谐振变压器资料

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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

2、知的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=sLR1/sCYI=1 ZI=1 R2ss22 so2其中，2R L=、1oLC=、2oQ=；品质因数 Q 定义为Q=一周期内存储的最大能量 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： 1/ 2ooLL CQRRCR=（注意Q 的定义为：Q=一周期内存储的最大能量 一周期内消耗的能量）RLC 网络在谐振峰值处的导纳主要与Q值

3、有关，而较少地与电感或电容值有关。以非阻尼的谐振频率为基准，谐振电路的半功率带宽等于 oQ1 =，它的含义可以这样描述：在频率2Qo o=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。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，当 Q 值很大（CLR2o），或低于谐振频率（fsw；同时为了让开关动作的过程相对于开关周期足够地快，还需要满足：swgateext10CL1；这就是设计中对Lext的约束。这一电路可以实现控制开关的占空比，并且允许在关断过程中回馈存储在驱动电路中的能量， 同时还能保持一定的开

4、关控制复杂性（随着开关频率的增加复杂性也跟着增加）。此外，还 存在很多其他的解决方案。以下是能够实现占空比控制的谐振驱动电路原理图，它的不足在 于不能完全减小损耗。其特点是：谐振开通，硬关断。如果不需要对占空比进行调解（如某种特定类型的功率放大器和谐振变换器），还可以使用 RF 放大器作为驱动电路，这就得到了多级放大系统。它的特点是：驱动电阻成为谐振电路 的负载；驱动电容成为谐振电路的一部分；MOSFET的驱动信号波形为正弦；减小驱动损耗。例如：前级是 E 型驱动电路，后级是E 型主电路。 可以组成 2 级、3级的放大器，以获得低驱动损耗的输出功率。功率传送与匹配考虑如上所述，很多的谐振变换器

5、只能在一个较窄的阻性负载范围内正常工作。但是，变换器驱 动的负载不一定与变换器本身很好地匹配（例如所设计的谐振驱动电路不一定与驱动电阻匹 配，导致性能下降）。 所以，我们需要考虑负载与谐振变换器匹配的程度，并且寻求将他们匹配的方法。最大功率 传输定理描述了如何将驱动电路与负载相匹配以获得最大传输功率的问题。最大功率传输定理 假设一个电压源描述为戴维宁电压源 VS和戴维宁电阻RS，负载电阻为RL，那么当 RL等于什 么值的时候，传输的功率最大？当0RL=时，0RIL2，所以功率为零；当=LR时，0I=，0RIL2，所以功率为零。 在什么情况下功率最大？()2 SLL2 SL2 RRRV21RI2

6、1P +=()()()()0RRRR RRRR2RRR RP2 SL2 L2 S 2 SLSLL2 SLL= += += 当SLRR=时，功率最大。更一般的，当S S SjX R Z+=时，最大功率负载为SS* SLLLjXRZjXRZ=+=。感性相互抵消，得到纯 阻性负载。这就使“共轭阻抗匹配”。如果只控制负载的电阻值而不是相位，就可以安装上 式选取负载阻抗，以获得最大输出功率。匹配网络 在很多应用背景中，需要为负载寻找一个与之相匹配的驱动电路，即寻找一个电路网络，对 电源进行调整，使得调整后的电源与负载匹配。 一种方案是通过变压器调整负载的输入阻抗。对于频段较窄的正弦波，可以考虑使用窄频段

7、的变压器。在实际中，可以使用一个感性的匹 配网络实现需要的变换。举一个简单的例子，假设负载电阻为R1，现在需要它匹配为一个较 小的电阻 R2。可以通过一个LC网络实现这一需求。将一个电容与 R1并联，22 122 1 22 1211111 eq1CR1CRjCR1R CRj1R Cj1RCjRZ + += += +=再加入一个与之串联的电感， + +=22 122 1 22 121 eq2CR1CRLjCR1RZ 通过选取 C 的值，可以使得在频率处2 eq2R Z Re=；通过选取L的值，可以使得在频率处0ZImeq2=。 这样就实现了从 R1到R2 的在频率处的变换。注意：由于使用了谐振电

8、路，这一变换过程 是没有损耗的；但是在实际系统中，由于电感电容的寄生效应，电能的传输是受到限制的。 一般的，为了“减小”电阻，需要两个电抗jv和jw。其中v 和w的符号必须相反（如分别 为感性和容性）。对于一个特定的频率上特定的比例，v+w的值是确定的。上图所示的结构有 2种实现方式，分别为：统称为 L 型匹配网络。为了将 R1“增加”到R2，需要先串联一个元件再并联一个元件（就是上图的反过程），如下 图所示：需要的变换比例越大，实现的难度就越高。当变换比例增加时，需要的Q值越高；而且电路 的频率选择性越大。参见 Everit Anner的通讯工程第三版412页。如果需要更大的变换比例，就需要

9、级联的L型网络。如果器件的尺寸和 Q值受到的限制，多级网络较单级网络好。在给定变换比和频率的情况下，单级 L型匹配网络器件的参数值是确定的。 为了获得更大的设计灵活性，可以选用T型或型网络。 型网络中的一个电抗的符号必须与另外的2个相反。 型网络可以看成是两个背靠背连接的L型网络先用一个 L 型网络将R1减小到一个中间值 RX（比R1、R2都小），第二个L 型网络再将RX升高 到 R2。 T型网络是一个双型网络。同样的，一个电抗的符号必须与另外的2 个相反，也看成是两 个背靠背连接的 L型网络，只不过中间的RY比 R1、R2都大。对于一个指定的 Q值，L型网络实现同样变换比例的效率较 型和T型网络更高。但型 和 T 型网络的设计自由度更大：1所使用的元件更小，设计更可行； 2频率选择性（Q 值）更大（在通信系统中对提高信号的纯度很重要）。 3可以设计具有指定输入输出信号相移的匹配网络。还需要注意负载电阻的波动对 L型匹配网络的影响。由上文可以得到：22 121 1NRCR1RZRe= += 当 R1增加时，R2下降；反之亦然。类似的情况还存在于其他 L型网络的设计中。 T型和 型网络是“非反转”型的，所以当R1增加时，R2增加。这一变化特性有助于选取匹 配网络的级数和类型（L 型或T型、型）。