利用基波分析法的串联谐振电容充电电源建模
张东辉
1, 2
, 严 萍
1
( 1. 中国科学院电工研究所, 北京 100080; 2. 中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘 要: 为进一步研究因具有电流源特性而已广泛应用于电容器充电电路中的串 联谐振变换 器, 利用基波分析法
分析了串联谐振变换器, 建立了串联谐振变换器基波分析法的稳态模型并在适当修改后用于串联谐 振电容充电电
源的研究。用搭建的 30 kW、1 kV 电容充电 电源样 机验证的结果表明, 实验与 理论结果 在特定 条件 下非常 符合。
利用该模型可更快地确定电路工作在给定条件下的谐振 参数, 使电 源的整体效率和器件的应力都取得最优, 使用
稳态模型仿真可大大地节省仿真时间, 从而使系统的设计更快捷, 工作更稳定。
关键词: 基波分析法; 串联谐振变换器; 电容充电电源; 开关网络; 稳态分析; 传递函数
中图分类号: T N624 文献标志码: A 文章编号: 10036520( 2007) 12020104
Study of the Series Resonant Capacitor Charging Power
Supply with Sinusoidal Analysis
ZH AN G Donghui
1, 2
, YAN Ping
1
( 1. Institut e of Elect rical Eng ineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China;
2. Graduate School of Chinese A cademy of Sciences, Beijing 100039, China)
Abstract: Sinuso idal analy sis is used fo r study of ser ies resonant conver ter in details. Resonant conver ters contain a
co nt rolled switch network that driv es a linear r eso nant tank netw or k. In a resonant invert, t he tank netw or k drives
a resistiv e load. T he reactive component of the lo ad impedance can be effectiv ely incor porated into the tank netw ork.
In the case of a resonant dcdc conver ter, the r esonant tank netw o rk is connected to an uncontro lled rectifier net
w or k, filter netw ork and load. A n equivalent circuit for the co nt rolled swit ch netwo rk is given. The dc pow er sup
plied by the v olt age source is conver ted into ac po wer at the sw itch o ut put. T he output rectifier is driv en by the
near ly sinusoidal tank o utput curr ent, so the rectifier and capacitiv e filter network can be modeled using effect ive re
sisto r. T he series resonant conver ter steady state mo del is established with sinuso idal analysis and is applied in series
resonant capacito r char ging pow er supply ( CCP S) . A pr otot ype of o utput v oltage 1 kV and output pow er 30 kW has
been built up. T he experimental results ag ree with the theor etic results. By using this mo del, reso nant par amet ers
can quickly be made sur e when w o rking on the specified co nditions, and eff iciency for this supply can be improved
and component str ess can be made minimum; mo reo ver, we can use less time w ith steady state model w hen simula
tion, so the designed sy stem w ill be steadier .
Key words: sinusoidal analysis; ser ies resonant conver ter; capacito r charg ing pow er supply; sw itching netw ork;
steady state analysis; tr ansfer function
0 引 言
串联谐振变换器具有电流源特性, 已广泛应用
于电容器充电电路中
[ 13]
。串联谐振变换器含有一
个 LC 谐振槽路。在一个或多个开关时区内, 谐振
槽路中各电量或其有用成分为正弦量。正弦量的幅
值在大范围内变化, 故 PWM 型变换器的研究所用
的 小 纹波假设 不 再 适 用于 谐 振 槽 路 的 分 析。
PWM 开关变换器是通过开关管的占空比实现输出
电压或输出电流及输出功率调节的 P WM 型开关调
节系统; 谐振变换器是通过改变开关网络的工作频
率实现输出量变频控制的谐振型开关调节系统
[ 2]
。
像前者一样, 后者也是一种强非线性、离散的病态系
统, 很难精确地建立其数学模型并从理论上得到系
统的瞬态解和稳态解, 更不能用经典控制理论设计
控制器并研究其稳定性。必须指出, 在传输能量方
面, 前者靠平均值传输能量, 而后者则靠 基波 传输
能量, 由此导致分析方法不同。在稳态分析方面, 前
者采用 平 均 值 分 析 法, 而后者则采用 基 波 分 析
法
[ 2 , 3]
。本文利 用基 波分析法分析 串联 谐振 变换
器, 并用于充电电源研究, 实验与理论结果相符。
1 串联谐振变换器的稳态分析法! 基波分析法
为便于分析, 先做如下假设: ∀ 整个变换器中所
有开关元件均为无损耗理想开关元件, 所有无源元
件均为线性元件。 # 开关网络 N
s
的输出电压 u
s
( t)
是一方波脉冲序列, 即占空比为 50% 。 ∃ 串联谐振
槽路 NT 的 Q 值一般选取> 0 5 且开关频率 f s 接近
%201%
第 33 卷 第 12 期
2007 年 12 月
高 电 压 技 术
H igh Voltag e Engineering
Vol . 33 N o. 12
Dec. 2007