LC串聯(lián)諧振拓?fù)錁?gòu)成與工作原理分析

LC串聯(lián)諧振拓?fù)?/strong>常用于高壓充電機(jī)及高壓電源的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)?；谒哂懈咝芰總鬏敗㈩l率選擇性、體積小型化以及可靠性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓充電電源、靜電駐極電源以及靜電除塵高壓電源等設(shè)備。

今天為大家?guī)?lái)的是LC串聯(lián)諧振變換器的電路結(jié)構(gòu)以及工作原理的講解，快和小編一起學(xué)習(xí)吧。

拓?fù)錁?gòu)成

本文以LC高壓充電電源為例，對(duì)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行講解。

LC高壓充電機(jī)包括原邊LC全橋串聯(lián)諧振電路、變壓器和副邊整流電路，參見(jiàn)下圖。

副邊電路常用的有全橋整流電路以及倍壓整流電路（如下圖)。全橋整流適用于大電流場(chǎng)景，對(duì)于小電流應(yīng)用場(chǎng)景可采用倍壓整流電路。

原邊全橋電路：包含輸入直流源Vin、輸入電容Cin、功率開(kāi)關(guān)管器件（Q1~Q4）、諧振電感以及諧振電容Cr，其中體二極管（D1~D4）以及寄生結(jié)電容（C1~C4）為功率開(kāi)關(guān)器件的自有部分。

副邊電路：包含整流二極管（DR1~DR10）及負(fù)載（Cd）等。

工作模式

在LC串聯(lián)諧振電路工作過(guò)程中有兩個(gè)關(guān)鍵頻率：開(kāi)關(guān)頻率fs和諧振頻率fr。

開(kāi)關(guān)頻率是指電路開(kāi)關(guān)器件控制信號(hào)頻率，而諧振頻率與電路的諧振電感與諧振電容有關(guān)：

根據(jù)電路的開(kāi)關(guān)頻率fs與諧振頻率fr的關(guān)系，LC串聯(lián)諧振拓?fù)潆娐贩譃槿N工作模式：

▍工作模式1：0s<0.5fr

電路工作在電流斷續(xù)工作模式（DCM），諧振電流波形如下圖。

該模式下，開(kāi)關(guān)器件Q1~Q4為零電流開(kāi)通（t=0及t3時(shí)刻），零電流關(guān)斷(t1、t4時(shí)刻)，二極管D1~D4為低損耗開(kāi)通和關(guān)斷。在這種模式下，開(kāi)關(guān)損耗低且電磁干擾小。

▍工作模式2：0.5frsr

電路工作在連續(xù)電流模式（CCM），諧振回路呈容性，諧振電流波形如下圖。

在這一工作模式下，Q1~Q4為硬開(kāi)通（t2、t4時(shí)刻），零電流關(guān)斷（t1、t3時(shí)刻）。為了減少反向恢復(fù)電流，二極管D1~D4必須有較好的反向恢復(fù)特性。

這一工作模式下?lián)p耗和電磁干擾較大。

▍工作模式3：frs

電路工作在連續(xù)電流模式（CCM），諧振回路呈感性，諧振電流波形如下圖。

在這一工作模式下，S1～S4為零電流開(kāi)通（t1、t3時(shí)刻），硬關(guān)斷（t2、t4時(shí)刻），給電路造成較大的損耗和電磁干擾，電路的輸出特性與恒流源的特性有所偏離。

工作原理

在實(shí)際工程中工作模式1與工作模式3應(yīng)用較多，其中工作模式1為脈沖頻率調(diào)制（PFM）方式串聯(lián)諧振，工作模式3為脈寬調(diào)制（PWM）方式串聯(lián)諧振。

這里以副邊全波整流電路結(jié)構(gòu)為例，分析電路在這兩種工作模式下的工作原理。

NO.1PFM模式原理

在半個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，LC諧振電路的一對(duì)開(kāi)關(guān)器件和續(xù)流二極管會(huì)完成一次諧振，每次諧振包含兩個(gè)工作過(guò)程，電路波形如下圖。

