1.2 基本二元和三元谐振拓扑

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接下来我们来看看基本的谐振单元 首先是串联谐振 串联在输入和输出之间 串联在输入和输出之间 它的增益曲线如图所示 因为是串联在输入和输出之间 它无法将输入信号放大 所以增益小于等于一 只能实现降压不能实现升压 这种特性类似于 开关电源中的 BUCK 变换器 其次是并联谐振 这种结构能够放大输入信号 并且在谐振频率附近能有比较高的增益 最后一种结构我们称之为陷波谐振 它由串联在输入和输出之间的 两个并联谐振元件 或者是并联在输出端的 两个串联谐振元件组成 第一种情况类似于串联谐振 它的增益也是小于等于一的 但是不同的是在谐振频率点 陷波谐振的增益会迅速衰减到零 对于第二种情况 如果要实现输入电压的调节 那么必须在输入和输出之间 再串联一个电容或电感 不然的话输入输出之间是短路的 无法完成对电压的调节 这边是一个串联了电感的陷波谐振的例子 它的增益曲线由两部分组成 一部分类似于我们的并联谐振 拥有较高的增益 另一部分是陷波谐振本身的特性 在谐振点增益为零 通常我们希望变换器工作在 增益曲线斜率为负的区域 来实现软开关 而陷波谐振在这块区域的斜率比较陡峭 频率变化范围也比较窄 并且陷波谐振的增益曲线比较复杂 所以一般不建议选择这个拓扑 二元的谐振拓扑总的来说有八种 然而不是每一种拓扑 都适合电压源输入的 像这两个拓扑 因为它的电容与输入之间直接接在一起 所以需要输入为电流源的情况才有意义 而上面这个拓扑 它的电感是被输入电压所钳位 并没有参与谐振 下面这个拓扑由于输入和输出之间是短路 所以它没有电压调节的能力 所以这样的话我们就只剩四种拓扑 也就是我们之前提到的 一种串联谐振两个并联谐振 还有一个陷波谐振 对于三个元件组成的谐振拓扑 总共有 36 种可能性 其中 23 种可以用于电压源输入 如果要保证所有的谐振元件都参与谐振过程 那么就只剩 15 种如下所示 这 15 种拓扑中有 8 种是属于陷波谐振 从它们增益曲线可以看出 其增益特性非常复杂 这会给我们设计带来极大的挑战 而右边的拓扑实际上是带分压电感的串联谐振 它的增益恒小于一 我们把研究重点放在左边的这几个拓扑 最左边的这三个都是由两个电感 和一个电容组成 拥有相似的增益曲线 我们把它们统称为 LLC 谐振变换器 上面这三个拓扑 只是由一个电感和两个电容组成的 我们把它统称为 LCC 谐振变换器 从它们的增益曲线可以看出 LCC 的峰值增益 比 LLC 变换器的峰值增益要高 适合更高增益的一些应用 如宽范围输入和输出电压的一些场合 我们后面会再讲到 然后我们来看看谐振变换器 是如何实现软开关的 或者说是零电压导通 首先什么是零电压 零电压导通意味着开关管两端的电压 在开关管导通之前就下降为零 还是以 LLC 为例 在上管关断之前 下管的输出电容两端还有残余的电压 我们需要一个电流 将 MOS 管上输出电容的能量 在该 MOS 管导通之前就放到零 如何保证这一点呢 首先我们需要确保 加在开关网络后面的谐振腔是感性的 这样的话流过开关管的电流 就会滞后于开关管节点的电压 那么也就是说 在开关管开通之前 就有电流对 MOS 管的输出电容进行放电 然而仅仅是工作于感性区域 并不能保证零电压导通 我们还需要保证储存在 谐振电感上的能量要大于 MOS 管上 输出电容的能量 可以通过这个公式来计算 注意这里需要考虑两个 MOS 管的 输出电容作为总的等效电容 因为电感电流在对下管输出电容 进行放电的同时 也在对上管的输出电流进行充电 另外我们还要保证有足够的死区时间 来完成这个放电过程 这三个条件是谐振变换器 实现软开关的必要条件 缺一不可
课程介绍 共计7课时,34分56秒

2018 PSDS 研讨会系列 - (1) 谐振变换器拓扑综述

变换器 2018 PSDS 研讨会系列 谐振

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