0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

LC串联谐振拓扑构成与工作原理分析

森木磊石 2024-01-26 08:22 次阅读

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。

061e6f3e-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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。

06291f6a-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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062da0bc-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.png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:

06390894-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.png

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

电路工作在电流断续工作模式(DCM),谐振电流波形如下图。

063ca148-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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。

0640b2f6-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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。

0650bdd6-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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。

065f6ea8-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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;

0663552c-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpgt1~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;

0675c8b0-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpgt2~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。

06799cba-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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;

067d571a-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

t1~t2:06911c6e-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.png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;

069b00a8-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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。

069e954c-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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。

06af4ce8-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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:

06b6e44e-bbe1-11ee-aa22-92fbcf53809c.jpg

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。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • LC
    LC
    +关注

    关注

    1

    文章

    152

    浏览量

    84116
  • 串联谐振
    +关注

    关注

    4

    文章

    200

    浏览量

    18415
  • 电路结构
    +关注

    关注

    1

    文章

    35

    浏览量

    8978
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    LLC谐振变换器拓扑构成工作原理分析

    。本文将带大家深入剖析LLC谐振变换器的常见拓扑结构、调制方式以及工作模态。LLC谐振变换器拓扑构成
    的头像 发表于 05-24 08:23 2287次阅读
    LLC<b class='flag-5'>谐振</b>变换器<b class='flag-5'>拓扑</b><b class='flag-5'>构成</b>与<b class='flag-5'>工作原理</b><b class='flag-5'>分析</b>

    【威廉希尔官方网站 课堂】拓扑篇丨LC串联谐振拓扑仿真建模及控制策略分析

    结构。上一期内容中我们对 LC 串联谐振变换器的工作原理进行了分析,今天继续为大家分享 LC
    发表于 03-01 10:05

    拓扑篇丨LLC谐振变换器拓扑构成工作原理分析

    常用调制方式的电压增益范围、控制参数以及调制特点,可用作参考。 工作原理分析 本文我们以常用的PFM调制模式为例,对全桥LLC变换电路进行工作模态分析。 LLC
    发表于 07-19 14:39

    LC串联谐振中间接地问题

    如果把LC串联谐振电路在L和C之间接地,那么电路还能谐振吗?如果能谐振,是否会对地平面造成较大干扰?谢谢!
    发表于 08-17 15:36

    组图LC串联谐振回路资料推荐

    LC谐振回路广泛地用于超外差收音机的选频电路之中,如输入回路、变频电路、中频电路等。故在分析超外差收音机的工作原理之前,我们先复习一下LC
    发表于 04-13 07:39

    LC串联谐振回路相关资料分享

    LC谐振回路广泛地用于超外差收音机的选频电路之中,如输入回路、变频电路、中频电路等。故在分析超外差收音机的工作原理之前,我们先复习一下LC
    发表于 04-15 06:09

    谐振回路产生谐振工作原理

    谐振回路产生谐振工作原理谐振回路产生谐振工作原理图。图13a 是一个含有谐波分量非常丰
    发表于 05-05 08:44 5132次阅读
    <b class='flag-5'>谐振</b>回路产生<b class='flag-5'>谐振</b>的<b class='flag-5'>工作原理</b>图

    LC谐振频率计算公式 LC串联和并联谐振频率计算

    本文介绍LC谐振频率计算公式,LC串联谐振频率、LC并联谐振
    发表于 10-10 15:58 35w次阅读
    <b class='flag-5'>LC</b><b class='flag-5'>谐振</b>频率计算公式 <b class='flag-5'>LC</b><b class='flag-5'>串联</b>和并联<b class='flag-5'>谐振</b>频率计算

    LC并联谐振电路和LC串联谐振电路

    LC谐振电路的应用说明: LC并联、串联谐振电路在应用中的变化较多,是电路分析的一个难点。 0
    的头像 发表于 10-20 10:54 6.1w次阅读
    <b class='flag-5'>LC</b>并联<b class='flag-5'>谐振</b>电路和<b class='flag-5'>LC</b><b class='flag-5'>串联</b><b class='flag-5'>谐振</b>电路

    串联谐振电路的工作原理及案例分析

    振荡电路经常会提及到“谐振”,涉及到谐振电路和谐振频率,那到底是什么是谐振电路?谐振电路的工作原理
    的头像 发表于 01-06 11:40 5095次阅读

    串联谐振电路的工作原理以及电路分析

    振荡电路经常会提及到“谐振”,涉及到谐振电路和谐振频率,那到底是什么是谐振电路? 谐振电路的工作原理
    的头像 发表于 05-29 09:17 1.3w次阅读
    <b class='flag-5'>串联</b><b class='flag-5'>谐振</b>电路的<b class='flag-5'>工作原理</b>以及电路<b class='flag-5'>分析</b>

    变频串联谐振电路工作原理详解

    变频串联谐振电路工作原理详解 变频串联谐振电路是指由串联谐振
    的头像 发表于 12-20 15:35 1526次阅读

    lc串联谐振怎么分析

    谐振是物体在受到外力作用下,出现与外力频率相等或接近的自由振动现象。而谐振回路指的是由电感(L)和电容(C)构成的电路,在一定条件下,可以产生谐振振荡。
    的头像 发表于 01-15 10:38 2032次阅读

    LC串联谐振拓扑仿真建模及控制策略分析

    拓扑是直流高压电源中最为常用的拓扑结构。上一期内容中我们对LC串联谐振变换器的工作原理进行了
    的头像 发表于 02-24 08:21 1467次阅读
    <b class='flag-5'>LC</b><b class='flag-5'>串联</b><b class='flag-5'>谐振</b><b class='flag-5'>拓扑</b>仿真建模及控制策略<b class='flag-5'>分析</b>

    LC谐振电路的工作原理分析

    看了电源网其他作者关于LC谐振的讲解,收获很多,本文想从纯电磁学角度结合仿真软件推算LC谐振电压跟几个参数之间的关系。
    的头像 发表于 10-24 10:00 468次阅读
    <b class='flag-5'>LC</b><b class='flag-5'>谐振</b>电路的<b class='flag-5'>工作原理</b><b class='flag-5'>分析</b>