串聯(lián)諧振電容器充電電源的特性研究

引言

　　將電能通過(guò)功率調(diào)整系統(tǒng)存儲(chǔ)到電容器，這就是電容器充電技術(shù)。為了提高電源的可靠性，通常要求電源具有抗負(fù)載短路能力。高頻串聯(lián)諧振電路具有負(fù)載短路時(shí)諧振頻率基本不變和抗負(fù)載短路能力*的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電容器充電技術(shù)中。

　　串聯(lián)諧振電容器充電電源（CCPS）電路主要有以下三種工作模式[4]：

　　（1）開(kāi)關(guān)頻率低于諧振頻率一半時(shí)的不連續(xù)導(dǎo)電模式（模式1，DCM，O

　　（2）開(kāi)關(guān)頻率低于諧振頻率時(shí)的連續(xù)導(dǎo)電模式（模式2，CCM，0.5

　　（3）開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率時(shí)連續(xù)導(dǎo)電模式（模式3.CCM，W>W）：開(kāi)關(guān)器件為零電壓開(kāi)通、硬關(guān)斷，變換器為電流連續(xù)工作方式，諧振回路呈感性，輸出特性與恒流源的特性有所偏離，具有自動(dòng)過(guò)載保護(hù)的功能。

　　*種工作模式為PFM方式串聯(lián)諧振，其控制簡(jiǎn)單，且電路工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。第三種工作模式就是PWM方式串聯(lián)諧振，是近年來(lái)研究的一大熱點(diǎn)。

　　本文建立了串聯(lián)諧振CCPS的數(shù)學(xué)模型，分析了其工作原理，通過(guò)數(shù)學(xué)仿真的方法，給出了諧振電路的特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所采用控制方案的正確性和充電系統(tǒng)的有效性。1串聯(lián)諧振CCPS工作原理

　　圖1給出了串聯(lián)諧振變換器電路，圖中U為輸入直流電源，由工頻整流得到，Q1～Q4及D1～D4組成全橋逆變器，G為諧振電容，L為諧振電感，C2為充電電容。

　　將逆變器等效為方波電源，諧振回路參數(shù)用I和C1表示，負(fù)載折合到原邊用Q表示，得到等效電路如圖2所示。

　　過(guò)程二：諧振電流反向，續(xù)流二極管D，和D3導(dǎo)通，整流二極管D6和D8導(dǎo)通，其等效電路如圖4所示，工作波形如圖5中t1～t2所示。

　　對(duì)半個(gè)周期內(nèi)的2個(gè)諧振過(guò)程建立小信號(hào)模型，并列寫(xiě)時(shí)間狀態(tài)方程，根據(jù)諧振過(guò)程的初態(tài)和末態(tài)，可以得出諧振過(guò)程中電流、電壓的表達(dá)式。根據(jù)迭代原理，并認(rèn)為C2》G，可得：1。= 8C1!U。即充電電流平均值與充電電壓無(wú)關(guān)，充電電流平均值恒定;充電電容越大，則平均充電電流越小。2串聯(lián)諧振CCPS電壓傳輸特性

　　圖6為電壓傳輸?shù)念l率特性曲線(xiàn)，橫坐標(biāo)表示開(kāi)關(guān)頻率，縱坐標(biāo)為負(fù)載電容C2兩端電壓，計(jì)算中L=63 UH，/=20 kHz,U=500V,k分別取0.1,2,4,6和∞（在圖中對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)從上到下）。由圖6（a）和圖6（b）可見(jiàn)，當(dāng)工作在諧振頻率附近時(shí).電壓輸出較高，當(dāng)負(fù)載（K）變化時(shí)，電壓有很大的變化，且K越大，電壓的調(diào)節(jié)特性越差，當(dāng)K=∞（即C2=00）時(shí)，電路失去電壓調(diào)節(jié)能力。

　　圖7為不同開(kāi)關(guān)頻率下，輸出電壓與負(fù)載的關(guān)系曲線(xiàn)，圖中F為開(kāi)關(guān)頻率，fr為諧振回路的諧振頻率，C2為負(fù)載，U2為輸出電壓。圖7（a）中，曲線(xiàn)從下到上，F(xiàn)與f的比值依次為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9;圖7（b）中，曲線(xiàn)從上到下，F(xiàn)與fr的比值依次為1.1、1.2、1.3、1.4、1.5。從圖中可進(jìn)一步看出，負(fù)載微小的變化將引起很大的電壓變化，因此這種電路的結(jié)構(gòu)形式不利于電壓調(diào)節(jié)。3串聯(lián)諧振CCPS電流傳輸特性

　　由圖2，回路的阻抗為：

　　當(dāng)外加電壓不變時(shí)，電流的頻率特性與I Y（）I*相似。

　　圖8為回路電流的頻率特性，計(jì)算參數(shù)為：L= 63UH，f=20 kHz，U=5（）0 V。k分別取1，3，5，8和∞（在圖中對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)從上到下）。

　　從圖中可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率在諧振頻率附近時(shí)，回路有很高的電流值;當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率偏離諧振頻率一定值后，隨負(fù)載變化電流變化不大，可見(jiàn)電路有很好的電流調(diào)節(jié)能力。因此電路表現(xiàn)出電流源特性，電流源特性使得換流器呈現(xiàn)出固有的過(guò)載保護(hù)能力。4串聯(lián)諧振CCPS性能分析

　　綜上分析，串聯(lián)諧振變換器的主要缺點(diǎn)是，在K=∞時(shí)電路沒(méi)有了電壓調(diào)節(jié)能力。如圖6所示，當(dāng)是增大到一定的程度時(shí)，電路的“選擇性”已很差;在k=∞的情況下，頻率特性為一水平直線(xiàn)。因此這種電路形式電壓調(diào)節(jié)性能很差。另一個(gè)缺點(diǎn)是在輸出整流濾波電路中，電流的紋波會(huì)很大，在低壓大電流情況下尤為突出。因此該電路更適合于高壓小電流的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　這種電路結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是串聯(lián)諧振電容可以作為隔直電容，因此電路可以不加任何其它結(jié)構(gòu)而用于全橋逆變器中.并避免了磁路的不平衡。由圖7可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率低于諧振頻率一定值后，隨負(fù)載的變化，輸出電流基本保持不變，即具有電流源特性，使電路具有固有的短路保護(hù)能力。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　采用PFM控制方式下.諧振電流及電容電壓波形如圖9、圖10所示。由圖可知，電壓線(xiàn)性上升，驗(yàn)證了串聯(lián)諧振C℃PS的恒流源特性。

　　6結(jié)論

　　本文給出了串聯(lián)諧振CCPS的電路原理圖及等效電路，建立了該電路的數(shù)學(xué)模型，分析了其在PFM方式下的工作過(guò)程。通過(guò)數(shù)學(xué)仿真的方法，研究了該電路的工作特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論。