5.1.3 系统设计要点
1.输入匹配网络
压电变压器的输入匹配网络是指开关网络和压电变压器输入端之间的接口电路。压电变压器通常与逆变驱动电路串联连接,而该逆变驱动电路也称为开关放大器,对于传统的射频放大器,其输入信号一般为一个周期信号源,射频电路的输入匹配网络的作用是匹配信号源与二端口网络之间的阻抗,使电路的增益达到最大。而压电变压器的输入匹配网络不同于传统射频放大器,它的主要作用是减小流入压电变压器谐振支路的电流,降低变压器的机械损耗,并且能创造软开关的实现条件,从而降低开关损耗和逆变电路中的干扰信号强度。由于压电变压器自身输入电容的容值较大,因此通常输入匹配网络为一个感性网络,即网络中至少应包含一个感性元件用来补偿压电变压器输入端的容性阻抗。
输入匹配网络的确定通常是在设计整个变换器的逆变驱动电路过程中进行,在实现直流到交流信号转换的同时,完成输入匹配网络的功能,这样可使电路得到进一步的简化。逆变驱动电路的设计原则是保证自身的输出阻抗在压电变压器的驱动频率范围内呈感性。因此,若逆变电路的效率足够高,输入匹配网络只包含一个电感或者一个电感与电容组成的L型匹配网络就能满足输入匹配网络的功能要求。
2.输出电路
(1)输出匹配网络
压电变压器的输出匹配网络设计目的是压电变压器的工作效率最大化,并减小流入压电变压器的无功功率。文献[92]利用功率流法基于压电变压器的传统二端口网络模型,依据负载导纳等于线性无源二端口网络的等效输出导纳的共轭复数,则负载上可以得到最大输出功率的理论可以推导出计算压电变压器的最大输出功率的公式。然后定义最佳负载为在输出功率不等于零的条件下,二端口网络的效率最大时所对应的负载为最佳负载,并可得到最佳负载的计算公式,由于最大功率和最佳负载的条件不能同时存在,最后利用功率流法对两个条件采取折中的方案,得到效率最大是的最佳负载。对于Rosen型压电变压器,通过该方法可以使效率的最大值达到97%,但输出匹配网络需串接一个1 H的电感,该电感的体积使该输出匹配网络在实际应用中不太现实。而负载直接接纯电阻电路时效率也能达到95.7%。因此当系统对Rosen型压电变换器的效率要求不太苛刻而又对其体积较敏感时,可以考虑略去输出匹配网络,输出端可以直接接整流电路。
(2)整流电路
前文已经提到,为了缩小系统的体积,通常利用单向性的无源不可控器件来实现。高压应用场合中通常采用倍压整流电路。
3.控制电路
量子型控制模式的最大特点是电路简单。由输入信号的频谱可知,输出电压闭环控制回路的控制信号类似于开环控制信号,因此系统不存在稳定性问题,不必对控制回路建立复杂的动态模型进行分析,所需做的只是保证控制回路的实时响应,并使压电变压器的输入电压在允许范围之内。
量子控制模式在压电高压变换器应用中有两个问题需要解决,一是设计反馈控制电路,二是选择适合于压电变压器的驱动信号频率。对于第一个问题,控制电路工作模式简单,易于实现;对于第二个问题,目前设计压电变换器还只是停留在“调试”阶段,相关文献未对频率选择给出详细理论分析,本书将详细分析量子型控制模式下频率选择的理论依据。