電流諧振

配電網正常運行時, 從消弧線圈的零序電壓互感器注入變頻電流信號 ,測量返回的電壓信號,計算配電網的對地電容電流。測量接線如圖 2 所示, 等效電路如圖 3 所示 。等效電路中

,

很小 ,一般可以忽略,注入信號等值迴路中消弧線圈感抗(

)與三相電容(C=

+ + )並聯.通過改變注入信號的頻率, 使電感和電容發生並聯諧振,當系統處於諧振狀態時:

開關電源的發展趨勢是集成化與小型化 ,把功率開關與控制電路、反饋電路集成於同一芯片 ,提高開關頻率是其關鍵技術之一;開關頻率的提高 ,必須採用高速開關元件 ,降低開關損耗。由於電路存在分佈電感和分佈電容 ,開關過程會出現較大的電流和電壓浪湧 ,使功率器件由於過流或過壓而造成損壞;同時也易引起較強的輻射干擾和傳導干擾 ,影響周圍電子設備的正常工作;且隨開關頻率的提高 ,開關損耗加大 ,開關電源本身效率和可靠性降低。 若採用 LC諧振電路 ,使加在開關兩端的電壓或流過開關的電流為正弦波 ,則能降低電路的浪湧電流和電壓 ,使開關損耗接近於零 ,這是減小開關損耗、抑制浪湧電壓和電流最有效的方式 ,稱為諧振開關方式。 介紹一種帶電流諧振電路的軟開關 DC- DC變換器 ,給出實際電路。

在 PFM開關電路中接入 LC諧振電路 ,使寄生電容和電路的寄生電感作為諧振電路的一部分 ,流經開關的電流為部分正弦波 ,這種變換器稱為電流諧振變換器 ,諧振電路與 PFM開關組合稱為諧振開關。電路諧振開關中開關導通時電流脈衝寬度 由諧振電路決定 ,為了進行脈寬控制 ,需要保持導通時間 不變 ,改變開關的斷開時間 ,即採用PFM方式。

主變換電路如圖 1所示 ,由

、

、

、

及

、

、

構成諧振開關電路 ,開關

、

輪流導通 ,流經

、

的電流

為部分正弦波 ,保證

、

通斷時

始終為零 ,提供零電流開關 ( ZCS)條件。若將後級電路作為一個整體 ,當負載迴路濾波電感

>>

時 ,則可認為在每個諧振週期內負載電流

近似不變 ,則圖 1可部分等效為圖 2 。

根據開關導通時 i s 的波形 ,可分為半波和全波電流諧振開關 ,圖 2所示為全波電流諧振開關 ,其工作過程分為四種狀態。 波形見圖 3。

採用專用控制器 GP605構成諧振開關電源控制電路。 GP605片內含 VCO和一單穩電路 , VCO是輸出頻率與輸入電壓有關的振盪器 ,單穩電路是產生恆定

脈衝的脈衝發生器。 此外 , GP605還有輸入欠壓、過壓保護 ,輸出過流保護、軟啓動電路及推輓驅動電路等。 利用 GP605的 15腳可獲得輸入電壓過低或過高時自動斷開電源的功能 ,不用此功能時 , 15腳取固定電壓 2. 5 V; 13腳為 VCO控制電壓輸入端 ,電壓高 VCO輸出脈衝頻率高; 12腳外接電容 C 5 用於電路的軟啓動 ,軟啓動時間約為 40 ms; 16腳為輸出過流保護端子 ,由變壓器對電流取樣得到取樣電壓加到 16腳 , 16腳電壓超過 3. 2V時 , GP605啓動保護電路封鎖輸出脈衝;10腳為輸出控制端子 , 10腳接地時 , 6、 8腳推輓輸出

恆定、頻率可調的脈衝。應用電路見圖 4,為確保零電流開關條件 ,諧振電路

、

的選取需滿足

= 0. 75( 2π

) 。 式中 ,

為

、

的導通時間 ,由GP605第 9腳外接

、

決定。

控制流程如圖 4所示 ,功率調節和穩壓過程為: 當輸出電流增大 ,

下降時 ,輸出電壓取樣與基準電壓差值變大 ,其差值經誤差放大 ,通過光耦控制 VCO, VCO輸出 恆定的重複脈衝 ,使諧振開關工作; VCO輸入電壓越高 ,其輸出開關頻率越高 ,更多的能量輸送到輸出電路 ,使輸出電壓保持穩定。

採用電流諧振開關 ,研製了 200 W部分諧振開關電源 ,其參數為:

= 0. 8μs,

= 200 W,滿載時開關頻率 f = 300 KHz,輸出 36 V、± 15 V、 12 V四組電壓 ,實測效率達 88% ,突然加載或減載時的動態性能較好。對此種電源的設計應注意: 一是由於頻率較高 , MOSFET存在較大的輸入電容 ,須仔細設計驅動電路 ,降低驅動電路阻抗;二是要正確測量

與

值 ,

要選用温度特性較好的電容 ,確保

與

、

的關係成立;三是電路中二極管應選用反向恢復時間

特別小的二極管 ,保證能與 MOSFET匹配使用。 實際電路見圖 5,主迴路由交流 220 V整流得到 300V直流供電 , GP605由輔助電源供給 12V電壓。 圖 5為全波電流諧振開關電路 ,諧振電感由變壓器

漏感和

組成 ,諧振電容由變壓器 B1初級分佈電容和

、

組成 ,消除了開關管感性關斷時的電壓浪湧 ,抑制了漏感引起的感應電勢導致的電壓尖刺和噪聲 ,改善了變壓器的EMI 特性;諧振開關

、

上反向並聯快恢復二極管

、

,使諧振電流雙向流動 ,開關導通時 ,能量從電源傳輸到主迴路 ,負載輕時 ,大部分能量從主迴路返回電源;負載重時 ,只有小部分能量返回電源 ,使輸出電壓不隨負載變化 ,具有較好的動態性能。同時 ,開關

、

始終處在零電流通、斷 ,減小了開關損耗 ,提高了變換器效率。 此電源已在 100 kV· A變頻調速系統中應用 ,運行效果較好。

世界各地正在大力研製開發新型開關電源 ,不斷地向高頻化、線路簡單化和控制電路集成化方向發展。 採用軟開關技術 ,實現 DC- DC功率變換 ,在提高開關頻率的同時 ,能有效地抑制電路的電流和電壓浪湧 ,減小開關損耗 ,提高電源效率和可靠性 ,是實現開關電源高頻化、集成化的一種有效的方法 ,具有較好的應用前景。 ^[2]