电流谐振

　　在电感和电容并联的电路中，当电容的大小恰恰使电路中的电压与电流同相位，即电源电能全部为电阻消耗，成为电阻电路时，叫作并联谐振。并联谐振也称为电流谐振。并联谐振是一种完全的补偿，电源无需提供无功功率，只提供电阻所需要的有功功率。谐振时，电路的总电流最小，而支路的电流往往大于电路的总电流，因此，并联谐振也称为电流谐振。

　　配电网电容电流谐振测量原理

　　 配电网正常运行时, 从消弧线圈的零序电压互感器注入变频电流信号 ,测量返回的电压信号,计算配电网的对地电容电流。测量接线如图 2 所示, 等效电路如图 3 所示 。等效电路中 , 很小 ,一般可以忽略,注入信号等值回路中消弧线圈感抗( )与三相电容(C= + + )并联.通过改变注入信号的频率, 使电感和电容发生并联谐振,当系统处于谐振状态时:

　　一种电流谐振PFM软开关DC- DC变换器

　　开关电源的发展趋势是集成化与小型化 ,把功率开关与控制电路、反馈电路集成于同一芯片 ,提高开关频率是其关键技术之一;开关频率的提高 ,必须采用高速开关元件 ,降低开关损耗。由于电路存在分布电感和分布电容 ,开关过程会出现较大的电流和电压浪涌 ,使功率器件由于过流或过压而造成损坏;同时也易引起较强的辐射干扰和传导干扰 ,影响周围电子设备的正常工作;且随开关频率的提高 ,开关损耗加大 ,开关电源本身效率和可靠性降低。 若采用 LC谐振电路 ,使加在开关两端的电压或流过开关的电流为正弦波 ,则能降低电路的浪涌电流和电压 ,使开关损耗接近于零 ,这是减小开关损耗、抑制浪涌电压和电流最有效的方式 ,称为谐振开关方式。 介绍一种带电流谐振电路的软开关 DC- DC变换器 ,给出实际电路。

　　电流谐振变换器

　　 在 PFM开关电路中接入 LC谐振电路 ,使寄生电容和电路的寄生电感作为谐振电路的一部分 ,流经开关的电流为部分正弦波 ,这种变换器称为电流谐振变换器 ,谐振电路与 PFM开关组合称为谐振开关。电路谐振开关中开关导通时电流脉冲宽度 由谐振电路决定 ,为了进行脉宽控制 ,需要保持导通时间 不变 ,改变开关的断开时间 ,即采用PFM方式。

　　主变换电路

　　主变换电路如图 1所示 ,由 、 、 、 及 、 、 构成谐振开关电路 ,开关 、 轮流导通 ,流经 、 的电流 为部分正弦波 ,保证 、 通断时 始终为零 ,提供零电流开关 ( ZCS)条件。若将后级电路作为一个整体 ,当负载回路滤波电感 >> 时 ,则可认为在每个谐振周期内负载电流 近似不变 ,则图 1可部分等效为图 2 。

　　电路工作过程分析

　　根据开关导通时 i s 的波形 ,可分为半波和全波电流谐振开关 ,图 2所示为全波电流谐振开关 ,其工作过程分为四种状态。 波形见图 3。

　　控制电路的实现

　　控制电路

　　采用专用控制器 GP605构成谐振开关电源控制电路。 GP605片内含 VCO和一单稳电路 , VCO是输出频率与输入电压有关的振荡器 ,单稳电路是产生恒定 脉冲的脉冲发生器。 此外 , GP605还有输入欠压、过压保护 ,输出过流保护、软启动电路及推挽驱动电路等。 利用 GP605的 15脚可获得输入电压过低或过高时自动断开电源的功能 ,不用此功能时 , 15脚取固定电压 2. 5 V; 13脚为 VCO控制电压输入端 ,电压高 VCO输出脉冲频率高; 12脚外接电容 C 5 用于电路的软启动 ,软启动时间约为 40 ms; 16脚为输出过流保护端子 ,由变压器对电流取样得到取样电压加到 16脚 , 16脚电压超过 3. 2V时 , GP605启动保护电路封锁输出脉冲;10脚为输出控制端子 , 10脚接地时 , 6、 8脚推挽输出 恒定、频率可调的脉冲。应用电路见图 4,为确保零电流开关条件 ,谐振电路 、 的选取需满足 = 0. 75( 2π ) 。 式中 , 为 、 的导通时间 ,由GP605第 9脚外接 、 决定。

　　控制过程

　　 控制流程如图 4所示 ,功率调节和稳压过程为: 当输出电流增大 , 下降时 ,输出电压取样与基准电压差值变大 ,其差值经误差放大 ,通过光耦控制 VCO, VCO输出 恒定的重复脉冲 ,使谐振开关工作; VCO输入电压越高 ,其输出开关频率越高 ,更多的能量输送到输出电路 ,使输出电压保持稳定。

　　实际应用

　　采用电流谐振开关 ,研制了 200 W部分谐振开关电源 ,其参数为: = 0. 8μs,= 200 W,满载时开关频率 f = 300 KHz,输出 36 V、± 15 V、 12 V四组电压 ,实测效率达 88% ,突然加载或减载时的动态性能较好。对此种电源的设计应注意: 一是由于频率较高 , MOSFET存在较大的输入电容 ,须仔细设计驱动电路 ,降低驱动电路阻抗;二是要正确测量与 值 ,要选用温度特性较好的电容 ,确保与、的关系成立;三是电路中二极管应选用反向恢复时间特别小的二极管 ,保证能与 MOSFET匹配使用。 实际电路见图 5,主回路由交流 220 V整流得到 300V直流供电 , GP605由辅助电源供给 12V电压。 图 5为全波电流谐振开关电路 ,谐振电感由变压器 漏感和组成 ,谐振电容由变压器 B1初级分布电容和、组成 ,消除了开关管感性关断时的电压浪涌 ,抑制了漏感引起的感应电势导致的电压尖刺和噪声 ,改善了变压器的EMI 特性;谐振开关、 上反向并联快恢复二极管、,使谐振电流双向流动 ,开关导通时 ,能量从电源传输到主回路 ,负载轻时 ,大部分能量从主回路返回电源;负载重时 ,只有小部分能量返回电源 ,使输出电压不随负载变化 ,具有较好的动态性能。同时 ,开关、始终处在零电流通、断 ,减小了开关损耗 ,提高了变换器效率。 此电源已在 100 kV· A变频调速系统中应用 ,运行效果较好。

　　结束语

　　世界各地正在大力研制开发新型开关电源 ,不断地向高频化、线路简单化和控制电路集成化方向发展。 采用软开关技术 ,实现 DC- DC功率变换 ,在提高开关频率的同时 ,能有效地抑制电路的电流和电压浪涌 ,减小开关损耗 ,提高电源效率和可靠性 ,是实现开关电源高频化、集成化的一种有效的方法 ,具有较好的应用前景。2

　　本词条内容贡献者为:

　　张磊 - 副教授 - 西南大学