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晶元 ,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涌 ,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 ,則能降低電路的浪涌電流和電壓 ,使開關損耗接近於零 ,這是減小開關損耗、抑制浪涌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。

電流諧振變換器

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

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。若將后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周期內負載電流 近似不變 ,則圖 1可部分等效為圖 2。

電路工作過程分析

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。

控制電路徠

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蕩器 ,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、軟啟動電路及推挽驅動電路等。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 用於電路的軟啟動 ,軟啟動時間約為 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啟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腳推挽輸出 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。

控制過程

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% ,突然載入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 , 要選用溫度特性較好的電容 ,確保 與、的關係成立；三是電路中二極體應選用反向恢復時間 特別小的二極體 ,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涌 ,抑制了漏感引起的感應電勢導致的電壓尖刺和雜訊 ,改善了變壓器的EMI 特性；諧振開關、上反向並聯快恢復二極體、 ,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涌 ,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。