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1、第23卷第1期电工电能新技术Vol.23,No.12004年1月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyJan.2004功率谐振变换器及其发展方向朱建华,罗方林(南洋理工大学电气工程系,新加坡639798)摘要:功率谐振变换器是一种基于软开关技术的电力电子变换装置。本文从拓扑结构、开关特性和控制技术等不同角度出发,讨论了谐振变换器的基本结构、特点及运行规律,并且提出了相关的应用领域和今后的发展方向。关键词:功率谐振变换器;软开关技术中图分类号:TM91文献标识码:A文章编号:100323076(2004)0120
2、055205换装置称为谐振逆变器。1引言211交流输入源自80年代以来,随着高频开关器件的诞生,电谐振变换器中的交流方波输入源通常由直流电力电子装置逐渐向高频化、集成化和模块化方向发源经过开关逆变器逆变后得到,所需直流电源既可展。事实证明,提高开关频率能够减小装置的体积,从交流市电经整流滤波后获得,也可由蓄电池等恒提高设备的功率密度和可靠性,并且降低开关噪定电源直接供电。交流输入源按性质分为电压源型[1,2]声。在传统的PWM变换器中,由于开关管的硬和电流源型两种,按极性又可分为半波输入和全波开关特性,开关损耗随着频率的提高而急剧增大。输入。对于电压源型变换器,其输入电压
3、稳定性高,谐振变换器的提出,能够有效地减小开关损耗,使开动态响应速度快,且易于实现。然而,当上下桥臂直关频率得以进一步提高。此外,平滑变化的波形和通短路时,电流的变化率和峰值都较大,保护困难。较小的电压P电流变化率也有利于改善系统的电磁与之相比,电流源型变换器的输入电流纹波较小,易[3]兼容性。目前,功率谐振变换器已在高频功率变实现短路保护,因此更适于大电流应用领域,但其存[4]换领域得到广泛的重视和研究。在关断电压高和效率较低等缺陷。图2为几种典型的电压源型开关逆变器的结构2功率谐振变换器的结构和特点示意图。注意到全桥式逆变器的输出电压vab幅值功率谐振变换器的结构如图
4、1所示。交流方波与半波式逆变器相同,而高于半桥式逆变器。同时,电压或电流加在谐振网络两端,产生高频谐振,谐振在半桥式逆变器中,由于谐振网络的输入电流不能电压或电流经过整流和滤波后,转变成直流电压或突变,当开关管关断时,续流二极管导通,故逆变器电流,从而实现直流2直流变换(DC2DC)。特别地,的输出电压vab即谐振网络输入电压vin的占空比为若省却整流滤波环节,将谐振电压或电流直接输出50%。而在全桥式逆变器中,由于开关管和二极管到负载,则实现直流2交流变换(DC2AC),相应的变构成续流回路(如S1和D2),vin被箝在零位,其占空比d可以小于50%。电流源型开关逆变器
5、的拓扑结构与电压源型成对偶关系。212谐振网络作为谐振变换器的核心部分,谐振网络通常由图1功率谐振变换器的结构示意图多个无源电感或电容组成。由于元件个数和连接方Fig.1Schematicdiagramofpowerresonantconverter式上的差异,谐振网络衍生出多种拓扑结构。例如,收稿日期:2003205220作者简介:朱建华(19782),男,江西籍,博士生,研究方向为高频谐振变换器和软开关技术;罗方林(19462),男,湖北籍,副教授,博导,博士,从事交直流电机的驱动控制系统及直流开关变换器的研究。56电工电能新技术第23卷高,只适于输入电压波动较小且负
6、荷恒定的应用场合。此外,由于谐振电容Cp直接跨接在负载侧两端,电路需要附加相应的过载和短路保护电路。与SRC和PRC相比,三元件串并联谐振变换器综合了前两种谐振电路的特点[图4(c)]。当负荷图2电压源型开关逆变器的拓扑结构图Fig.2Typicaltopologiesofvoltagesourceswitchinginverter较重时,SPRC的特性偏向于SRC;而负荷较轻时,其特性又类似于PRC。SPRC具有非常优异的输出电两元件谐振网络有8种拓扑结构,三元件谐振网络压调整率及短路自保护功能,而且轻载时效率较高。有38种结构,而四元件谐振网络更多达182种结同时,S
7、PRC的输出电压和负载无关,在较窄的频率[5]构。在众多的拓扑结构中,目前最常见的有串联调节范围内能够实现从空载到满负荷变化。当然,谐振变换器(SRC)、并联谐振变换器(PRC)和串并联SPRC也存在一些不足,例如增加的谐振元件会带来[628]谐振变换器(SPRC),其结构如图3所示。新的导通损耗,而谐振峰值点也会随着负载的变化而偏移。尽管如此,从总体上看,串并联谐振变换器的性能仍然十分优异。图3几种典型的谐振网络拓扑图Fig.3Diagramofseveraltypicalresonanttopologies与Buck变换器
