諧振技術及其應用

2.2 公式分析

上述公式中，β為衰減常數(shù)，e－ βt即為衰減項，ω'為固有周期。如果β越大，e－ βt衰減就越快。一般來說，這是我們所不希望的；如果要使衰減變慢，那么就要減少β，即減少R/2L。其實，對高頻開關來說，在幾個μs甚至更少時間里，其衰減是非常微小的，可不予考慮。至于固有周期可根據(jù)需要，調整L和C的大小，使得ω'滿足要求，即在要求的時間里給電容充電到某一值或使電流過零點。另外，從ω0=可知：電感和電容的值越小，諧振頻率越高；從ω0/ω'==可知：在電阻R一定的情況之下，電容與電感的比值越小，1－R2C/4L就越大，ω0/ω'值就越小。反之，電容與電感的比值越大，1－R2C/4L就越小，甚至趨近于零，ω0/ω'就會變得非常大。因此，在諧振頻率一定的情況下，電容和電感的值一定要合適，盡量使ω0/ω'小。當諧振技術應用到開關電源中，在初始條件不為零時的解，可能會再疊加一個大于某值〔該值同初值相等或相當，如Us，U0－Us，見式（12）～（17）〕的值，使開關的應力增加，同時使開關的損耗也加大。

3 實際應用

諧振技術應用到開關電源中時，可根據(jù)各電源的拓撲結構的特點，再結合設計者的要求（是否要讓電感中的電流經(jīng)過一定時間后為零，再關斷器件），采用上面四種情況中一種或幾種構造出相應的電路，得到相應的諧振變換器。下面舉例分析其應用：

1）用第三種情況實現(xiàn)Buck電路開關的零電流關斷。電路拓撲如圖6所示。

圖6 實 現(xiàn)Buck電 路 開 關 的 零 電 流 關 斷

相關工作情況分析：開關Sr斷開時，二極管D續(xù)流。當開關Sr閉合后，iLr線性上升，續(xù)流二極管D中的電流則線性下降。當iLr=Io時，二極管D截止。Cr開始通過Lr和D2充電。此時，Cr和Lr串聯(lián)諧振。在iLr上升到最大值后再下降到I0后，D2截止（受反壓）。經(jīng)過一個恒定階段后，開關Sr1導通，Cr開始放電，iLr逐漸減小至零并變負。如果在過零點關斷開關Sr，損耗將為零。這就是我們要得到的零電流關斷電源。

2）用第三和第四種情況在降壓軟開關——PWM變換器中的應用。其電路拓撲如圖7所示。

圖7 降 壓 軟 開 關— PWM變 換 器

其工作情況為：在S1和S2均關斷時，續(xù)流二極管D導通。開通S2，于是Lr中的電流線性增加經(jīng)過一段時間達到Io。此時，續(xù)流二極管D截止，Lr和Cr開始諧振，Cr兩端的電壓逐漸下降，經(jīng)過一段時間降為零，在此時D1導通，諧振電流線性下降。如果在這個期間開通S1，實現(xiàn)的是零電壓開通。接著，諧振電流繼續(xù)下降，當下降到Io時D1截止。由于S1已經(jīng)開通，ir仍將繼續(xù)下降直至零。關斷S2，即以零電流關斷，損耗為零。

4 問題分析

諧振變換器是最適應高頻化的電路，但是在使用諧振變換器時，必須解決以下幾個問題：其一，頻率固定情況下，電壓難以調整；其二，開關器件的應力問題；其三，L和C的發(fā)熱問題。其中，電壓調整的問題最難解決。通過開關的電流寬度ton（對于電流諧振方式），以及加在開關上的電壓寬度toff（對于電壓諧振方式），都分別由諧振電路確定。因此，要控制占空比D，就必須改變周期T，即開關頻率f。然而，改變開關頻率也將伴隨著開關通斷產(chǎn)生的噪聲譜的改變，這就不利于噪聲的抑制。另外，決定變換器體積的磁性元件和電容器要按最低頻率設計，這樣就未必能小型化。電流諧振時，正弦波的輸出電流峰值隨負載成比例增大。因此，開關器件的耗散功率與驅動功率隨之增大。電壓諧振時，截止狀態(tài)加在開關上的電壓波形的峰值也隨負載增大，因此，需要選用高耐壓的開關器件。為此，可采用輔助開關對電流或電壓進行箝位，以減輕開關器件上的應力。對于諧振變換器，除了加在開關器件上的應力以外，還有構成諧振電路的L和C的負擔問題。特別是重負載，L與C上加上過高電壓，使電流的振幅增大，從而高頻損耗增加。所以，為控制L的發(fā)熱和實現(xiàn)小型化，要開發(fā)高頻特性好、熱阻抗低，而且能確保一定導磁率和矯頑力的磁性材料。另外，要開發(fā)對高頻有足夠的電流容量、等效串聯(lián)電阻足夠小的電容。

5 結論

只要認真研究開關電路的特點，結合電容、電感串并聯(lián)在不同初始條件下工作的特點，構造出相應的電路，應用到變換器中，以實現(xiàn)不同的技術要求。此外，還應當注意克服諧振帶來的負面影響，如元器件的電壓應力變大，可應用箝位技術加以限制。