串联谐振电路是由电感和电容串联而成,当电路在某一特定频率下工作时,会展现出的阻抗特性。在谐振变换中,谐振腔与负载之间形成了一种电压分压的关系。通过调整输入谐振腔的频率,可以改变谐振腔的阻抗,进而影响输入电压在谐振腔和负载之间的分配。由于是串联分压方式,SRC电路的直流增益始终小于1。在谐振点处,谐振腔的阻抗降至,使得几乎所有的输入电压都落在负载上,从而实现最大的增益。
工作区域主要位于谐振点fr的右侧。当变换器在直流增益曲线斜率为负的区域工作时,它处于零电压开关模式;而在斜率为正的区域工作时,则处于零电流工作模式。从工作区域可以看出,在轻载情况下,为了维持稳定的输出电压,开关频率需要升高到较高的水平,这是串联谐振面临的一个挑战。为了解决轻载时的电压稳定问题,需要采用其他控制方法。
当系统在Vin=300v时工作在谐振点附近时,随着输入电压的进一步提升,系统的工作频率将逐渐超出谐振频率。随着谐振频率的增加,谐振腔的阻抗也会相应增大,这意味着更多的能量在谐振腔内循环,而非传递到副边输出。
当输入电压为300V时,谐振腔内流动的能量相较于400V时明显减少。在每个开关周期中,这些谐振能量都会在谐振腔内循环,并最终回送到输入端。回送的能量越多,半导体器件所承受的应力也就越大,同时环路中的能量损失也会相应增加。此外,从仿真波形中还可以观察到,在300V输入时,MOSFET的关断电流显著降低。然而,当输入电压提升至400V时,关断电流会急剧上升,接近PWM变换的最大电流,从而导致关断损耗显著增加。
面临的主要挑战包括:轻载条件下的调整率问题、高谐振能量带来的影响,以及高输入电压导致的关断电流增大。
2. 并联谐振电路的阻抗匹配
在变压器副边加入一个电感,是为了与变压器原边的电容进行阻抗匹配。这样做的目的是为了优化电路的性能,确保谐振腔能够高效、稳定地工作。
工作区域被精心设定在谐振点的右侧,旨在实现零电压开关。相较于串联谐振,这一工作区域更为紧凑。正是这一特性,使得并联谐振在轻载情况下无需大幅调整开关频率便能维持输出电压的稳定。因此,并联谐振几乎不存在轻载调整率的问题。
在300V的输入条件下,谐振频率点附近的工作区域与串联谐振相似。通过仿真波形可以明显观察到,并联谐振腔体内的能量循环量显著增加。同时,在Mosfet流过时,我们发现300V输入下的串联谐振关断电流明显小于并联谐振。当输入电压提升至400V时,关断电流更是超过15A,这一数值甚至超越了PWM变换的电流水平。
值得注意的是,由于负载与谐振电容并联连接,即便在无负载状态下,仍会存在一个极小的串联谐振阻抗。这意味着,即便负载为零,仍然会有大量谐振能量在循环流动。
3. 串并联谐振电路
串并联谐振电路融合了串联和并联谐振电路的优点,与并联谐振类似,它通过在副边添加一个电感来进行阻抗匹配。在串并联谐振中,负载与由Lr和Cs构成的串联谐振腔相串联,这使得循环能量相较于并联谐振大大减少。同时,得益于并联电容Cp的作用,串并联谐振能够在轻载情况下保持输出电压的稳定。
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