LC串联谐振拓扑构成与工作原理分析

 

LC串联谐振拓扑常用于高压充电机及高压电源的设计开发。基于它具有高效能量传输、频率选择性、体积小型化以及可靠性等优点，被广泛应用于高压充电电源、静电驻极电源以及静电除尘高压电源等设备。

今天为大家带来的是LC串联谐振变换器的电路结构以及工作原理的讲解，快和小编一起学习吧。

拓扑构成

本文以LC高压充电电源为例，对电路的拓扑结构进行讲解。

LC高压充电机包括原边LC全桥串联谐振电路、变压器和副边整流电路，参见下图。

副边电路常用的有全桥整流电路以及倍压整流电路（如下图)。全桥整流适用于大电流场景，对于小电流应用场景可采用倍压整流电路。

原边全桥电路：包含输入直流源Vin、输入电容Cin、功率开关管器件（Q1~Q4）、谐振电感以及谐振电容Cr，其中体二极管（D1~D4）以及寄生结电容（C1~C4）为功率开关器件的自有部分。

副边电路：包含整流二极管（DR1~DR10）及负载（Cd）等。

工作模式

在LC串联谐振电路工作过程中有两个关键频率：开关频率fs和谐振频率fr。

开关频率是指电路开关器件控制信号频率，而谐振频率与电路的谐振电感与谐振电容有关：

根据电路的开关频率fs与谐振频率fr的关系，LC串联谐振拓扑电路分为三种工作模式：

▍工作模式1：0s<0.5fr

电路工作在电流断续工作模式（DCM），谐振电流波形如下图。

该模式下，开关器件Q1~Q4为零电流开通（t=0及t3时刻），零电流关断(t1、t4时刻)，二极管D1~D4为低损耗开通和关断。在这种模式下，开关损耗低且电磁干扰小。

▍工作模式2：0.5frsr

电路工作在连续电流模式（CCM），谐振回路呈容性，谐振电流波形如下图。

在这一工作模式下，Q1~Q4为硬开通（t2、t4时刻），零电流关断（t1、t3时刻）。为了减少反向恢复电流，二极管D1~D4必须有较好的反向恢复特性。

这一工作模式下损耗和电磁干扰较大。

▍工作模式3：frs

电路工作在连续电流模式（CCM），谐振回路呈感性，谐振电流波形如下图。

在这一工作模式下，S1～S4为零电流开通（t1、t3时刻），硬关断（t2、t4时刻），给电路造成较大的损耗和电磁干扰，电路的输出特性与恒流源的特性有所偏离。

工作原理

在实际工程中工作模式1与工作模式3应用较多，其中工作模式1为脉冲频率调制（PFM）方式串联谐振，工作模式3为脉宽调制（PWM）方式串联谐振。

这里以副边全波整流电路结构为例，分析电路在这两种工作模式下的工作原理。
 

NO.1PFM模式原理

在半个开关周期内，LC谐振电路的一对开关器件和续流二极管会完成一次谐振，每次谐振包含两个工作过程，电路波形如下图。

其中，Q1~Q4为开关器件的控制信号，iLr为谐振电感电流，v1为谐振电容两端电压，v2为负载电容等效至原端电压。

t0~t1：此时Q1与Q4导通，电感电流大于零，原边电流经Q1、Lr、Cr、Q4流动，给Cr充电，变压器副端DR1、DR4导通，电流经DR1、DR4给负载电容Cd充电；

t1~t2：t1时刻电感电流反向，原边D1、D4导通续流，Cr放电，变压器副端DR2、DR3导通，电流经DR2、DR3给负载电容Cd充电；

t2~t3：t2时刻Cr放电结束，电感电流为零，此时Q2与Q3还未收到驱动信号，电路中并无器件导通，电路处于开路状态，负载Cd两端电压基本保持不变。

后半周期的谐振过程与前半周期类似，在此就不再赘述。

可见电路每次谐振都会给负载电容进行充电，使其两端电压上升一个台阶，这种充电方式又称为等台阶充电。

NO.2PWM模式原理

PWM方式串联谐振充分发挥了PWM技术和谐振变换的优点，是近年来研究的一大热点。

由于电路的谐振频率和开关频率较高，充电电容在一个谐振周期中电压变化非常微小。因此，可研究在PWM控制方式下输出电压不变的稳态工作过程。

t0~t1：此时Q1与Q4导通，原边电流经Q1、Lr、Cr、Q4流动给Cr充电，变压器副端DR1、DR4导通，电流经DR1、DR4给负载电容Cd充电；

t1~t2：时刻Q1与Q4关断，原边D2、D3导通续流，谐振电流逐渐减小，变压器副端DR1、DR4导通，电流经DR1、DR4给负载电容Cd充电；

t2~t3：t2时刻谐振电流降为零，此时Q2与Q3还未收到驱动信号，电路中并无器件导通，电路处于开路状态，负载Cd两端电压基本保持不变。

副边整流电路

LC串联谐振电源若为低压输出（输出电压小于20kV）可直接采用整流电路，电路结构如图。

假设U1为输出最高电压，二极管/硅堆D1~D4直流反向耐压应为2U1，整流硅堆通流能力I应大于等于5倍的输出电流值。例如U1为20kV时，二极管可参考型号2CL40kV/5A。

在小电流充电的应用场景里，可以采用多级倍压整流电路获得直流高压。电路由电容与二极管构成，10倍压整流的参考电路如下图。

U1为倍压电路输入电压，U2为倍压电路输出电压。两者与倍压等级n的关系为：U2=nU1（此处n=10)。

需要注意的是，二极管的耐压值应留3~4倍的裕量，即每个二极管耐压应不小于(3~4)U2/n，二极管通流参考值为5nIo。需要使用快恢复二极管，同时为防止短路烧二极管，选用的二极管最大浪涌需要尽量大。

电容的耐压值可以留2.5~3倍的裕量来考虑，即(2.5~3)U2/n。电容容值则需根据开关频率fs等综合因素来考虑。

根据电荷量Q=C·U=I·t可得：

故电容参考值选择应大于Ion2/0.1U2fs。

其中，Io为输出电流值，n为倍压等级，U2为输出电压，fs为开关频率。

关于LC串联谐振电路的工作原理今天就介绍到这里，相信大家也都对LC串联谐振变换器的工作过程有了更好的了解。

后续我们将继续带领大家对LC串联谐振拓扑进行电路设计及电路仿真模型搭建，与大家一起对电路进行仿真调试，验证电路的工作性能。