LC串联谐振拓扑构成与工作原理分析
lc串联谐振拓扑常用于高压充电机及高压电源的设计开发。基于它具有高效能量传输、频率选择性、体积小型化以及可靠性等优点，被广泛应用于高压充电电源、静电驻极电源以及静电除尘高压电源等设备。
今天为大家带来的是lc串联谐振变换器的电路结构以及工作原理的讲解，快和小编一起学习吧。
拓扑构成
本文以lc高压充电电源为例，对电路的拓扑结构进行讲解。
lc高压充电机包括原边lc全桥串联谐振电路、变压器和副边整流电路，参见下图。
副边电路常用的有全桥整流电路以及倍压整流电路（如下图)。全桥整流适用于大电流场景，对于小电流应用场景可采用倍压整流电路。
原边全桥电路：包含输入直流源vin、输入电容cin、功率开关管器件（q1~q4）、谐振电感以及谐振电容cr，其中体二极管（d1~d4）以及寄生结电容（c1~c4）为功率开关器件的自有部分。
副边电路：包含整流二极管（dr1~dr10）及负载（cd）等。
工作模式
在lc串联谐振电路工作过程中有两个关键频率：开关频率fs和谐振频率fr。
开关频率是指电路开关器件控制信号频率，而谐振频率与电路的谐振电感与谐振电容有关：
根据电路的开关频率fs与谐振频率fr的关系，lc串联谐振拓扑电路分为三种工作模式：
▍工作模式1：0s<0.5fr
电路工作在电流断续工作模式（dcm），谐振电流波形如下图。
该模式下，开关器件q1~q4为零电流开通（t=0及t3时刻），零电流关断(t1、t4时刻)，二极管d1~d4为低损耗开通和关断。在这种模式下，开关损耗低且电磁干扰小。
▍工作模式2：0.5frsr
电路工作在连续电流模式（ccm），谐振回路呈容性，谐振电流波形如下图。
在这一工作模式下，q1~q4为硬开通（t2、t4时刻），零电流关断（t1、t3时刻）。为了减少反向恢复电流，二极管d1~d4必须有较好的反向恢复特性。
这一工作模式下损耗和电磁干扰较大。
▍工作模式3：frs
电路工作在连续电流模式（ccm），谐振回路呈感性，谐振电流波形如下图。
在这一工作模式下，s1～s4为零电流开通（t1、t3时刻），硬关断（t2、t4时刻），给电路造成较大的损耗和电磁干扰，电路的输出特性与恒流源的特性有所偏离。
工作原理
在实际工程中工作模式1与工作模式3应用较多，其中工作模式1为脉冲频率调制（pfm）方式串联谐振，工作模式3为脉宽调制（pwm）方式串联谐振。
这里以副边全波整流电路结构为例，分析电路在这两种工作模式下的工作原理。
no.1pfm模式原理
在半个开关周期内，lc谐振电路的一对开关器件和续流二极管会完成一次谐振，每次谐振包含两个工作过程，电路波形如下图。
其中，q1~q4为开关器件的控制信号，ilr为谐振电感电流，v1为谐振电容两端电压，v2为负载电容等效至原端电压。
t0~t1：此时q1与q4导通，电感电流大于零，原边电流经q1、lr、cr、q4流动，给cr充电，变压器副端dr1、dr4导通，电流经dr1、dr4给负载电容cd充电；
t1~t2：t1时刻电感电流反向，原边d1、d4导通续流，cr放电，变压器副端dr2、dr3导通，电流经dr2、dr3给负载电容cd充电；
t2~t3：t2时刻cr放电结束，电感电流为零，此时q2与q3还未收到驱动信号，电路中并无器件导通，电路处于开路状态，负载cd两端电压基本保持不变。
后半周期的谐振过程与前半周期类似，在此就不再赘述。
可见电路每次谐振都会给负载电容进行充电，使其两端电压上升一个台阶，这种充电方式又称为等台阶充电。
no.2pwm模式原理
pwm方式串联谐振充分发挥了pwm技术和谐振变换的优点，是近年来研究的一大热点。
由于电路的谐振频率和开关频率较高，充电电容在一个谐振周期中电压变化非常微小。因此，可研究在pwm控制方式下输出电压不变的稳态工作过程。
t0~t1：此时q1与q4导通，原边电流经q1、lr、cr、q4流动给cr充电，变压器副端dr1、dr4导通，电流经dr1、dr4给负载电容cd充电；
t1~t2：时刻q1与q4关断，原边d2、d3导通续流，谐振电流逐渐减小，变压器副端dr1、dr4导通，电流经dr1、dr4给负载电容cd充电；
