LC串聯(lián)諧振拓撲常用于高壓充電機及高壓電源的設(shè)計開發(fā)?；谒哂懈咝芰總鬏?、頻率選擇性、體積小型化以及可靠性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高壓充電電源、靜電駐極電源以及靜電除塵高壓電源等設(shè)備。

今天為大家?guī)淼氖荓C串聯(lián)諧振變換器的電路結(jié)構(gòu)以及工作原理的講解，快和小編一起學(xué)習(xí)吧。

一、拓撲構(gòu)成

這里以森木磊石LC高壓充電電源為例，對電路的拓撲結(jié)構(gòu)進行講解。LC高壓充電機包括原邊LC全橋串聯(lián)諧振電路、變壓器和副邊整流電路，參見下圖。

副邊電路常用的有全橋整流電路（下圖（左））以及倍壓整流電路（下圖（右）)。全橋整流適用于大電流場景，對于小電流應(yīng)用場景可采用倍壓整流電路。

原邊全橋電路包含：輸入直流源Vin、輸入電容Cin、功率開關(guān)管器件（Q1~Q4）、諧振電感以及諧振電容Cr，其中體二極管（D1~D4）以及寄生結(jié)電容（C1~C4）為功率開關(guān)器件的自有部分。副邊電路包含整流二極管（DR1~DR10）以及負載（Cd）等。

二、工作模式

在LC串聯(lián)諧振電路工作過程中有兩個關(guān)鍵頻率：開關(guān)頻率fs和諧振頻率fr。開關(guān)頻率是指電路開關(guān)器件控制信號頻率，而諧振頻率與電路的諧振電感與諧振電容有關(guān)：fr=1/2π√LC

根據(jù)電路的開關(guān)頻率fs與諧振頻率fr的關(guān)系，LC串聯(lián)諧振拓撲電路分為三種工作模式：

工作模式1:0<fs,<0.5fr

電路工作在電流斷續(xù)工作模式（DCM），諧振電流波形如下圖。

該模式下，開關(guān)器件Q1~Q4為零電流開通（t=0及t3時刻），零電流關(guān)斷(t1、t4時刻)，二極管D1~D4為低損耗開通和關(guān)斷。在這種模式下，開關(guān)損耗低且電磁干擾小。

工作模式2：0.5fr<fs<fr

電路工作在連續(xù)電流模式（CCM），諧振回路呈容性，諧振電流波形如下圖。

在這一工作模式下，Q1~Q4為硬開通（t2、t4時刻），零電流關(guān)斷（t1、t3時刻）。為了減少反向恢復(fù)電流，二極管D1~D4必須有較好的反向恢復(fù)特性。這一工作模式下?lián)p耗和電磁干擾較大。

工作模式3：fr<fs

電路工作在連續(xù)電流模式（CCM），諧振回路呈感性，諧振電流波形如下圖。

在這一工作模式下，S1～S4為零電流開通（t1、t3時刻），硬關(guān)斷（t2、t4時刻），給電路造成較大的損耗和電磁干擾，電路的輸出特性與恒流源的特性有所偏離。

三、工作原理

在實際工程中工作模式1與工作模式3應(yīng)用較多，其中工作模式1為脈沖頻率調(diào)制（PFM）方式串聯(lián)諧振，工作模式3為脈寬調(diào)制（PWM）方式串聯(lián)諧振。這里以副邊全波整流電路結(jié)構(gòu)為例，分析電路在這兩種工作模式下的工作原理。

