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諧振回授方式變換器電路

來源: 維庫電子網(wǎng)
2020-09-02
類別:電路圖
eye 55
文章創(chuàng)建人 拍明

原標(biāo)題:諧振回授方式變換器電路

諧振回授方式變換器是一種通過諧振元件(電感、電容)實現(xiàn)能量高效傳遞與反饋控制的開關(guān)電源電路。其核心思想是利用諧振槽路的振蕩特性,在開關(guān)管切換時實現(xiàn)“軟開關(guān)”(零電壓或零電流開關(guān)),從而大幅降低開關(guān)損耗,同時通過諧振信號的反饋機制穩(wěn)定輸出電壓。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于高頻、高效率、低噪聲的電源場景,如通信設(shè)備、工業(yè)電源和消費電子充電器等。

一、諧振回授的核心機制

諧振回授的關(guān)鍵在于諧振槽路(由電感L和電容C組成)的能量振蕩過程。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷時,諧振槽路中的電流和電壓會按正弦規(guī)律變化,形成能量交換的“諧振周期”。這一過程有兩個核心作用:

  1. 軟開關(guān)實現(xiàn):通過控制開關(guān)時機,使開關(guān)管在電壓為零(ZVS)或電流為零(ZCS)時切換,避免硬開關(guān)帶來的電壓電流交疊損耗,顯著提升效率。

  2. 反饋控制:諧振槽路的電流或電壓波形包含頻率和相位信息,這些信息被反饋到控制電路,通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率或占空比,動態(tài)調(diào)整輸出電壓,實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定控制。

二、典型諧振回授變換器類型

1. 串聯(lián)諧振變換器(SRC)

  • 結(jié)構(gòu):開關(guān)管、諧振電感(Lr)和諧振電容(Cr)串聯(lián),負(fù)載與Cr并聯(lián)。

  • 特點

    • 工作頻率圍繞諧振頻率(fr)調(diào)節(jié),輕載時頻率升高,重載時頻率降低。

    • 天然實現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS),但需避免頻率過高導(dǎo)致元件體積增大。

    • 適合中低功率、寬輸入電壓范圍的應(yīng)用。

2. 并聯(lián)諧振變換器(PRC)

  • 結(jié)構(gòu):諧振電感(Lr)與負(fù)載并聯(lián),諧振電容(Cr)與開關(guān)管串聯(lián)。

  • 特點

    • 通過零電流開關(guān)(ZCS)減少關(guān)斷損耗,適合高壓輸出場景。

    • 通常采用固定頻率控制,通過調(diào)節(jié)占空比穩(wěn)定輸出。

    • 抗短路能力強,但輕載時效率下降。

3. LLC諧振變換器

  • 結(jié)構(gòu):由串聯(lián)諧振電感(Lr)、并聯(lián)諧振電感(Lm)和諧振電容(Cr)組成,負(fù)載與Lm并聯(lián)。

  • 特點

    • 結(jié)合串聯(lián)與并聯(lián)諧振的優(yōu)勢,實現(xiàn)全負(fù)載范圍軟開關(guān)。

    • 通過兩個諧振頻率(fr1和fr2)的調(diào)節(jié),優(yōu)化效率與電壓增益。

    • 高功率密度、低EMI,廣泛應(yīng)用于筆記本適配器、LED驅(qū)動等。

三、諧振回授的關(guān)鍵設(shè)計要點

1. 諧振元件選型

  • 電感(L):需選擇低損耗、高飽和電流的磁芯材料(如鐵氧體或粉芯),避免諧振過程中磁飽和。

  • 電容(C):優(yōu)先選用高頻特性好的薄膜電容或MLCC,減少等效串聯(lián)電阻(ESR)帶來的損耗。

  • 參數(shù)匹配:諧振頻率(fr)通常設(shè)定為開關(guān)頻率的1/2~1倍,以平衡效率與元件體積。

2. 控制策略選擇

  • 頻率調(diào)制(PFM):通過改變開關(guān)頻率調(diào)節(jié)輸出電壓,適用于串聯(lián)/LLC諧振變換器。

  • 占空比調(diào)制(PWM):固定頻率,調(diào)節(jié)開關(guān)管導(dǎo)通時間,適用于并聯(lián)諧振變換器。

  • 混合調(diào)制:結(jié)合PFM與PWM,優(yōu)化全負(fù)載范圍效率與動態(tài)響應(yīng)。

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3. 反饋環(huán)路設(shè)計

  • 采樣方式:通過光耦或隔離變壓器采樣輸出電壓,實現(xiàn)電氣隔離與安全防護。

  • 補償網(wǎng)絡(luò):采用RC或PID補償環(huán)路,穩(wěn)定反饋信號,避免振蕩或過沖。

  • 保護功能:集成過壓、過流、過溫保護電路,提升系統(tǒng)可靠性。

四、諧振回授變換器的優(yōu)勢

  1. 高效率:軟開關(guān)技術(shù)減少開關(guān)損耗,效率可達(dá)95%以上。

  2. 低噪聲:諧振槽路天然濾除高頻紋波,降低EMI干擾。

  3. 高頻化:支持?jǐn)?shù)百kHz至MHz級開關(guān)頻率,縮小磁性元件體積。

  4. 寬輸入范圍:通過頻率調(diào)節(jié)適應(yīng)輸入電壓波動,適合可再生能源等場景。

五、應(yīng)用場景

  • 消費電子:手機充電器、筆記本適配器(利用LLC諧振實現(xiàn)高功率密度)。

  • 工業(yè)電源:通信基站、服務(wù)器電源(高效率與可靠性需求)。

  • 新能源:太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)(寬輸入電壓范圍適配)。

  • 醫(yī)療設(shè)備:低噪聲、高穩(wěn)定性的電源供應(yīng)。

六、總結(jié)

諧振回授變換器通過諧振元件與軟開關(guān)技術(shù)的結(jié)合,實現(xiàn)了開關(guān)電源的高效、高頻與低噪聲運行。其設(shè)計核心在于諧振參數(shù)匹配、控制策略選擇與反饋環(huán)路穩(wěn)定性。對于工程師而言,可從串聯(lián)諧振變換器入手,逐步掌握LLC等復(fù)雜拓?fù)洌粚嶋H應(yīng)用中,可借助仿真工具(如LTspice)優(yōu)化參數(shù),縮短開發(fā)周期。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,諧振回授技術(shù)將繼續(xù)在高效電源領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。


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標(biāo)簽: 變換器

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