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功率谐振变换器 及发展方向 电气B114班 刘晓波 功率谐振变换器是一种 基于软开关技术的电力电子变换装置 自80 年代以来 ,随着高频开关器件的诞生 , 电力电子装置逐渐向 高频化、集成化和模块化方向发展。 事实证明,提高开关频率能够减小装置的体积 ,提高设备的功率 密度和可靠性 , 并且降低开关噪声。 在传统的PWM 变换器中, 由于开关管的硬 开关特性 ,开关损耗 随着频率的提高而急剧增大。 谐振变换器的提出,能够有效地减小开关损耗 ,使开关频率得以 进一步提高。此外,平滑变化的波形和较小的电压电流变化率 也有利于改善系统的电磁兼容性。 目前 ,功率谐振变换器已在高频功率变换领域得到广泛的重视 和研究。 功率谐振变换器的结构和特点 功率谐振变换器的结构如图1 所示。交流方波电压或电流加在谐振 网络两端 ,产生高频谐振 ,谐振电压或电流经过整流和滤波后 ,转变成直流 电压或电流 ,从而实现直流-直流变换（ DC-DC）若省却整流滤波环节 ,将 谐振电压或电流直接输出到负载 ,则实现直流-交流变换（ DC-AC） 相应 的变换装置称为谐振逆变器 交流输入源 谐振变换器中的交流方波输入源通常由直流电 源经过开关逆变器逆变后得到,所需直流电源既可 从交流市电经整流滤波后获得 ,也可由蓄电池等恒 定电源直接供电。 交流输入源按性质分为电压源型 和电流源型两种 ， 按极性又可分为半波输入和全波 输入。 对于电压源型变换器 ,其输入电压稳定性高, 动态响应 速度快 ,且易于实现。然而 ,当上下桥臂直 通短路时,电流的变化率和峰值都较大 ,保护困难。 与之相比,电流源型变换器的输入电流纹波较小,易 实现短路保护 ,因此更适于大电流应用领域 ,但其存 在关断电压高和效率较低等缺陷 。 谐振网络 作为谐振变换器的核心部分 ,谐 振网络通常由 多个无源电感或 电容组成。 目前最常见的有串联谐振变换器 SRC 、并联谐振变换器 PRC 和串并联谐振变换器 SPRC 整流和滤波 当整流桥与谐振网络并联时,谐振输出量为谐振电压 vac , 滤波器多采用LC 低通滤波。 由于滤波电感Lf 较大 ,负载电流中的高频纹波被有效滤除， 故变换器的输出端部分可视为恒流负载。 类似地 ,当整流桥与谐振网络串联时,谐振输出量为 谐振 电流 iac 。 由于谐振电感 L s 本身具有稳流作 用 ,滤波器可以仅采用 容性滤波 ,此时变换器的输出端可视为恒压负载 V o ZVS 和 ZCS 特性 与 PWM 变换器相比,谐振变换器 最显著的特点是能够有效地实现零电压 电流开关特性（ ZVS| ZCS) 以半桥式谐振变换器为例 ,当谐振网络的输入阻抗 Zin 为感性时, 输入电流 iin 滞后于输入电压 vin 图6 (a) 。 当开关管 S 关断后 ,由于电流的连续性 ,输入电流 i过二极管D1续流 , 并在自然过零点关断, 以实现零电流关断 ZCS 同时,D 续流使得开关管 S的管电压被箝在 - 07V 左右 ,若此时 S 的驱动信号到 来 ,开关管 S 将在07V 压降下导通 ,从而实现零电压开通 ZVS 类似地 ,当谐振网络的输入阻抗 Zin 为容性时,输入电流 iin 超前于输入电压 vin 图6 (b) 目前 ,谐振变换器一般采用变频控制 或移相控制 发展方向 功率谐振变换器作为一种电能转换装置已经发 展了多年 ,然而这种变换技术仍然不太成熟。 复杂 的分析和设计过程限制了该变换器在工程实际中的 推广和应用。 尽管如此 ,其较小的开关损耗和电磁 噪声对于现代功率 变换仍然具有吸引力 ,装置的高 频化和小型化趋势也使 得谐振变换器在高频应用领 域 （ 50kHz） 依然具有 广阔的前景 能否采用一种通用的模型将纷繁多样的拓扑结构统一起来 , 将是谐振变换技术的下一步研究目标。 值得注意的是 ,在某些文献中已经出现了较为统一的谐振 网络 ,如T 型网络和 型网络等 。 这些网络在一定程度上能够简化拓扑结构 , 并且为人们提供新的研究方向。 在电路分析上 ,常见的分析方法有稳态交流分析法、 小信号模 型、状态空间及状态平面法等等。 然而 ,这些方法都具有一定的局限性 ,而且在精度 和适用性方面存在明显的差异。 因此 ,人们有必要寻求新的分析方法对谐振 变换器的稳态及动态性能进行研究。 在现代电力电子系统中, 因为恒频控制方法能够 简单有效地控制输出电压 ,并且抑制高频谐波 ,因而 成为主要的研究方向。 此外,除了经典的 PID 控制外,许多新的控制策略, 例如模糊控制、最优轨迹控 制和滑模变结构控制等 都已运用到谐振控制器的设 计中。 在实际装置方面 ： 由于谐振变换器的开关频率较高, 目前开关管多采用MOSFETs 器件 , 因此谐振变换器较适于中小功率级别的应用领域 （ 从几十瓦 到几十千瓦） 。 可以预见 ,随着新型功率半导体器件 的诞生 , 谐振变换器的应用将不断向高频大功率领 域延伸。 在谐振变换器中,谐振元件主要为电