1、PFM模式原理

在半個開關(guān)周期內(nèi)，LC諧振電路的一對開關(guān)器件和續(xù)流二極管會完成一次諧振，每次諧振包含兩個工作過程。電路波形如下圖，其中Q1~Q4為開關(guān)器件的控制信號，iLr為諧振電感電流，v1為諧振電容兩端電壓，v2為負載電容等效至原端電壓。

t0~t1：此時Q1與Q4導(dǎo)通，電感電流大于零，原邊電流經(jīng)Q1、Lr、Cr、Q4流動，給Cr充電，變壓器副端DR1、DR4導(dǎo)通，電流經(jīng)DR1、DR4給負載電容Cd充電；

t1~t2：t1時刻電感電流反向，原邊D1、D4導(dǎo)通續(xù)流，Cr放電，變壓器副端DR2、DR3導(dǎo)通，電流經(jīng)DR2、DR3給負載電容Cd充電；

t2~t3：t2時刻Cr放電結(jié)束，電感電流為零，此時Q2與Q3還未收到驅(qū)動信號，電路中并無器件導(dǎo)通，電路處于開路狀態(tài)，負載Cd兩端電壓基本保持不變；

后半周期的諧振過程與前半周期類似，在此就不再贅述?？梢婋娐访看沃C振都會給負載電容進行充電，使其兩端電壓上升一個臺階，這種充電方式又稱為等臺階充電。

2、PWM模式原理

PWM 方式串聯(lián)諧振是近年來研究的一大熱點，它充分發(fā)揮了PWM 技術(shù)和諧振變換的優(yōu)點。由于電路的諧振頻率和開關(guān)頻率較高，充電電容在一個諧振周期中電壓變化非常微小。因此，可研究在 PWM 控制方式下輸出電壓不變的穩(wěn)態(tài)工作過程。

t0~t1：此時Q1與Q4導(dǎo)通，原邊電流經(jīng)Q1、Lr、Cr、Q4流動給Cr充電，變壓器副端DR1、DR4導(dǎo)通，電流經(jīng)DR1、DR4給負載電容Cd充電；

t1~t2：時刻Q1與Q4關(guān)斷，原邊D2、D3導(dǎo)通續(xù)流，諧振電流逐漸減小，變壓器副端DR1、DR4導(dǎo)通，電流經(jīng)DR1、DR4給負載電容Cd充電；

t2~t3：t2時刻諧振電流降為零，此時Q2與Q3還未收到驅(qū)動信號，電路中并無器件導(dǎo)通，電路處于開路狀態(tài)，負載Cd兩端電壓基本保持不變；

四、副邊整流電路

LC串聯(lián)諧振電源若為低壓輸出（輸出電壓小于20kV）可直接采用整流電路，電路結(jié)構(gòu)如圖，假設(shè)U1為輸出最高電壓，二極管/硅堆D1~D4直流反向耐壓應(yīng)為2U1，整流硅堆通流能力I應(yīng)大于等于5倍的輸出電流值。例如U1為20kV時，二極管可參考型號2CL40kV/5A。

在小電流充電的應(yīng)用場景里，可以采用多級倍壓整流電路獲得直流高壓。電路由電容與二極管構(gòu)成，10倍壓整流的參考電路如下圖。U1為倍壓電路輸入電壓，U2為倍壓電路輸出電壓。兩者與倍壓等級n的關(guān)系為：U2=nU1（此處n=10)。

需要注意的是，二極管的耐壓值應(yīng)留3~4倍的裕量，即每個二極管耐壓應(yīng)不小于(3~4)U2/n，二極管通流參考值為5nIo。二極管需要使用快恢復(fù)二極管，同時為防止短路燒二極管，選用的二極管最大浪涌需要盡量大。

電容的耐壓值可以留2.5~3倍的裕量來考慮，即(2.5~3)U2/n。電容容值則需根據(jù)開關(guān)頻率fs等綜合因素來考慮。根據(jù)電荷量Q=C·U=I·t可得：

故電容參考值選擇應(yīng)大于Ion2/0.1U2fs。其中Io為輸出電流值，n為倍壓等級，U2為輸出電壓，fs為開關(guān)頻率。

關(guān)于LC串聯(lián)諧振電路的工作原理就介紹到這里，希望本篇的內(nèi)容能幫助大家更好的了解LC串聯(lián)諧振變換器的工作過程。之后我們會繼續(xù)對LC串聯(lián)諧振拓撲進行電路設(shè)計并搭建電路仿真模型，對電路進行仿真調(diào)試，驗證電路的工作性能。歡迎感興趣的工程師們一起溝通交流！