t2~t3：t2时刻谐振电流降为零，此时q2与q3还未收到驱动信号，电路中并无器件导通，电路处于开路状态，负载cd两端电压基本保持不变。
副边整流电路
lc串联谐振电源若为低压输出（输出电压小于20kv）可直接采用整流电路，电路结构如图。
假设u1为输出最高电压，二极管/硅堆d1~d4直流反向耐压应为2u1，整流硅堆通流能力i应大于等于5倍的输出电流值。例如u1为20kv时，二极管可参考型号2cl40kv/5a。
在小电流充电的应用场景里，可以采用多级倍压整流电路获得直流高压。电路由电容与二极管构成，10倍压整流的参考电路如下图。
u1为倍压电路输入电压，u2为倍压电路输出电压。两者与倍压等级n的关系为：u2=nu1（此处n=10)。
需要注意的是，二极管的耐压值应留3~4倍的裕量，即每个二极管耐压应不小于(3~4)u2/n，二极管通流参考值为5nio。需要使用快恢复二极管，同时为防止短路烧二极管，选用的二极管最大浪涌需要尽量大。
电容的耐压值可以留2.5~3倍的裕量来考虑，即(2.5~3)u2/n。电容容值则需根据开关频率fs等综合因素来考虑。
根据电荷量q=c·u=i·t可得：
故电容参考值选择应大于ion2/0.1u2fs。
其中，io为输出电流值，n为倍压等级，u2为输出电压，fs为开关频率。
关于lc串联谐振电路的工作原理今天就介绍到这里，相信大家也都对lc串联谐振变换器的工作过程有了更好的了解。
后续我们将继续带领大家对lc串联谐振拓扑进行电路设计及电路仿真模型搭建，与大家一起对电路进行仿真调试，验证电路的工作性能。
iPhone15预计上市时间
技术前沿：原子层沉积ALD介绍
如何为柔性PCB制造选择合适的板材料？
比特币波动率持续走低的主要原因是什么
Arduino LiPo电池观察器的制作
LC串联谐振拓扑构成与工作原理分析
电机绕组产生的电势和磁势
基于芯鼎盛TX4130设计的POE电源DC-DC开关降压恒压芯片DEMO说明
海四达的锂电储能业务在2018年实现大幅增长
小米新品让人惊艳, 或依然保持性价比
【工程师开发板使用测评】爱普特 APT32F110 ev board 试用测评连载06
漏电保护器的组成和工作原理图文详解
AMD将在2020年发布哪些新品
LED日光灯和普通日光灯的区别
英伟达（NVIDIA）2019年全年营收同比下降7%
变压器的型号规格
MCS-51单片机与FPGA接口的逻辑设计
人工智能包括什么专业
鲁大师发布PC硬盘性能排行：三星霸榜 大容量硬盘增长
机器人产业发展趋势甚好，仿生机器人该如何突围
今天为大家带来的是lc串联谐振变换器的电路结构以及工作原理的讲解，快和小编一起学习吧。
拓扑构成
本文以lc高压充电电源为例，对电路的拓扑结构进行讲解。
lc高压充电机包括原边lc全桥串联谐振电路、变压器和副边整流电路，参见下图。
副边电路常用的有全桥整流电路以及倍压整流电路（如下图)。全桥整流适用于大电流场景，对于小电流应用场景可采用倍压整流电路。
原边全桥电路：包含输入直流源vin、输入电容cin、功率开关管器件（q1~q4）、谐振电感以及谐振电容cr，其中体二极管（d1~d4）以及寄生结电容（c1~c4）为功率开关器件的自有部分。
副边电路：包含整流二极管（dr1~dr10）及负载（cd）等。
工作模式
在lc串联谐振电路工作过程中有两个关键频率：开关频率fs和谐振频率fr。
开关频率是指电路开关器件控制信号频率，而谐振频率与电路的谐振电感与谐振电容有关：
根据电路的开关频率fs与谐振频率fr的关系，lc串联谐振拓扑电路分为三种工作模式：
▍工作模式1：0s<0.5fr
电路工作在电流断续工作模式（dcm），谐振电流波形如下图。
该模式下，开关器件q1~q4为零电流开通（t=0及t3时刻），零电流关断(t1、t4时刻)，二极管d1~d4为低损耗开通和关断。在这种模式下，开关损耗低且电磁干扰小。
▍工作模式2：0.5frsr
电路工作在连续电流模式（ccm），谐振回路呈容性，谐振电流波形如下图。
在这一工作模式下，q1~q4为硬开通（t2、t4时刻），零电流关断（t1、t3时刻）。为了减少反向恢复电流，二极管d1~d4必须有较好的反向恢复特性。
这一工作模式下损耗和电磁干扰较大。
