点,是近年来研究的一大热点。
由于电路的谐振频率和开关频率较高,充电电容在一个谐振周期中电压变化非常微小。因此,可研究在PWM控制方式下输出电压不变的稳态工作过程。
t0~t1:此时Q1与Q4导通,原边电流经Q1、Lr、Cr、Q4流动给Cr充电,变压器副端DR1、DR4导通,电流经DR1、DR4给负载电容Cd充电;
t1~t2:时刻Q1与Q4关断,原边D2、D3导通续流,谐振电流逐渐减小,变压器副端DR1、DR4导通,电流经DR1、DR4给负载电容Cd充电;
t2~t3:t2时刻谐振电流降为零,此时Q2与Q3还未收到驱动信号,电路中并无器件导通,电路处于开路状态,负载Cd两端电压基本保持不变。
副边整流电路
LC串联谐振电源若为低压输出(输出电压小于20kV)可直接采用整流电路,电路结构如图。
假设U1为输出最高电压,二极管/硅堆D1~D4直流反向耐压应为2U1,整流硅堆通流能力I应大于等于5倍的输出电流值。例如U1为20kV时,二极管可参考型号2CL40kV/5A。
在小电流充电的应用场景里,可以采用多级倍压整流电路获得直流高压。电路由电容与二极管构成,10倍压整流的参考电路如下图。
U1为倍压电路输入电压,U2为倍压电路输出电压。两者与倍压等级n的关系为:U2=nU1(此处n=10)。
需要注意的是,二极管的耐压值应留3~4倍的裕量,即每个二极管耐压应不小于(3~4)U2/n,二极管通流参考值为5nIo。需要使用快恢复二极管,同时为防止短路烧二极管,选用的二极管最大浪涌需要尽量大。
电容的耐压值可以留2.5~3倍的裕量来考虑,即(2.5~3)U2/n。电容容值则需根据开关频率fs等综合因素来考虑。
根据电荷量Q=C·U=I·t可得:
故电容参考值选择应大于Ion2/0.1U2fs。
其中,Io为输出电流值,n为倍压等级,U2为输出电压,fs为开关频率。
关于LC串联谐振电路的工作原理今天就介绍到这里,相信大家也都对LC串联谐振变换器的工作过程有了更好的了解。
后续我们将继续带领大家对LC串联谐振拓扑进行电路设计及电路仿真模型搭建,与大家一起对电路进行仿真调试,验证电路的工作性能。
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