电力电子课程讲义

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1、电力电子课程讲义D.Perreault谐振变换器在很多变换器的应用中，有一种变换器将直流电变换为高频正弦交流电（作为中间环节或直接输出）。这些应用包括：1.雷达、通信中的射频功率放大器；2.感应炉的高频逆变器；3.使用高频正弦中间储能环节的谐振DC/DC变换器；4.日光灯的电弧装置5.使用谐振储能或作为变压器的其他电力变换器（如压电型机电变压器）。在这里，我们主要讨论适合这类应用变换器的拓扑结果、设计以及控制方法。可以发现，这些应用存在一些共性问题：1.高频正弦交流波形2.需要高效率的电能转换但是，这些应用还存在不同的性能指标要求：1.负载特性（窄的、已知的

2、负载或宽的负载需求）；2.需要或不需要对输出的闭环控制；3.高质量的正弦波形（需要或不需要）。二.谐振电路复习二阶谐振电路举例（串联型）：ZI=sLR1/sC112sYI=Z=R22Is2soR1ww=o其中，a=、o、Q=；2LLC2a一周期内存储的最大能量品质因数Q定义为Q=。一周期内消耗的能量在低频段，导纳取决于电容；在高频段，导纳取决于电感；在谐振点，电感和电容相互抵消，导纳由电导1/R决定。对于高品质因数的串联谐振电路：woL1L/C一周期内存储的最大能量Q===（注意Q的定义为：Q=）2RwoRCR一周期内消耗的能量RLC网络在

3、谐振峰值处的导纳主要与Q值有关，而较少地与电感或电容值有关。1bw以非阻尼的谐振频率为基准，谐振电路的半功率带宽等于=，它的含义可以这样描述：Qwowo在频率w=wo±处，从电压源传递到负载的功率下降到谐振频率处功率的一半。2Q三．D型放大器假设我们用半桥逆变器驱动串联谐振电路（驱动电阻性负载RL）。通过建模可以得到：控制开关选取占空比D约等于0.5，L当Q值很大（R<<）并且开关频率约等于谐振频率时，负载电流IL近似为正弦波。C在需要高质量正弦波形的应用中（如通讯领域），我们可以让变换器工作在非常靠近谐振频率的范围内（调节VS实现AM，而调节fsw实现FM

4、）。在需要调节负载功率的应用中，我们可以扩大开关频率的调节范围，大于或小于谐振频率，如果滤除谐波成分，就会得到近似正弦的负载电流。如在上例中，通过控制fsw来调节lL：ww3wooo高于谐振频率（fsw>2p），或低于谐振频率（fsw<2p）。不过，注意fsw不要大于2p，以防止放大谐波成分。当谐波得到有效滤除时，负载电流IL近似为正弦波。考虑以上的谐振变换器的运行情况：电流IL滞后与基波电压Vx，所以谐振电流呈感性。所以：二极管在零电压处关断；开关管在零电压处开通；开关管关断和二极管导通属于硬换流。但是，如果我们在开关两端增加电容，或者增加足够的死区时间，

5、我们就可以获得开关管关断和二极管导通的软换流（就像谐dVx振极点逆变器那样）。如果负载在VX充电/放电到VS/F时等于零，换流过程是十分“dt软”的，这一过程被称为“DE”型运行。如果变换器运行在低于谐振频率的情况下，就会出现与以上描述相反的过程。开关器件的关断是软换流，而开通是硬换流。这可以使用晶闸管组成主电路，如下图所示：在另外一种情况下，开关器件的电压嵌位于VS，但是IL和VC可能会出现很大的峰值。2电容电压基波VCwowo====Q22驱动电压基波Vs+2as+w2aXos=jwoL电容电压的幅值等于驱动电压基波幅值的C倍，这是一个很大的值！Q=R对

6、于串联型谐振电路，需要特别考虑负载电阻的范围（驱动范围）。1．如果R太小，变换器就应该工作远离谐振频率的工作点，以防止电压电流的幅值过大。2．如果R太大，电路的选择性就变差了——电流不是正弦的；软换流特性也将失去。我们可以用一个整流器代替负载电阻，就得到了串联型谐振DC/DC变换器。通过控制开关频率来控制IL和Vdc。不过，这一动态控制过程很有挑战性的。我们还可以使用一个开关器件组成高频谐振变换器“E”型变换器（由MIT校友NatSokal发明）上图中的虚线部分在开关频率附近呈感性，其阻抗的数量级与负载相同。CP为吸收电容；开关频率高于串联电路的谐振频率；L

7、dc要足够大以平滑输入直流电流。电路网络在两种谐振结构中切换：dVsw1．元器件的值经过选取，使得在开关开通时=0，得到开通的软换流（零电压换流）；dt2．只能在较窄的负载范围（约2:1）内正常工作；3．CP使得关断也是软换流（零电压换流）；4．由于开关的工作特性，开关的开通和关断过程占到了开关周期较大的一部分（约10%）。“E”型变换器使用一个开关器件就实现了软开关特性的逆变功能。同时门级驱动电路可以设计得比较“慢”，而不过于影响效率。但是，我们为一个开关的结构付出的“代价”是：开关器件承受的峰值电压是直流电压的3-4倍；相对于“D”型变换器而言，“E”型

8、变换器的开关利用率较低。应对的办法是：通过增加额外的