串聯諧振電容器充電電源的特性研究

引言

　　將電能通過功率調整系統存儲到電容器，這就是電容器充電技術。為了提高電源的可靠性，通常要求電源具有抗負載短路能力。高頻串聯諧振電路具有負載短路時諧振頻率基本不變和抗負載短路能力*的優點，被廣泛應用于電容器充電技術中。

　　串聯諧振電容器充電電源（CCPS）電路主要有以下三種工作模式[4]：

　　（1）開關頻率低于諧振頻率一半時的不連續導電模式（模式1，DCM，O

　　（2）開關頻率低于諧振頻率時的連續導電模式（模式2，CCM，0.5

　　（3）開關頻率高于諧振頻率時連續導電模式（模式3.CCM，W>W）：開關器件為零電壓開通、硬關斷，變換器為電流連續工作方式，諧振回路呈感性，輸出特性與恒流源的特性有所偏離，具有自動過載保護的功能。

　　*種工作模式為PFM方式串聯諧振，其控制簡單，且電路工作于軟開關狀態。第三種工作模式就是PWM方式串聯諧振，是近年來研究的一大熱點。

　　本文建立了串聯諧振CCPS的數學模型，分析了其工作原理，通過數學仿真的方法，給出了諧振電路的特性，通過實驗驗證了所采用控制方案的正確性和充電系統的有效性。1串聯諧振CCPS工作原理

　　圖1給出了串聯諧振變換器電路，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，諧振回路參數用I和C1表示，負載折合到原邊用Q表示，得到等效電路如圖2所示。

　　過程二：諧振電流反向，續流二極管D，和D3導通，整流二極管D6和D8導通，其等效電路如圖4所示，工作波形如圖5中t1～t2所示。

　　對半個周期內的2個諧振過程建立小信號模型，并列寫時間狀態方程，根據諧振過程的初態和末態，可以得出諧振過程中電流、電壓的表達式。根據迭代原理，并認為C2》G，可得：1。= 8C1!U。即充電電流平均值與充電電壓無關，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串聯諧振CCPS電壓傳輸特性

　　圖6為電壓傳輸的頻率特性曲線，橫坐標表示開關頻率，縱坐標為負載電容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∞（在圖中對應曲線從上到下）。由圖6（a）和圖6（b）可見，當工作在諧振頻率附近時.電壓輸出較高，當負載（K）變化時，電壓有很大的變化，且K越大，電壓的調節特性越差，當K=∞（即C2=00）時，電路失去電壓調節能力。

　　圖7為不同開關頻率下，輸出電壓與負載的關系曲線，圖中F為開關頻率，fr為諧振回路的諧振頻率，C2為負載，U2為輸出電壓。圖7（a）中，曲線從下到上，F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與fr的比值依次為1.1、1.2、1.3、1.4、1.5。從圖中可進一步看出，負載微小的變化將引起很大的電壓變化，因此這種電路的結構形式不利于電壓調節。3串聯諧振CCPS電流傳輸特性

　　由圖2，回路的阻抗為：

　　當外加電壓不變時，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，計算參數為：L= 63UH，f=20 kHz，U=5（）0 V。k分別取1，3，5，8和∞（在圖中對應曲線從上到下）。

　　從圖中可以看出，當開關頻率在諧振頻率附近時，回路有很高的電流值;當開關頻率偏離諧振頻率一定值后，隨負載變化電流變化不大，可見電路有很好的電流調節能力。因此電路表現出電流源特性，電流源特性使得換流器呈現出固有的過載保護能力。4串聯諧振CCPS性能分析

　　綜上分析，串聯諧振變換器的主要缺點是，在K=∞時電路沒有了電壓調節能力。如圖6所示，當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節性能很差。另一個缺點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用場合。

　　這種電路結構的主要優點是串聯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構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，當開關頻率低于諧振頻率一定值后，隨負載的變化，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能力。5實驗結果及分析

　　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，驗證了串聯諧振C℃PS的恒流源特性。

　　6結論

　　本文給出了串聯諧振CCPS的電路原理圖及等效電路，建立了該電路的數學模型，分析了其在PFM方式下的工作過程。通過數學仿真的方法，研究了該電路的工作特性。實驗結果驗證了分析結論。