1.串聯(lián)諧振概述

 華意電力是一家專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)串聯(lián)諧振的廠(chǎng)家，本公司生產(chǎn)的串聯(lián)諧振在行業(yè)內都廣受好評，以打造最具權威的“串聯(lián)諧振“高壓設備供應商而努力。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、諧振型開(kāi)關(guān)變換技術(shù)使得大功率、高頻化電源的實(shí)現成為可能，它應用諧振的原理，使開(kāi)關(guān)器件中的電流(或電壓)按正弦或準正弦規律變化采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，其實(shí)質(zhì)就是在主開(kāi)關(guān)上增加電感和電容等儲能元件構成諧振電路.當變換器主開(kāi)關(guān)進(jìn)行換流時(shí)產(chǎn)生諧振，迫使主開(kāi)關(guān)上的電壓或電流變?yōu)榱?，從而為主開(kāi)關(guān)提供一個(gè)零電壓或零電流的開(kāi)關(guān)環(huán)境。最理想的軟開(kāi)通過(guò)程:電壓先下降到零后，開(kāi)通主管，電流上升到通態(tài)值，開(kāi)通損耗近似為零。另外，因器件開(kāi)通前電壓已下降到零，器件結電容上的電壓亦為零，故解決了容性開(kāi)通問(wèn)題.這意味著(zhù)二極管已經(jīng)截止，其反向恢復過(guò)程結束，因此二極管反向恢復問(wèn)題亦不復存在.最理想的軟關(guān)斷過(guò)程:電流先下降為零開(kāi)通主管電壓上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零.由于器件關(guān)斷前電流已下降到零，即線(xiàn)路電感中電流為零，所以感性關(guān)斷問(wèn)題得以解決。它不僅可以解決硬開(kāi)關(guān)變換器中的硬開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題、容性開(kāi)通問(wèn)題、感性關(guān)斷問(wèn)題及二極管反向恢復問(wèn)題，而且還能解決由硬開(kāi)關(guān)引起的EMI等問(wèn)題。

本課題研究的電源功率為32kW，工作頻率為5kHz~20kHz,為了減小高頻時(shí)開(kāi)關(guān)器件的損耗，采用串聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使得開(kāi)關(guān)器件能夠實(shí)現零電流關(guān)斷，其主電路原理圖如圖 1所示：

圖1 全橋串聯(lián)諧振式電路原理圖

2.串聯(lián)諧振原理分析

為了減小開(kāi)關(guān)損耗，在電路工作中，使得開(kāi)關(guān)頻率小于或等于諧振頻率的一半，使電流工作在斷續狀態(tài)。

結合上面的分析，我們對圖 1電源主回路等效原理圖的工作模態(tài)進(jìn)行計算分析。

圖2 等效電路模型

圖 3  電流斷續工作方式的主要波形

設電感L1電流為i，電容C1電壓為U1，電源一個(gè)諧振周期內各個(gè)模態(tài)圖如圖4所示，電源工作波形如圖 3所示。電路工作特點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)頻率fs必須低于諧振頻率fr的一半，保持主回路串聯(lián)諧振條件恒定不變，使整個(gè)電路工作于不連續導電模式。對于主電路中的逆變電路，采用脈沖頻率調制（PFM）改變開(kāi)關(guān)頻率，驅動(dòng)脈沖滿(mǎn)足：在正常的導通情況下，加在逆變開(kāi)關(guān)上的驅動(dòng)信號應該是互補的，即當第一組(VD1與VD4)開(kāi)管導通時(shí)，第二組開(kāi)關(guān)(VD2與VD3)截止；第二組開(kāi)通時(shí)，第一組截止。電路具體工作流程分析如下：首先假定輸入的濾波電容的容量足夠大，在逆變過(guò)程中其上的電壓E基本保持不變，由于儲能電容遠大于諧振電容，可以把每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期看成是恒壓源電壓不斷上升的過(guò)程。這樣可以將圖1中的電路的工作過(guò)程等效為4個(gè)工作模態(tài)，其中U0=Uco/K，Uco為負載電壓，K為高頻變壓器的變比。以圖2（a）中電流方向為正，則等效電路滿(mǎn)足2-1和2-2式：

開(kāi)通Q1、Q4，電流i正向移動(dòng)，L1與C1諧振，到t1時(shí)刻i過(guò)零，U1達到最大值，電路進(jìn)入第二模態(tài)。

模態(tài)2的等效電路如圖2（b）所示，電流i反向，流過(guò)功率管Q1、Q4的體二極管VD1、VD4，且數值逐漸增大，U1逐漸減少，t2時(shí)刻關(guān)斷Q1、Q4，由于此時(shí)VD1、VD4導通，故Q1、Q4屬零電流關(guān)斷。模態(tài)2的初始條件為i(t1)=0，U1(t1)=2E，U0(t1)大于零。其中，U0是模態(tài)1結束后負載電容C0上的電壓值折算到變壓器原邊的數值。電路方程：

t6時(shí)刻i到零，Q2、Q3零電流關(guān)斷。t7時(shí)刻VD2、VD3自然關(guān)斷，模態(tài)4結束。

分析4個(gè)模態(tài)的方程，可以看出電流i峰值的變化規律，   Im(1)=E/Zr，     Im(3)=︱-(E+ U0)/Zr︱，與Im(1)相比，Im(3)有所增加。Im(2)=︱(U0-E)/Zr︱，Im(4)= ︱(E- U0)/Zr︱，后式中U0的值比前式的大，因此，與Im(2)相比，Im(4)有所減少。若列出下一個(gè)諧振周期的電路方程，同樣有此規律。這樣隨著(zhù)諧振次數的增加，儲能電容上的電壓也隨之增加到設定值。

從上面的推導可以看出：

①輸出電流的幅值在輸入電壓E和諧振參數一定時(shí)，僅與負載電容折算到原邊的電壓值有關(guān)，而在一個(gè)諧振周期內的電流有效值是不變的。

②固定開(kāi)關(guān)導通脈沖寬度ton不變，開(kāi)關(guān)頻率小于或等于諧振頻率的二分之一，采用脈沖頻率調制（PFM）改變開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)時(shí)間，電路維持在電流斷續的工況，從而保持諧振條件的不變。

③一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的高頻變壓器的原邊電流有效值隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的增大而增大，從而耦合到高頻變壓器副邊的電流也隨之增大，因此實(shí)現通過(guò)調節逆變器件的驅動(dòng)脈沖周期來(lái)改變負載電容的充電電流。

3.串聯(lián)諧振參數的計算

理論計算時(shí)，可以選取上面分析的四種模態(tài)中一種，列出微分方程，然后依據每一種模態(tài)的初始條件，求解微分方程就可以得到電感和電容值。這里給出工程上的一種計算方法。

4.串聯(lián)諧振實(shí)驗驗證

圖 5 電流斷續工作方式的主要波形

根據設計的諧振電感和電容值，可得到系統的串聯(lián)諧振頻率約為50kHz,由實(shí)驗結果可以得到實(shí)際電源系統的諧振頻率為66.7kHz,這是由于系統中脈沖變壓器和寄生電感、分布電容以及開(kāi)關(guān)器件的寄生電感和電容引起的。開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz，保證了開(kāi)關(guān)頻率始終小于諧振頻率的一半，整個(gè)電路電流始終工作于不連續導電模式。

由圖5所示，電流波形趨近于正弦，在調頻過(guò)程中，必須控制脈沖的關(guān)斷時(shí)間在電流為負的時(shí)間里才能實(shí)現零電流關(guān)斷，無(wú)法實(shí)現軟開(kāi)通。

5.串聯(lián)諧振小結

(1).結合課題本身，文中詳細分析了單相全橋串聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)的工作原理以及諧振參數的計算。

(2).通過(guò)MATLAB軟件仿真，證明了此方案的可行性并優(yōu)化了方案的設計。

(3).應用串聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的電源已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功，并且已經(jīng)有多臺產(chǎn)品投入實(shí)際應用。