串聯諧振軟開關技術在ESP電源中的應用研究

1.概述

軟開關技術、諧振型開關變換技術使得大功率、高頻化電源的實現成為可能，它應用諧振的原理，使開關器件中的電流(或電壓)按正弦或準正弦規律變化采用軟開關技術，其實質就是在主開關上增加電感和電容等儲能元件構成諧振電路.當變換器主開關進行換流時產生諧振，迫使主開關上的電壓或電流變為零，從而為主開關提供一個零電壓或零電流的開關環境。最理想的軟開通過程:電壓先下降到零后，開通主管，電流上升到通態值，開通損耗近似為零。另外，因器件開通前電壓已下降到零，器件結電容上的電壓亦為零，故解決了容性開通問題.這意味著二極管已經截止，其反向恢復過程結束，因此二極管反向恢復問題亦不復存在.最理想的軟關斷過程:電流先下降為零開通主管電壓上升到斷態值，所以關斷損耗近似為零.由于器件關斷前電流已下降到零，即線路電感中電流為零，所以感性關斷問題得以解決。它不僅可以解決硬開關變換器中的硬開關損耗問題、容性開通問題、感性關斷問題及二極管反向恢復問題，而且還能解決由硬開關引起的EMI等問題。

本課題研究的電源功率為32kW，工作頻率為5kHz~20kHz,為了減小高頻時開關器件的損耗，采用串聯諧振軟開關技術，使得開關器件能夠實現零電流關斷，其主電路原理圖如圖 1所示：

圖1 全橋串聯諧振式電路原理圖

2.原理分析

為了減小開關損耗，在電路工作中，使得開關頻率小于或等于諧振頻率的一半，使電流工作在斷續狀態。

結合上面的分析，我們對圖 1電源主回路等效原理圖的工作模態進行計算分析。

圖2 等效電路模型

圖 3 電流斷續工作方式的主要波形

設電感L1電流為i，電容C1電壓為U1，電源一個諧振周期內各個模態圖如圖4所示，電源工作波形如圖 3所示。電路工作特點是：開關頻率fs必須低于諧振頻率fr的一半，保持主回路串聯諧振條件恒定不變，使整個電路工作于不連續導電模式。對于主電路中的逆變電路，采用脈沖頻率調制（PFM）改變開關頻率，驅動脈沖滿足：在正常的導通情況下，加在逆變開關上的驅動信號應該是互補的，即當第一組(VD1與VD4)開管導通時，第二組開關(VD2與VD3)截止；第二組開通時，第一組截止。電路具體工作流程分析如下：首先假定輸入的濾波電容的容量足夠大，在逆變過程中其上的電壓E基本保持不變，由于儲能電容遠大于諧振電容，可以把每一個開關周期看成是恒壓源電壓不斷上升的過程。這樣可以將圖1中的電路的工作過程等效為4個工作模態，其中U0=Uco/K，Uco為負載電壓，K為高頻變壓器的變比。以圖2（a）中電流方向為正，則等效電路滿足2-1和2-2式：

開通Q1、Q4，電流i正向移動，L1與C1諧振，到t1時刻i過零，U1達到最大值，電路進入第二模態。

模態2的等效電路如圖2（b）所示，電流i反向，流過功率管Q1、Q4的體二極管VD1、VD4，且數值逐漸增大，U1逐漸減少，t2時刻關斷Q1、Q4，由于此時VD1、VD4導通，故Q1、Q4屬零電流關斷。模態2的初始條件為i(t1)=0，U1(t1)=2E，U0(t1)大于零。其中，U0是模態1結束后負載電容C0上的電壓值折算到變壓器原邊的數值。電路方程：

t6時刻i到零，Q2、Q3零電流關斷。t7時刻VD2、VD3自然關斷，模態4結束。

分析4個模態的方程，可以看出電流i峰值的變化規律， Im(1)=E/Zr， Im(3)=-(E+ U0)/Zr潁與Im(1)相比，Im(3)有所增加。Im(2)=(U0-E)/Zr潁Im(4)= (E- U0)/Zr潁后式中U0的值比前式的大，因此，與Im(2)相比，Im(4)有所減少。若列出下一個諧振周期的電路方程，同樣有此規律。這樣隨著諧振次數的增加，儲能電容上的電壓也隨之增加到設定值。

從上面的推導可以看出：

①輸出電流的幅值在輸入電壓E和諧振參數一定時，僅與負載電容折算到原邊的電壓值有關，而在一個諧振周期內的電流有效值是不變的。

②固定開關導通脈沖寬度ton不變，開關頻率小于或等于諧振頻率的二分之一，采用脈沖頻率調制（PFM）改變開關的斷開時間，電路維持在電流斷續的工況，從而保持諧振條件的不變。

③一個開關周期的高頻變壓器的原邊電流有效值隨著開關頻率的增大而增大，從而耦合到高頻變壓器副邊的電流也隨之增大，因此實現通過調節逆變器件的驅動脈沖周期來改變負載電容的充電電流。

3.諧振參數的計算

理論計算時，可以選取上面分析的四種模態中一種，列出微分方程，然后依據每一種模態的初始條件，求解微分方程就可以得到電感和電容值。這里給出工程上的一種計算方法。

4.實驗驗證

圖 5 電流斷續工作方式的主要波形

根據設計的諧振電感和電容值，可得到系統的串聯諧振頻率約為50kHz,由實驗結果可以得到實際電源系統的諧振頻率為66.7kHz,這是由于系統中脈沖變壓器和寄生電感、分布電容以及開關器件的寄生電感和電容引起的。開關頻率為20 kHz，保證了開關頻率始終小于諧振頻率的一半，整個電路電流始終工作于不連續導電模式。

由圖5所示，電流波形趨近于正弦，在調頻過程中，必須控制脈沖的關斷時間在電流為負的時間里才能實現零電流關斷，無法實現軟開通。

5.小結

(1).結合課題本身，文中詳細分析了單相全橋串聯諧振軟開關的工作原理以及諧振參數的計算。

(2).通過MATLAB軟件仿真，證明了此方案的可行性并優化了方案的設計。

(3).應用串聯諧振軟開關技術的電源已經開發成功，并且已經有多臺產品投入實際應用。

參考文獻

[1].陳堅. 《電力電子學》 高等數學教育出版社 2002.1 .

[2].王兆安，黃俊. 《電力電子技術》第四版 機械工業出版社.

[3]. 王增福 李 魏永明編著，《軟開關電源原理與應用》，北京，電子工業出版社，2006.4

[4] 王瑞華，脈沖變壓器的設計，科學出版社出版，1987。