谐振式开关电源电路的谐振条件及特点

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作为一种常见的电源电路设计方案，谐振式开关电源具有独特的工作原理和优势。了解谐振式开关电源电路的谐振条件和特点，对于优化电路性能和提高能量转换效率至关重要。在接下来的分享中，我将带大家深入剖析谐振式开关电源电路的谐振条件以及突出的特点。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，甚至接近于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。

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接近矩形波。

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：

图2：L型零电流谐振开关（中半波，右全波）

图3：M型零电流谐振开关（中半波，右全波）

这里的L1用于限制di/dt，C1用于传输能量，在开关导通时，构成串联谐振。用零电流开关替代PWM电路的半导体开关，可以组成谐振式变换器电路。按照Buck电路的拓补结果，可以得到如下电路：

图4：Buck型准谐振ZCS变换器（L型）

图5：Buck型准谐振ZCS变换器（M型）

这里，我们分析一下L型电路的工作过程。

假定这是一个理想器件组成的电源。L2远大于L1，从L2左侧看，可以认为流过L2、C2、RL的输出电流是一个恒流源，电流I0。谐振角频率：

ω0=1/√L1C1 。

特性阻抗：

Z0 =√L1/C1）。

动态过程如下：

1．线性阶段（t0-t1）：

在S导通前，VD2处于续流阶段。此时VVD2=VC1=0。S导通时，L1电流由0开始上升，由于续流没有结束，此时初始VL1=Vi。

由VL1=Vi=L1di/dt，且L1初始电流为0，有：

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

到t1时刻，达到负载电流I0，因此：

此阶段持续时间：

T1=t1-t0=L1I0/Vi

由式1，可以看出，此阶段i1是时间的线性函数。

2．谐振阶段（t1-t2）：

在电流i1上升期间，当i1小于I0时，由于i1无法供应恒流I0，续流过程将维持。当i1=I0时，将以i1-I0对C1充电，VD2开始承受正压，VD2电流下降并截止。L1、C1开始串联谐振，i1 因谐振继续上升。

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为谐振电流。

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

谐振到ta时刻，谐振电流归零。如为半波开关，则开关自行关断；如果是全波开关，开关关断后，将通过VD1进行阻尼振荡，将电容能量馈送回电源，到时刻tb电流第二次为0。本阶段结束，这时的时刻为t2。

VC1在i1谐振半个周期，i1=I0时，达最大值。i1第一次过零（ta）时，S断开。如为半波开关，则谐振阶段结束。如为全波开关，C1经半个周期的阻尼振荡到电流为0（tb）时，将放电到一个较小值。

从式2、3，可以看出谐振阶段ta前，i1、VC1是时间的正弦函数；如为全波开关，还有一段时间的阻尼振荡波。

3．恢复阶段（t2-t3）：

由于VC1滞后1/4个谐振周期，因而在t2后，因L2的作用还将继续向负载放电，直至VC1=0。这阶段，如考虑电流方向性：

I0=-C1dVC1/dt

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

因此，这个阶段的VC1是时间的线性函数，电压从VC1（t2）逐步下降到零。如为半波开关，则开关分压也将线性上升到输入电源值。

4．续流阶段（t3-t4）：

当电容放电到零后，VD2因反压消失而导通，对L2及负载进行续流，以保持电流I0连续。

此时，我们可以根据电路的要求，选择在适当时间再次开通S，重新开始线性阶段。

根据以上导出的各公式，可以得到如下的波形图：

图2-18：半波ZCS开关波形 全波ZCS开关波形

从以上分析可以看出，ZCS谐振开关变换器的开关管总是在电流为0时进行切换。

实际情况与理想分析有所不同，VC1将有所超前

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