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串聯(lián)諧振電容器充電電源的特性研究
串聯(lián)諧振電容器充電電源的特性研究
將電能通過功率調(diào)整系統(tǒng)存儲到電容器,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]: ?。?)開關(guān)頻率低于諧振頻率一半時的不連續(xù)導(dǎo)電模式(模式1,DCM,O ?。?)開關(guān)頻率低于諧振頻率時的連續(xù)導(dǎo)電模式(模式2,CCM,0.5 ?。?)開關(guān)頻率高于諧振頻率時連續(xù)導(dǎo)電模式(模式3.CCM,W>W):開關(guān)器件為零電壓開通、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,具有自動過載保護(hù)的功能。 *種工作模式為PFM方式串聯(lián)諧振,其控制簡單,且電路工作于軟開關(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,通過數(shù)學(xué)仿真的方法,給出了諧振電路的特性,通過實(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。 對半個周期內(nèi)的2個諧振過程建立小信號模型,并列寫時間狀態(tài)方程,根據(jù)諧振過程的初態(tài)和末態(tài),可以得出諧振過程中電流、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,橫坐標(biāo)表示開關(guān)頻率,縱坐標(biāo)為負(fù)載電容C2兩端電壓,計算中L=63 UH,/=20 kHz,U=500V,k分別取0.1,2,4,6和∞(在圖中對應(yīng)曲線從上到下)。由圖6(a)和圖6(b)可見,當(dāng)工作在諧振頻率附近時.電壓輸出較高,當(dāng)負(fù)載(K)變化時,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,電路失去電壓調(diào)節(jié)能力。 圖7為不同開關(guān)頻率下,輸出電壓與負(fù)載的關(guān)系曲線,圖中F為開關(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,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∞(在圖中對應(yīng)曲線從上到下)。 從圖中可以看出,當(dāng)開關(guān)頻率在諧振頻率附近時,回路有很高的電流值;當(dāng)開關(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=∞時電路沒有了電壓調(diào)節(jié)能力。如圖6所示,當(dāng)是增大到一定的程度時,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。因此這種電路形式電壓調(diào)節(jié)性能很差。另一個缺點(diǎn)是在輸出整流濾波電路中,電流的紋波會很大,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方式下的工作過程。通過數(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。 |