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諧振型電源變換器原理說解
諧振型電源變換器原理說解

脈寬調制型變換器通過控制開關管的導通占空比來調節輸出電源功率，而諧振型變換 器以正弦形式處理功率開關管，使得開關管在零電流或者在零電壓的情況下實現導通和關閉，從而降低開關功耗，提高變換效率。在20世紀 70年代到80年代期間，20-50KHz的開關頻率是非常普遍的。到了90年代，隨著MOSFET的高電壓器件的出現，為了進一步提高功率密 度，開關頻率提高到了幾百KHz乃至幾MHz，隨著頻率升高，開關損耗增加，加上變壓器存在的漏感，開關管存在的結電容，使得開關管承受感 性關斷、容性導通的惡劣條件。關斷時，由Ldi/dt感應電勢產生電壓尖刺和噪聲，同時關斷時結電容儲存CV^2/2的能量；當開關導通時， 電容上的能量損耗在器件內部，造成嚴重的開關噪聲，并且通過開關密勒電容藕合到驅動電路，使得驅動電路產生噪聲和不穩定的因素。為了改善晶體管的工作條件，提出零電流開關(zcs）和零電壓（Zvs）開關技術，并且引入諧振的概念。



零電流諧振開關

零電流諧振開關由開關Sl、電感Lr、電容Cr構成，其中電感同開關串聯。如圖11.15:



按照開關中電流允許單向還是雙向流動，可以分為半波型和全波型，如圖11.16:



圖（b）中，采用了二極管使得電流可以雙向流動，所以是全波型的。

諧振開關的原理是：當LC回路經過開關管諧振，電流緩慢上升，在電流上升之前，晶體管經過驅動進入飽和區，由于LC的諧振作用，開關

中的電流將震蕩，使開關能夠自動換流。由于諧振開關沒有瞬態的大電壓和大電流同時流過，因此開關管的損耗是很低的，離開關管的安全工 作區（SOA）很遠，保證了開關管可靠地工作。

零電壓諧振開關

將開關Sl同電容Cl并聯，就構成了零電壓（ZVS）開關。原理框圖如圖11.17:



同樣，依據開關中電流的流向分為半波型和全波型。

諧振型開關技術解決了常規的PWM開關電路在開關切換時開關管損耗過大的問題。諧振型開關在零電流和零電壓時進行切換，大大減小了切換

損耗。但是在提高工作效率方面也碰到了新的問題。諧振型開關轉換技術分為諧振、準諧振、多諧振三種，這里不一一舉例，感興趣的讀者可以查看相關技術書籍。諧振型開關轉換技術特點是不需要增加額外功率開關管實現單管變換器開關管零電壓開關（ZVS）或零電流開關（ZCS）。這類變換器不同于脈寬調制（PWM）技術，有器件應力高、循環能量大和變頻控制等缺點。

此外，由于諧振電源中傳輸的是正弦波，PWM電路中傳輸的是方波，正弦波包含的能量沒有方波高。經過諧振型開關電源減低了開關損耗，可

是傳遞的能量也下降了，所以整體轉換效率并不比PWM電路高多少。人們希望將兩種拓撲結構結合起來。首先利用脈寬調制提供方波電壓、電

流，對于同樣的電流，不僅提供更多的功率，同時開關管保持較低的導通損耗。其次，利用零電壓諧振技術，在開關管上的電壓達到零以后再 轉換。

然后再改變兩組方波之間的相移進行控制，電路工作在恒定的開關頻率上，這種相移零電壓技術，采用全橋變換器很容易實現。全橋變換的好 處是利用4個晶體管可以方便地實現ZVT或ZCT，同時可輸出大的功率，這是多管隔離型直流變換器得到廣泛應用的原因。

ZVZCS（零電壓零電流開關）

PWMDC/DC變換器從技術的角度分析（主要是相移方式的不同，可參見有關書籍），全橋變換技術種類很多。但是，主要有兩種，一種是

zvsPwMDC/DC變換器，另一種是ZVZCSPWMDC/DC變換器。這里，僅僅簡單介紹后一種電路的工作原理。zVzCSPWMDC/DC變換器

的方式也有好幾種，這里給出一種原理圖，它在滯后橋臂中串入兩個二極管。如圖11.18:



Ql,Q2,Q3,Q4是四只開關管；Dl,D2是續流二極管；D3,D4是橋臂滯后二極管；Cb是阻斷電容，通常容量很大；變壓器的原、副線圈匝比為K

;L工為線圈的等效漏感；以下是分析條件：

．假定二極管和三極管的開關是理想的；

．電感、電容是理想元件；

·阻斷電容Cb足夠大；

·CI=C3=Cr;

·rLf>>Llk;

圖11.19是該電路的主要參考點的波形。

在一個開關周期中，變換器有10種開關模態（狀態），其等效電路在下面逐一畫出，其中，粗線條代表電流流過的路徑。

各個開關模態的描述如下：

(a）開關模態O

等效電路如圖11.20，其中ip為初級線圈中的電流方向。



在t0時刻之前，Ql、Q4導通。原邊電流iP給阻斷電容Cb充電。假定輸出濾波電感足夠大，可以將它當成是一個電流源。此時，原邊電

流Ipo=Io/K,Io是輸出電流，K為變壓器原副邊線匝比。阻斷電容Cb上的電壓為Vcb(t0）。

(b）開關模態1

電流流向如圖11.21，其中ip為初級線圈中的電流方向。

(c）開關模態2

對應于[tl,t2]時刻，電流流向如圖11.22，其中ip為初級線圈中的電流方向。





(d）開關模態3對應于［t2,t3]，電流流向如圖11.23，其中ip為初級線圈中的電流方向。



在這個開關模態中，原邊電流為ip=O;A電對應電壓為Va=O,B點對應電壓為Vb=-Vcbp。副變兩個整流管同時導通均分負載電流。

(e）開關模態3

對應于［t3,t4]，電流流向如圖11.24，其中ip為初級線圈中的電流方向。









以上是zVzCS典型電路的各個開關過程的分析過程。實際設計中，還要確定若干技術參數，詳細細節請參見專業書籍。現在流行的集成式電容

開關轉換器，具有體積小（一般是SOP封裝），輸出功率小的特點，特別適合于低功耗應用場合。