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并联谐振变换器

工程师
2024-05-09 19:55:26     打赏

并联谐振变换器(Parallel Resonant Converter,PRC)的原理图相对复杂,因为它涉及到谐振电路和开关变换器的组合。不过,我可以为你提供一个基本的描述和概念图。

并联谐振变换器的基本工作原理是:当电源接通时,电压通过电感器和电容器形成一个回路。在这个回路中,电感器和电容器在特定的频率下会产生谐振现象,即它们之间的感应作用和反应作用可以完全抵消,导致回路中的电流达到最大值。这个特定频率被称为谐振频率。

在谐振频率下,电感器吸收的能量与电容器放出的能量相等,维持着电路的稳定状态。此时,电路中的电压和电流波形呈正弦波,并且电能主要在电感器和电容器之间来回转移,没有损耗。

并联谐振变换器的原理图通常包括以下几个主要部分:

  1. 开关网络:用于控制电路的通断,通常由功率开关器件(如MOSFET或IGBT)组成。

  2. 谐振电路:由电感器和电容器组成,用于产生谐振现象。

  3. 整流电路:用于将谐振电路输出的交流电压转换为直流电压。

  4. 滤波电路:用于平滑整流电路输出的直流电压,减小纹波。

  5. 控制电路:用于监测输出电压或电流,并调节开关网络的通断频率,以保持输出电压或电流的恒定。

原理图:

image.png

并联谐振变换器(Parallel Resonant Converter,PRC)的基本特点如下:

  1. 负载与谐振电容并联:并联谐振变换器的设计使其负载与谐振电容处于并联状态,这允许电流在两者之间进行分配。

  2. 负载可以是空载:与串联谐振变换器不同,并联谐振变换器可以在空载或轻载的情况下工作。这是因为并联谐振变换器的工作频率通常略高于负载电路的固有振荡频率,使得系统能够稳定工作于这些负载条件下。

  3. 要实现ZVS(零电压开关)的话,工作频率需要高于谐振频率:在并联谐振变换器中,要实现零电压开关(ZVS),通常需要将工作频率设置为高于谐振频率。这是因为当工作频率高于谐振频率时,谐振电容的电压会在开关管关闭之前降至零,从而实现零电压开关。

  4. 输入电压越低越接近谐振频率:并联谐振变换器的谐振频率与输入电压和负载有关。通常,当输入电压降低时,谐振频率会向负载电路的固有振荡频率靠近。这是因为输入电压的降低会减小谐振电容的充电速度,从而减慢谐振频率。

  5. 存在高的环流电流,损耗高:由于并联谐振变换器的谐振特性,电路中会存在较高的环流电流。这些环流电流会在电感器和电容器之间循环流动,产生一定的损耗。因此,并联谐振变换器的效率可能会受到一定影响。

  6. 天然存在短路保护功能:并联谐振变换器具有天然的短路保护功能。当电路中出现短路时,谐振电容的电压会迅速降低,从而限制短路电流的大小。这有助于保护电路中的开关管和其他元件免受短路电流的损害。

PRC 的 Q曲线、增益与归一化频率的关系:

image.png


综合来看:1.和 SRC类似,工作区间仍然是要高于谐振频率以实现 ZVS。2.与SRC相比,其工作区间变得更小,但是轻载时,其频率变化度没有SRC大,所以 PRC在轻载时不需要花费太大的精力来控制输出电压,从而轻载时的负载调整率问题在此结构中消失。

3.PRC的等效输人阻抗较小,从而导致了一次电流较大,MOSFET的导通损耗和关断损耗比SRC要大得多。即便是轻载或者空载条件下,PRC的输人阻抗依然很小,这种情况仍然无法改善,这也是PRC的一个主要问题。

关于并联谐振变换器(PRC)和串联谐振变换器(SRC)的对比,以及PRC的一些特点,我可以进一步详细解释:

  1. 工作频率与ZVS

    • 与SRC类似,PRC的工作区间也要求高于谐振频率以实现零电压开关(ZVS)。这是因为当工作频率高于谐振频率时,谐振电容的电压会在开关管关闭之前降至零,从而实现ZVS。

    • ZVS的实现对于减少开关损耗、提高变换器效率非常重要。

  2. 轻载时的表现

    • 与SRC相比,PRC在轻载时的工作区间变化度较小。这意味着在轻载条件下,PRC不需要像SRC那样频繁地调整工作频率来控制输出电压。

    • 因此,PRC在轻载时的负载调整率问题相对较小,这有助于简化控制系统并提高其稳定性。

  3. 等效输入阻抗与损耗

    • PRC的等效输入阻抗较小,这会导致一次电流较大。一次电流是指流过谐振电容和电感器的电流,与MOSFET的导通损耗和关断损耗直接相关。

    • 由于PRC的输入阻抗在轻载或空载条件下仍然较小,MOSFET的导通损耗和关断损耗会比SRC大得多。这是PRC的一个主要问题,尤其是在需要高效率和高可靠性的应用中。

为了改善PRC的这一问题,可以采取以下措施:

  • 优化电路设计:通过优化谐振电容和电感器的参数,以及选择合适的MOSFET型号和驱动电路,可以降低一次电流和开关损耗。

  • 引入辅助电路:可以引入辅助电路来调整PRC的输入阻抗,从而降低一次电流和开关损耗。例如,可以使用有源钳位电路来减小谐振电容的电压变化范围,从而降低MOSFET的开关损耗。

  • 改进控制策略:通过改进控制策略,如采用软开关技术或优化PWM信号占空比等,可以进一步降低MOSFET的开关损耗并提高变换器的效率。




关键词: 每周了解几个硬件知识    

专家
2024-05-10 08:51:28     打赏
2楼

谢谢分享


院士
2024-05-10 17:21:09     打赏
3楼

谢谢分享,学习了。


专家
2024-05-10 21:58:44     打赏
4楼

帖子内容很好,学习了。


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