5.2.3 电路及其工作原理
基于前文分析,本节给出变换器的设计方案,如图5.7所示,该变换器主电路由直流电源U、逆变开关S1、谐振电感L R、钳位二极管D1、压电变压器、倍压整流电路、负载电容C 1以及输出电压分压电阻R 1和R 2组成。C p为并接在变压器输入端的调节电容,作用是连同谐振电感L R调节压电变压器的输入电压值,并保证零电压开关的实现。为了描述方便,把电容C in与C p的并联等效电容称为缓冲电容,并记为C i。
图5.7 变换器主电路原理图
工作时逆变开关S1开关一次,完成一个周期,S1导通,直流电源对电感L R充电;S1截止,储存于电感的能量向压电变压器的输入电容放电,在压电变压器的输入端形成准正弦电压波形,经过压电变压器升压,以及倍压整流电路整流,输出一个脉动的直流电流给高压电容进行充电,分压电阻将输出电压反馈给控制电路,与预设电压值比较并控制开关S1的动作。
1.逆变电路工作模式分析
依照工作过程中逆变开关的状态,可将逆变驱动电路大致分为两种工作模式。其等效电路如图5.8所示。
·模式1[t 0～t 1]:t=t 0时,S1导通,由于S1的导通内阻很小,所以该状态下的压电变压器被S1短路,直流电源对电感L R线性充电。忽略电感L R的等效串联电阻及开关S1的导通电阻,那么此时电路满足:
·模式2[t 1～t 2]:t=t 1时,S1截止,储存于电感的能量向压电变压器的输入端电容放电形成谐振波形电压。分析易知,此刻的输入电容显然能够吸收开关S1和钳位二极管D1的寄生电容。为了获得理想的零电压开关条件,电路选择的开关驱动频率要稍大于压电变压器的工作频率,此时压电变压器的谐振支路阻抗呈感性,相比之下压电变压器的输入缓冲电容C i提供了一个低阻抗的通路,因此电感L R和缓冲电容C i是该逆变器的主谐振元件。电路近似满足:联立式(5.8)～式(5.10)并整理得
图5.8 逆变驱动等效电路
其中,
从式(5.11)可知,在给定压电变压器和谐振电感的情况下,开关S1的电压峰值随占空比D的大小而变化。为了降低开关器件的电压应力,D值不能太大。D值的具体大小应综合考虑压电变压器的升压比、输出电压要求及开关器件的耐压值确定。
图5.9所示是逆变电路在输入信号u GS为固定频率和固定占空比的情况下,开关S1工作于零电压开关状态下所对应的开关S1的电压u S1和输入谐振电感的电流i LR的理想工作波形。
2.谐振充电工作状态分析
图5.9 逆变驱动电路主要元件上的波形
将变压器的输出电容映射到压电变压器的主边电路,可以看出该变换器属于串并联谐振变换器。串并联谐振变换器的特点是,可以有效克服串联谐振和并联谐振直流环节存在的谐振峰值电压过高和谐振峰值电流过大的缺点,同时还能兼顾串联和并联谐振变换器的优势。在高压电容充电电源应用领域,通常负载电容值远大于谐振支路电容,因此决定电路谐振特性的电容值仍主要由C r决定。这样串并联谐振变换器对不同取值的储能电容进行充电时,不会太大地影响转换器的特性阻抗和已确定的开关频率值。
与普通电源中的串并联谐振变换器分析不同,电容充电电源变换器中储能电容器的电压是一个变量,随充电时间逐渐升高。假定电路中的元件均工作于理想状态,变换器的完整充电工作周期一般可分为4个状态,把压电变压器的次级输出网络映射到初级,记输出电容的映射电容为
,负载高压电容的映射电容为
,各状态的等效电路如图5.10所示。
图5.10 变换器工作过程的等效电路
其中
·状态1[t 0～t 1]:为了分析方便,取电流正向为零时,记为该模式的时间零点,等效电路如图5.10(a)所示,t 0时刻谐振电流i r开始从零按正弦波形给电容
充电,电路中的
参与谐振。该状态下电路处于内部谐振状态,不对负载提供能量,当
上的电压上升到u Cp=U L/n时,该工作状态结束。
·状态2[t 1～t 2]:在t 1时刻
上的电压上升到u Cp=U L/n,二极管D2导通,电路开始向负载输出能量。此时,
退出谐振,C′1参与电路谐振,但通常情况下
≫C r,因此电路的谐振特性几乎不受
的影响,当谐振电流i r正向减小到零时,该工作状态结束,等效电路如图5.10(b)所示。
·状态3[t 2～t 3]:在t 2时刻谐振电流i r正向减小到零,二极管D2自然关断,
参与谐振,电路停止向负载输出能量,进入内部谐振状态
上的电压开始下降,当电压降为零时,该工作状态结束,等效电路如图5.10(c)所示。
·状态4[t 3～t 4]:在t 3时刻
上的电压回落到u Cp=0,二极管D3导通
退出谐振。该状态结束时,回到初始状态,一个周期结束,等效电路如图5.10(d)所示。