串联谐振电容器充电电源的特性研究

串联谐振电容器充电电源的特性研究

引言

　　将电能通过功率调整系统存储到电容器，这就是电容器充电技术。为了提高电源的可靠性，通常要求电源具有抗负载短路能力。高频串联谐振电路具有负载短路时谐振频率基本不变和抗负载短路能力*的优点，被广泛应用于电容器充电技术中。

串联谐振电容器充电电源（CCPS）电路主要有以下三种工作模式[4]：

　　（1）开关频率低于谐振频率一半时的不连续导电模式（模式1，DCM，O

　　（2）开关频率低于谐振频率时的连续导电模式（模式2，CCM，0.5

　　（3）开关频率高于谐振频率时连续导电模式（模式3.CCM，W>W）：开关器件为零电压开通、硬关断，变换器为电流连续工作方式，谐振回路呈感性，输出特性与恒流源的特性有所偏离，具有自动过载保护的功能。

　　*种工作模式为PFM方式串联谐振，其控制简单，且电路工作于软开关状态。第三种工作模式就是PWM方式串联谐振，是近年来研究的一大热点。

　　本文建立了串联谐振CCPS的数学模型，分析了其工作原理，通过数学仿真的方法，给出了谐振电路的特性，通过实验验证了所采用控制方案的正确性和充电系统的有效性。1串联谐振CCPS工作原理

　　图1给出了串联谐振变换器电路，图中U为输入直流电源，由工频整流得到，Q1～Q4及D1～D4组成全桥逆变器，G为谐振电容，L为谐振电感，C2为充电电容。

　　将逆变器等效为方波电源，谐振回路参数用I和C1表示，负载折合到原边用Q表示，得到等效电路如图2所示。

　　过程二：谐振电流反向，续流二极管D，和D3导通，整流二极管D6和D8导通，其等效电路如图4所示，工作波形如图5中t1～t2所示。

　　对半个周期内的2个谐振过程建立小信号模型，并列写时间状态方程，根据谐振过程的初态和末态，可以得出谐振过程中电流、电压的表达式。根据迭代原理，并认为C2》G，可得：1。= 8C1!U。即充电电流平均值与充电电压无关，充电电流平均值恒定;充电电容越大，则平均充电电流越小。2串联谐振CCPS电压传输特性

　　图6为电压传输的频率特性曲线，横坐标表示开关频率，纵坐标为负载电容C2两端电压，计算中L=63 UH，/=20 kHz,U=500V,k分别取0.1,2,4,6和∞（在图中对应曲线从上到下）。由图6（a）和图6（b）可见，当工作在谐振频率附近时.电压输出较高，当负载（K）变化时，电压有很大的变化，且K越大，电压的调节特性越差，当K=∞（即C2=00）时，电路失去电压调节能力。

　　图7为不同开关频率下，输出电压与负载的关系曲线，图中F为开关频率，fr为谐振回路的谐振频率，C2为负载，U2为输出电压。图7（a）中，曲线从下到上，F与f的比值依次为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9;图7（b）中，曲线从上到下，F与fr的比值依次为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5。从图中可进一步看出，负载微小的变化将引起很大的电压变化，因此这种电路的结构形式不利于电压调节。3串联谐振CCPS电流传输特性

　　由图2，回路的阻抗为：

　　当外加电压不变时，电流的频率特性与I Y（）I*相似。

　　图8为回路电流的频率特性，计算参数为：L= 63UH，f=20 kHz，U=5（）0 V。k分别取1，3，5，8和∞（在图中对应曲线从上到下）。

　　从图中可以看出，当开关频率在谐振频率附近时，回路有很高的电流值;当开关频率偏离谐振频率一定值后，随负载变化电流变化不大，可见电路有很好的电流调节能力。因此电路表现出电流源特性，电流源特性使得换流器呈现出固有的过载保护能力。4串联谐振CCPS性能分析

　　综上分析，串联谐振变换器的主要缺点是，在K=∞时电路没有了电压调节能力。如图6所示，当是增大到一定的程度时，电路的“选择性”已很差;在k=∞的情况下，频率特性为一水平直线。因此这种电路形式电压调节性能很差。另一个缺点是在输出整流滤波电路中，电流的纹波会很大，在低压大电流情况下尤为突出。因此该电路更适合于高压小电流的应用场合。

　　这种电路结构的主要优点是串联谐振电容可以作为隔直电容，因此电路可以不加任何其它结构而用于全桥逆变器中.并避免了磁路的不平衡。由图7可以看出，当开关频率低于谐振频率一定值后，随负载的变化，输出电流基本保持不变，即具有电流源特性，使电路具有固有的短路保护能力。5实验结果及分析

　　采用PFM控制方式下.谐振电流及电容电压波形如图9、图10所示。由图可知，电压线性上升，验证了串联谐振C℃PS的恒流源特性。

　　6结论

　　本文给出了串联谐振CCPS的电路原理图及等效电路，建立了该电路的数学模型，分析了其在PFM方式下的工作过程。通过数学仿真的方法，研究了该电路的工作特性。实验结果验证了分析结论。