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在DC-DC变换电路中加入谐振电感与电容,在运行中出现谐振工作模式,即,流经开关的电流与作用在开关两端的电压波形(部分地)成为正弦波,实现开关的零电压/电流的通断。
整个开关周期均为谐振拓扑——谐振变换器;只是开关周期的一部份——准谐振变换器。
零电流开关保证开关在零电流条件下断开。零电压开关保证开关在零电压条件下导通。
电流谐振开关与电压谐振开关
电流谐振开关拓扑分:半波与全波电流开关两种
在电流谐振开关中L与开关S串联,开关在零电流时通断。在零电流谐振开关中寄生电感可作为谐振元件的一部分并可降低开关时产生的电压峰值。流经开关的电流为部分正弦电流(准谐振)。
电流谐振开关的基本工作模式:初始条件是开关稳定断开,续流二极管D续流。谐振电容C上电压等于电源电压。
由于二极管的作用,开关中的电流只能是单向的,称为半波开关;而等效开关电流是双向的称为全波开关。
模式1:当开关导通时,谐振电感L上的电压为电源电压,L中的电流线性增长。但只有当电感电流等于负载电流,D才会截止。这种模式称电感充电模式。
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半波模式:当ic反振到io时,D使电流不能反向流动,开关在电流为零后自动截止。由于开关与D均截止, io经C流向负载。因流过等效开关的是单向的,称半波模式。
模式4 :续流管通,电容电压等于电源电压。
模式2 :当电感电流达到负载电流,D截止,C与L并联谐振。开关中除流过负载电流外还流过LC振荡电流。振荡电流按正弦规律增大。过峰值后振荡电流变小,然后再反振。此时开关中的电流为io与ic之差。该模式称谐振模式。
模式3: 由于io经C流动,C上电压线性增高。当其上的电压为输入电源电压,D反压解除续流。这称电容充电模式。
为保证电路的正确工作,Q的开通信号必须在VC过零前撤消。DR两端的电压平均值是负载的平均电压。
全波模式:如果是全波开关则振荡过程如图。Ic反振使Q中电流为零,Ic继续增大,D导通。直到振荡电流为零。由于D是开关的一部份,所以开关电流是双向的这称为全波模式。
当振荡电流为零D断开,电路进入C恒流充电模式。
谐振电容与续流管并联也可得到零电流开关。为方便叙述,对所使用的符号进行如下定义:
零电流开关的另一种结构方式
谐振角频率
特征阻抗
状态1 [T0,T1] 当开关导通,L上电压为电源电压,于是iL从零线性升高,续流管电流线性下降。
状态方程:
边界条件:
状态2 [T1,T2] 续流管截止,电感与电容产生谐振。
状态方程:
初始条件:
由上式求解状态方程,得:
为实现零电流开关,反振电流必须大于开关电流。零电流开关的条件是:
半波模式零电流开关,电感电流变到零时由于二极管的阻断,谐振状态结束,开关断开,电路转入下一状态。
对全波模式零电流开关
注意到反振电流可通过反并二极管流动。当电容电流越过峰值、再次等于负载电流时,电感电流为零。谐振状态结束。
谐振状态的时间:
半波时
全波时
状态3 [T2,T3] 电容向负载放电,电容电压线性下降。
状态方程:
电容两端电压: