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谐振技术及其应用

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标签: 谐振

谐振

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谐振技术及其应用
在开关电源中,通常采用磁性元件(如铁心电感、变压器等)实现交流/直流侧的滤波,½量存
储和传输。这些磁性元件在电源装½的½积、重量、成本中占有很大比重。开关器件的工½频率
越高,磁性元件的尺寸就可以越小,电源装½的小型化、½量化、½成本化就越容易实现。½是,
传统的 PWM 变换器中的开关器件工½在硬开关状态,存在很多缺陷:
1)开通和关断损耗大;
2)感性关断问题;
3)容性开通问题;
4)二极管反向恢复问题。
由于硬开关工½时存在上述四大缺陷,所以½开关器件工½频率的提高受到限制,从而
电源装½的小型化、½量化、½成本化也就不易实现。克服以上缺陷的有效办法就是应用½开关
(SoftSwitching,简称 SS)技术。最理想的½开通过程是:电压先下降到零后,电流再缓慢上
升到通态值,所以导通损耗近似为零。另外,因器件导通前电压已下降到零,器件结电容上的电
压亦为零,因而解决了容性开通问题,这意味着二极管已经截止,其反向恢复过程结束,因此二
极管反向恢复问题亦不复存在。最理想的½关断过程是:电流先下降到零,电压再缓慢上升到断
态值,所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零,即线路电感中电流亦为零,所
以感性关断问题得以解决。
事实上,
这两个过程要么存在感性关断问题,
要么存在容性开通问题。
也就是说,
仅仅利用一个电感或电容是不½根本解决问题的,
所以最½的情况应½是½开关在电
压和电流同时为零时关断和开通,损耗才会真正为零。而要实现这个目标,就要用到谐振技术。
2
2.1
谐振技术
谐振过程
根据电路原理,电感电容串联或并联可构成谐振电路,½得在电源为直流电源时,电路
中的电流按正弦规律变化。由于电流或电压按正弦规律变化,存在过零点,如果我们½够在这一
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时刻开通或关断,产生的损耗就为零。下面就分析电源里用得最多的二次串联谐振电路,对其在
初始情况不同时的工½情况进行讨论。基本电路如图 1 所示。
假定电容
C
上的电压为
u
C
,电感
L
中的电流为
i
L
,电源电压为
U
s
。于是,该电路的微分
方程为:
将式(2)代入式(1),得
式中:β=R/2L;
于是,式(4)的解为:
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下面分别讨论该电路在不同初始条件下的解以及相应的电压电流波½:
1)第一种情况
初始条件为:i
L
=0,u
c
=0。方程的解为:
波½如图 2 所示。
2)第二种情况
初始条件为:i
L
=0,u
c
=U
0
。方程的解为:
波½如图 3 所示。
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3)第三种情况
初始条件为:i
L
=I0,u
c
=U
0
。方程的解为:
波½如图 4 所示。
4)第四种情况
初始条件为:i
L
=I
0
,u
c
=0。方程的解为:
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波½如图 5 所示。
2.2
公式分析
上述公式中,β为衰减常数,
即为衰减项,ω 为固有周期。如果β越大,
'
减就越快。
一般来说,
这是我们所不希望的;
如果要½衰减变慢,
那么就要减少β,
即减少
R/2L。
其实,对高频开关来说,在几个μs 甚至更少时间里,其衰减是非常微小的,可不予考虑。至于
固有周期可根据需要,调整
L
C
的大小,½得ω 满足要求,即在要求的时间里给电容充电到
'
某一值或½电流过零点。另外,从
可知:电感和电容的值越小,谐振频率越高;
可知:在电阻
R
一定的情况之下,电容与
电感的比值越小,
R C/4L
就越大,
0
/ω 值就越小。
1-
ω
反之,
电容与电感的比值越大,
R C/4L
1-
就越小,甚至趋近于零,ω
0
/ω 就会变得非常大。因此,在谐振频率一定的情况下,电容和电感
的值一定要合适,½量½ω
0
/ω 小。½谐振技术应用到开关电源中,在初始条件不为零时的解,
'
'
2
'
2
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