諧振技術(shù)及其應(yīng)用

摘要：首先介紹了硬開關(guān)電路的缺陷，引出諧振技術(shù)，然后詳細分析了基本電路在不同的初始條件下的工作情況，接著分析了諧振參數(shù)間的關(guān)系及其會帶來的問題。最后，介紹了該技術(shù)的應(yīng)用，同時分析該技術(shù)在變換器中存在的問題。

關(guān)鍵詞：硬開關(guān)；軟開關(guān)；諧振技術(shù)

Resonant Technique and Its Application

SUN Ze, WANG Gang

Abstract:The faults of hard switching circuit are first analyzed, then the resonant technique by using a basic circuit is introduced and the relation between the resonant parameters and questions produced possibly are analyzed. At last, its application and existing questions in converter are presented.

Keywords:Hard switching; Soft switching; Resonant technique

中圖分類號：TN86文獻標(biāo)識碼：B文章編號：0219－2713(2002)3－0093－04

1 引言

在開關(guān)電源中，通常采用磁性元件（如鐵心電感、變壓器等）實現(xiàn)交流/直流側(cè)的濾波，能量存儲和傳輸。這些磁性元件在電源裝置的體積、重量、成本中占有很大比重。開關(guān)器件的工作頻率越高，磁性元件的尺寸就可以越小，電源裝置的小型化、輕量化、低成本化就越容易實現(xiàn)。但是，傳統(tǒng)的PWM變換器中的開關(guān)器件工作在硬開關(guān)狀態(tài)，存在很多缺陷：

1）開通和關(guān)斷損耗大；

2）感性關(guān)斷問題；

3）容性開通問題；

4）二極管反向恢復(fù)問題。

由于硬開關(guān)工作時存在上述四大缺陷，所以使開關(guān)器件工作頻率的提高受到限制，從而電源裝置的小型化、輕量化、低成本化也就不易實現(xiàn)。克服以上缺陷的有效辦法就是應(yīng)用軟開關(guān)（SoftSwitching，簡稱SS）技術(shù)。最理想的軟開通過程是：電壓先下降到零后，電流再緩慢上升到通態(tài)值，所以導(dǎo)通損耗近似為零。另外，因器件導(dǎo)通前電壓已下降到零，器件結(jié)電容上的電壓亦為零，因而解決了容性開通問題，這意味著二極管已經(jīng)截止，其反向恢復(fù)過程結(jié)束，因此二極管反向恢復(fù)問題亦不復(fù)存在。最理想的軟關(guān)斷過程是：電流先下降到零，電壓再緩慢上升到斷態(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，即線路電感中電流亦為零，所以感性關(guān)斷問題得以解決。事實上，這兩個過程要么存在感性關(guān)斷問題，要么存在容性開通問題。也就是說，僅僅利用一個電感或電容是不能根本解決問題的，所以最好的情況應(yīng)當(dāng)是使開關(guān)在電壓和電流同時為零時關(guān)斷和開通，損耗才會真正為零。而要實現(xiàn)這個目標(biāo)，就要用到諧振技術(shù)。

2 諧振技術(shù)

2.1 諧振過程

根據(jù)電路原理，電感電容串聯(lián)或并聯(lián)可構(gòu)成諧振電路，使得在電源為直流電源時，電路中的電流按正弦規(guī)律變化。由于電流或電壓按正弦規(guī)律變化，存在過零點，如果我們能夠在這一時刻開通或關(guān)斷，產(chǎn)生的損耗就為零。下面就分析電源里用得最多的二次串聯(lián)諧振電路，對其在初始情況不同時的工作情況進行討論?；倦娐啡鐖D1所示。

圖1 基 本 二 次 串 聯(lián) 諧 振 電 路

假定電容C上的電壓為uC，電感L中的電流為iL，電源電壓為Us。于是，該電路的微分方程為：

L(di/dt)＋Ri＋uc=Us （1）

i=C(duc/dt) （2）

將式（2）代入式（1），得

LC(d2uc2/dt2)＋RC(duc/dt)＋uc=Us （3）

式（3）對應(yīng)的齊次方程為：

LC(d2uc2/dt2)＋RC(duc/dt)＋uc=0 （4）

該齊次方程對應(yīng)的特征方程為：

LCs2＋RCs＋1=0 （5）

在R條件下，求得方程的解為：

s1=－β＋jω′

s2=－β－jω′ （6）

式中：β=R/2L；

ω′=；

ω0=。

于是，式（4）的解為：

=e－βt(A1cosω′t＋A2sinω′t) （7）

很顯然，uc=Us是方程的一個特解，即

=Us （8）

可得，式（3）的通解為：

uc=y=＋

=e－βt(A1cosω't＋A2sinω't)＋Us （9）

下面分別討論該電路在不同初始條件下的解以及相應(yīng)的電壓電流波形：

1）第一種情況

初始條件為：iL=0，uc=0。方程的解為：

uc=－e－βtsin(ω't＋ arctan)＋Us (10)

iL=e－ βtsin(ω't) （11）

波形如圖2所示。

圖2 初 始 條 件iL=0，uc=0時uc，iL波 形