谐振型电源变换器原理说解
谐振型电源变换器原理说解

脉宽调制型变换器通过控制开关管的导通占空比来调节输出电源功率，而谐振型变换 器以正弦形式处理功率开关管，使得开关管在零电流或者在零电压的情况下实现导通和关闭，从而降低开关功耗，提高变换效率。在20世纪 70年代到80年代期间，20-50KHz的开关频率是非常普遍的。到了90年代，随着MOSFET的高电压器件的出现，为了进一步提高功率密 度，开关频率提高到了几百KHz乃至几MHz，随着频率升高，开关损耗增加，加上变压器存在的漏感，开关管存在的结电容，使得开关管承受感 性关断、容性导通的恶劣条件。关断时，由Ldi/dt感应电势产生电压尖刺和噪声，同时关断时结电容储存CV^2/2的能量；当开关导通时， 电容上的能量损耗在器件内部，造成严重的开关噪声，并且通过开关密勒电容藕合到驱动电路，使得驱动电路产生噪声和不稳定的因素。为了改善晶体管的工作条件，提出零电流开关(zcs）和零电压（Zvs）开关技术，并且引入谐振的概念。



零电流谐振开关

零电流谐振开关由开关Sl、电感Lr、电容Cr构成，其中电感同开关串联。如图11.15:



按照开关中电流允许单向还是双向流动，可以分为半波型和全波型，如图11.16:



图（b）中，采用了二极管使得电流可以双向流动，所以是全波型的。

谐振开关的原理是：当LC回路经过开关管谐振，电流缓慢上升，在电流上升之前，晶体管经过驱动进入饱和区，由于LC的谐振作用，开关

中的电流将震荡，使开关能够自动换流。由于谐振开关没有瞬态的大电压和大电流同时流过，因此开关管的损耗是很低的，离开关管的安全工 作区（SOA）很远，保证了开关管可靠地工作。

零电压谐振开关

将开关Sl同电容Cl并联，就构成了零电压（ZVS）开关。原理框图如图11.17:



同样，依据开关中电流的流向分为半波型和全波型。

谐振型开关技术解决了常规的PWM开关电路在开关切换时开关管损耗过大的问题。谐振型开关在零电流和零电压时进行切换，大大减小了切换

损耗。但是在提高工作效率方面也碰到了新的问题。谐振型开关转换技术分为谐振、准谐振、多谐振三种，这里不一一举例，感兴趣的读者可以查看相关技术书籍。谐振型开关转换技术特点是不需要增加额外功率开关管实现单管变换器开关管零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS）。这类变换器不同于脉宽调制（PWM）技术，有器件应力高、循环能量大和变频控制等缺点。

此外，由于谐振电源中传输的是正弦波，PWM电路中传输的是方波，正弦波包含的能量没有方波高。经过谐振型开关电源减低了开关损耗，可

是传递的能量也下降了，所以整体转换效率并不比PWM电路高多少。人们希望将两种拓扑结构结合起来。首先利用脉宽调制提供方波电压、电

流，对于同样的电流，不仅提供更多的功率，同时开关管保持较低的导通损耗。其次，利用零电压谐振技术，在开关管上的电压达到零以后再 转换。

然后再改变两组方波之间的相移进行控制，电路工作在恒定的开关频率上，这种相移零电压技术，采用全桥变换器很容易实现。全桥变换的好 处是利用4个晶体管可以方便地实现ZVT或ZCT，同时可输出大的功率，这是多管隔离型直流变换器得到广泛应用的原因。

ZVZCS（零电压零电流开关）

PWMDC/DC变换器从技术的角度分析（主要是相移方式的不同，可参见有关书籍），全桥变换技术种类很多。但是，主要有两种，一种是

zvsPwMDC/DC变换器，另一种是ZVZCSPWMDC/DC变换器。这里，仅仅简单介绍后一种电路的工作原理。zVzCSPWMDC/DC变换器

的方式也有好几种，这里给出一种原理图，它在滞后桥臂中串入两个二极管。如图11.18:



Ql,Q2,Q3,Q4是四只开关管；Dl,D2是续流二极管；D3,D4是桥臂滞后二极管；Cb是阻断电容，通常容量很大；变压器的原、副线圈匝比为K

;L工为线圈的等效漏感；以下是分析条件：

．假定二极管和三极管的开关是理想的；

．电感、电容是理想元件；

·阻断电容Cb足够大；

·CI=C3=Cr;

·rLf>>Llk;

图11.19是该电路的主要参考点的波形。

在一个开关周期中，变换器有10种开关模态（状态），其等效电路在下面逐一画出，其中，粗线条代表电流流过的路径。

各个开关模态的描述如下：

(a）开关模态O

等效电路如图11.20，其中ip为初级线圈中的电流方向。



在t0时刻之前，Ql、Q4导通。原边电流iP给阻断电容Cb充电。假定输出滤波电感足够大，可以将它当成是一个电流源。此时，原边电

流Ipo=Io/K,Io是输出电流，K为变压器原副边线匝比。阻断电容Cb上的电压为Vcb(t0）。

(b）开关模态1

电流流向如图11.21，其中ip为初级线圈中的电流方向。

(c）开关模态2

对应于[tl,t2]时刻，电流流向如图11.22，其中ip为初级线圈中的电流方向。





(d）开关模态3对应于［t2,t3]，电流流向如图11.23，其中ip为初级线圈中的电流方向。



在这个开关模态中，原边电流为ip=O;A电对应电压为Va=O,B点对应电压为Vb=-Vcbp。副变两个整流管同时导通均分负载电流。

(e）开关模态3

对应于［t3,t4]，电流流向如图11.24，其中ip为初级线圈中的电流方向。









以上是zVzCS典型电路的各个开关过程的分析过程。实际设计中，还要确定若干技术参数，详细细节请参见专业书籍。现在流行的集成式电容

开关转换器，具有体积小（一般是SOP封装），输出功率小的特点，特别适合于低功耗应用场合。