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1、,功率谐振变换器 及发展方向,电气B114班刘晓波,功率谐振变换器是一种基于软开关技术的电力电子变换装置,自80 年代以来,随着高频开关器件的诞生,电力电子装置逐渐向高频化、集成化和模块化方向发展。事实证明,提高开关频率能够减小装置的体积,提高设备的功率密度和可靠性,并且降低开关噪声。在传统的PWM 变换器中,由于开关管的硬 开关特性,开关损耗随着频率的提高而急剧增大。谐振变换器的提出,能够有效地减小开关损耗,使开关频率得以进一步提高。此外,平滑变化的波形和较小的电压电流变化率也有利于改善系统的电磁兼容性。目前,功率谐振变换器已在高频功率变换领域得到广泛的重视和研究。,功率谐振变换器的结构和特
2、点,功率谐振变换器的结构如图1 所示。交流方波电压或电流加在谐振网络两端,产生高频谐振,谐振电压或电流经过整流和滤波后,转变成直流电压或电流,从而实现直流-直流变换（DC-DC）若省却整流滤波环节,将谐振电压或电流直接输出到负载,则实现直流-交流变换（DC-AC）相应的变换装置称为谐振逆变器,交流输入源,谐振变换器中的交流方波输入源通常由直流电 源经过开关逆变器逆变后得到,所需直流电源既可 从交流市电经整流滤波后获得,也可由蓄电池等恒 定电源直接供电。交流输入源按性质分为电压源型 和电流源型两种，按极性又可分为半波输入和全波 输入。对于电压源型变换器,其输入电压稳定性高,动态响应速度快,且易于
3、实现。然而,当上下桥臂直 通短路时,电流的变化率和峰值都较大,保护困难。与之相比,电流源型变换器的输入电流纹波较小,易 实现短路保护,因此更适于大电流应用领域,但其存 在关断电压高和效率较低等缺陷。,谐振网络,作为谐振变换器的核心部分,谐振网络通常由 多个无源电感或电容组成。目前最常见的有串联谐振变换器 SRC、并联谐振变换器 PRC 和串并联谐振变换器 SPRC,整流和滤波,当整流桥与谐振网络并联时,谐振输出量为谐振电压 vac,滤波器多采用LC 低通滤波。由于滤波电感Lf 较大,负载电流中的高频纹波被有效滤除，故变换器的输出端部分可视为恒流负载。类似地,当整流桥与谐振网络串联时,谐振输出量
4、为 谐振电流 iac。由于谐振电感 L s 本身具有稳流作 用,滤波器可以仅采用容性滤波,此时变换器的输出端可视为恒压负载 V o,ZVS 和 ZCS 特性,与 PWM 变换器相比,谐振变换器最显著的特点是能够有效地实现零电压电流开关特性（ZVS|ZCS)以半桥式谐振变换器为例,当谐振网络的输入阻抗 Zin 为感性时,输入电流 iin 滞后于输入电压 vin 图6(a)。,当开关管 S 关断后,由于电流的连续性,输入电流 i过二极管D1续流,并在自然过零点关断,以实现零电流关断 ZCS,同时,D 续流使得开关管 S的管电压被箝在-07V 左右,若此时 S 的驱动信号到 来,开关管 S 将在07
5、V 压降下导通,从而实现零电压开通 ZVS,类似地,当谐振网络的输入阻抗 Zin 为容性时,输入电流 iin 超前于输入电压 vin 图6(b),控制方式,目前,谐振变换器一般采用变频控制 或移相控制,发展方向,功率谐振变换器作为一种电能转换装置已经发 展了多年,然而这种变换技术仍然不太成熟。复杂 的分析和设计过程限制了该变换器在工程实际中的 推广和应用。尽管如此,其较小的开关损耗和电磁 噪声对于现代功率变换仍然具有吸引力,装置的高 频化和小型化趋势也使得谐振变换器在高频应用领 域（50kHz）依然具有广阔的前景,能否采用一种通用的模型将纷繁多样的拓扑结构统一起来,将是谐振变换技术的下一步研究
6、目标。,值得注意的是,在某些文献中已经出现了较为统一的谐振网络,如T 型网络和 型网络等。这些网络在一定程度上能够简化拓扑结构,并且为人们提供新的研究方向。,在电路分析上,常见的分析方法有稳态交流分析法、小信号模 型、状态空间及状态平面法等等。然而,这些方法都具有一定的局限性,而且在精度和适用性方面存在明显的差异。,因此,人们有必要寻求新的分析方法对谐振变换器的稳态及动态性能进行研究。,在现代电力电子系统中,因为恒频控制方法能够 简单有效地控制输出电压,并且抑制高频谐波,因而 成为主要的研究方向。,此外,除了经典的 PID 控制外,许多新的控制策略,例如模糊控制、最优轨迹控 制和滑模变结构控制等都已运用到谐振控制器的设 计中。,在实际装置方面：由于谐振变换器的开关频率较高,目前开关管多采用MOSFETs 器件,因此谐振变换器较适于中小功率级别的应用领域（从几十瓦 到几十千瓦）。可以预见,随着新型功率半导体器件 的诞生,谐振变换器的应用将不断向高频大功率领 域延伸。,在谐振变换器中,谐振元件主要为电感和电容等分立器件。谐振元件的集成化将是未来谐振变换 器的发展方向之一。,近年来有关功 率谐振模块的研究已经展开。,可以相信,随着集成度的不断提高,装置的集成化和模块化将极大地 拓宽谐振变换器的应用领域。,谢谢！,END,