其中，Q1~Q4為開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)，iLr為諧振電感電流，v1為諧振電容兩端電壓，v2為負(fù)載電容等效至原端電壓。

t0~t1：此時(shí)Q1與Q4導(dǎo)通，電感電流大于零，原邊電流經(jīng)Q1、Lr、Cr、Q4流動(dòng)，給Cr充電，變壓器副端DR1、DR4導(dǎo)通，電流經(jīng)DR1、DR4給負(fù)載電容Cd充電；

t1~t2：t1時(shí)刻電感電流反向，原邊D1、D4導(dǎo)通續(xù)流，Cr放電，變壓器副端DR2、DR3導(dǎo)通，電流經(jīng)DR2、DR3給負(fù)載電容Cd充電；

t2~t3：t2時(shí)刻Cr放電結(jié)束，電感電流為零，此時(shí)Q2與Q3還未收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電路中并無(wú)器件導(dǎo)通，電路處于開(kāi)路狀態(tài)，負(fù)載Cd兩端電壓基本保持不變。

后半周期的諧振過(guò)程與前半周期類似，在此就不再贅述。

可見(jiàn)電路每次諧振都會(huì)給負(fù)載電容進(jìn)行充電，使其兩端電壓上升一個(gè)臺(tái)階，這種充電方式又稱為等臺(tái)階充電。

NO.2PWM模式原理

PWM方式串聯(lián)諧振充分發(fā)揮了PWM技術(shù)和諧振變換的優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)研究的一大熱點(diǎn)。

由于電路的諧振頻率和開(kāi)關(guān)頻率較高，充電電容在一個(gè)諧振周期中電壓變化非常微小。因此，可研究在PWM控制方式下輸出電壓不變的穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程。

t0~t1：此時(shí)Q1與Q4導(dǎo)通，原邊電流經(jīng)Q1、Lr、Cr、Q4流動(dòng)給Cr充電，變壓器副端DR1、DR4導(dǎo)通，電流經(jīng)DR1、DR4給負(fù)載電容Cd充電；

t1~t2：時(shí)刻Q1與Q4關(guān)斷，原邊D2、D3導(dǎo)通續(xù)流，諧振電流逐漸減小，變壓器副端DR1、DR4導(dǎo)通，電流經(jīng)DR1、DR4給負(fù)載電容Cd充電；

t2~t3：t2時(shí)刻諧振電流降為零，此時(shí)Q2與Q3還未收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電路中并無(wú)器件導(dǎo)通，電路處于開(kāi)路狀態(tài)，負(fù)載Cd兩端電壓基本保持不變。

副邊整流電路

LC串聯(lián)諧振電源若為低壓輸出（輸出電壓小于20kV）可直接采用整流電路，電路結(jié)構(gòu)如圖。

假設(shè)U1為輸出最高電壓，二極管/硅堆D1~D4直流反向耐壓應(yīng)為2U1，整流硅堆通流能力I應(yīng)大于等于5倍的輸出電流值。例如U1為20kV時(shí)，二極管可參考型號(hào)2CL40kV/5A。

在小電流充電的應(yīng)用場(chǎng)景里，可以采用多級(jí)倍壓整流電路獲得直流高壓。電路由電容與二極管構(gòu)成，10倍壓整流的參考電路如下圖。

U1為倍壓電路輸入電壓，U2為倍壓電路輸出電壓。兩者與倍壓等級(jí)n的關(guān)系為：U2=nU1（此處n=10)。

需要注意的是，二極管的耐壓值應(yīng)留3~4倍的裕量，即每個(gè)二極管耐壓應(yīng)不小于(3~4)U2/n，二極管通流參考值為5nIo。需要使用快恢復(fù)二極管，同時(shí)為防止短路燒二極管，選用的二極管最大浪涌需要盡量大。

電容的耐壓值可以留2.5~3倍的裕量來(lái)考慮，即(2.5~3)U2/n。電容容值則需根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率fs等綜合因素來(lái)考慮。

根據(jù)電荷量Q=C·U=I·t可得：

故電容參考值選擇應(yīng)大于Ion2/0.1U2fs。

其中，Io為輸出電流值，n為倍壓等級(jí)，U2為輸出電壓，fs為開(kāi)關(guān)頻率。

關(guān)于LC串聯(lián)諧振電路的工作原理今天就介紹到這里，相信大家也都對(duì)LC串聯(lián)諧振變換器的工作過(guò)程有了更好的了解。

后續(xù)我們將繼續(xù)帶領(lǐng)大家對(duì)LC串聯(lián)諧振拓?fù)溥M(jìn)行電路設(shè)計(jì)及電路仿真模型搭建，與大家一起對(duì)電路進(jìn)行仿真調(diào)試，驗(yàn)證電路的工作性能。