谐振式开关电源电路谐振的条件及其特点

时间：2023-07-26 阅读：675

电路的谐振现象

为了更好地理解谐振式电源，这里回忆一下电路谐振的条件及其特点。

一、串联电路的谐振

一个R、L、C串联电路，在正弦电压作用下，其复阻抗：

Z=R+j(ωL-1/ωC)

一定条件下，使得XL=XC，即ωL=1/ωC ，Z=R，此时的电路状态称为串联谐振。

明显地，串联谐振的特点是：

1．阻抗角等于零，电路呈纯电阻性，因而电路端电压U和电流I同相。

2．此时的阻抗最小，电路电流有效值达到最大。

3．谐振频率：ωo=1/√LC 。

4．谐振系数或品质因素：

Q=ωoL/R=1/ωoCR=（√L/C）/R。

由于串联谐振时，L、C电压彼此抵消，因此也称为电压谐振。从外部看，L、C部分类似于短路。

而此时Uc、UL是输入电压U的Q倍。Q值越大，振荡越强。

这里的Z0=√L/C，我们称为特性阻抗，它决定了谐振的强度。

5．谐振发生时，C、L中的能量不断互相转换，二者之间反复进行充放电过程，形成正弦波振荡。

二、并联电路的谐振

一个R、L、C并联电路，在正弦电压作用下，其复导纳：

Y=1/R-j(1/ωL-ωC)

一定条件下，使得YL=YC，即1/ωL=ωC ，Y=1/R，此时的电路状态称为并联谐振。

明显地，串并谐振的特点是：

1．导纳角等于零，电路呈纯电阻性，因而电路端电压U和电流I同相。

2．此时的导纳最小，电路电流有效值达到最小。

3．谐振频率：ωo=1/√LC 。

4．由于并联谐振时，L、C电流彼此抵消，因此也称为电流谐振。从外部看，L、C部分类似于开路，L、C各自有效电流却达到最大。

5．谐振发生时，C、L中的能量不断互相转换，二者之间反复进行充放电过程，形成正弦波振荡。

谐振式电源是新型开关电源的发展方向。它利用谐振电路产生正弦波，在正弦波过零时切换开关管，从而大大提高了开关管的控制能力，并减小了电源体积。同时，也使得电源谐波成分大为降低。另外，电源频率得到大幅度提高。PWM一般只能达到几百K，但谐振开关电源可以达到1M以上。

普通传统的开关电源功率因素在0.4-0.7，谐振式电源结合功率因素校正技术，功率因素可以达到0.95以上，甚至接近于1。从而大大抑制了对电网的污染。

这种开关电源又分为：

1．ZCS——零电流开关。开关管在零电流时关断。

2．ZVS——零电压开关。开关管在零电压时关断。

在脉冲调制电路中，加入L、C谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。

ZCS电流谐振开关中，Lr、Cr构成的谐振电路通过Lr的谐振电流通过S，我们可以控制开关在电流过零时进行切换。这个谐振电路的电流是正弦波，而Us为矩形波电压。

这里的L1用于限制di/dt，C1用于传输能量，在开关导通时，构成串联谐振。用零电流开关替代PWM电路的半导体开关，可以组成谐振式变换器电路。