▍工作模式3：frs
电路工作在连续电流模式（ccm），谐振回路呈感性，谐振电流波形如下图。
在这一工作模式下，s1～s4为零电流开通（t1、t3时刻），硬关断（t2、t4时刻），给电路造成较大的损耗和电磁干扰，电路的输出特性与恒流源的特性有所偏离。
工作原理
在实际工程中工作模式1与工作模式3应用较多，其中工作模式1为脉冲频率调制（pfm）方式串联谐振，工作模式3为脉宽调制（pwm）方式串联谐振。
这里以副边全波整流电路结构为例，分析电路在这两种工作模式下的工作原理。
no.1pfm模式原理
在半个开关周期内，lc谐振电路的一对开关器件和续流二极管会完成一次谐振，每次谐振包含两个工作过程，电路波形如下图。
其中，q1~q4为开关器件的控制信号，ilr为谐振电感电流，v1为谐振电容两端电压，v2为负载电容等效至原端电压。
t0~t1：此时q1与q4导通，电感电流大于零，原边电流经q1、lr、cr、q4流动，给cr充电，变压器副端dr1、dr4导通，电流经dr1、dr4给负载电容cd充电；
t1~t2：t1时刻电感电流反向，原边d1、d4导通续流，cr放电，变压器副端dr2、dr3导通，电流经dr2、dr3给负载电容cd充电；
t2~t3：t2时刻cr放电结束，电感电流为零，此时q2与q3还未收到驱动信号，电路中并无器件导通，电路处于开路状态，负载cd两端电压基本保持不变。
后半周期的谐振过程与前半周期类似，在此就不再赘述。
可见电路每次谐振都会给负载电容进行充电，使其两端电压上升一个台阶，这种充电方式又称为等台阶充电。
no.2pwm模式原理
pwm方式串联谐振充分发挥了pwm技术和谐振变换的优点，是近年来研究的一大热点。
由于电路的谐振频率和开关频率较高，充电电容在一个谐振周期中电压变化非常微小。因此，可研究在pwm控制方式下输出电压不变的稳态工作过程。
t0~t1：此时q1与q4导通，原边电流经q1、lr、cr、q4流动给cr充电，变压器副端dr1、dr4导通，电流经dr1、dr4给负载电容cd充电；
t1~t2：时刻q1与q4关断，原边d2、d3导通续流，谐振电流逐渐减小，变压器副端dr1、dr4导通，电流经dr1、dr4给负载电容cd充电；
t2~t3：t2时刻谐振电流降为零，此时q2与q3还未收到驱动信号，电路中并无器件导通，电路处于开路状态，负载cd两端电压基本保持不变。
副边整流电路
lc串联谐振电源若为低压输出（输出电压小于20kv）可直接采用整流电路，电路结构如图。
假设u1为输出最高电压，二极管/硅堆d1~d4直流反向耐压应为2u1，整流硅堆通流能力i应大于等于5倍的输出电流值。例如u1为20kv时，二极管可参考型号2cl40kv/5a。
在小电流充电的应用场景里，可以采用多级倍压整流电路获得直流高压。电路由电容与二极管构成，10倍压整流的参考电路如下图。
u1为倍压电路输入电压，u2为倍压电路输出电压。两者与倍压等级n的关系为：u2=nu1（此处n=10)。
需要注意的是，二极管的耐压值应留3~4倍的裕量，即每个二极管耐压应不小于(3~4)u2/n，二极管通流参考值为5nio。需要使用快恢复二极管，同时为防止短路烧二极管，选用的二极管最大浪涌需要尽量大。
电容的耐压值可以留2.5~3倍的裕量来考虑，即(2.5~3)u2/n。电容容值则需根据开关频率fs等综合因素来考虑。
根据电荷量q=c·u=i·t可得：
故电容参考值选择应大于ion2/0.1u2fs。
其中，io为输出电流值，n为倍压等级，u2为输出电压，fs为开关频率。
关于lc串联谐振电路的工作原理今天就介绍到这里，相信大家也都对lc串联谐振变换器的工作过程有了更好的了解。
后续我们将继续带领大家对lc串联谐振拓扑进行电路设计及电路仿真模型搭建，与大家一起对电路进行仿真调试，验证电路的工作性能。
iPhone15预计上市时间
技术前沿：原子层沉积ALD介绍
如何为柔性PCB制造选择合适的板材料？
比特币波动率持续走低的主要原因是什么
Arduino LiPo电池观察器的制作
LC串联谐振拓扑构成与工作原理分析
电机绕组产生的电势和磁势
基于芯鼎盛TX4130设计的POE电源DC-DC开关降压恒压芯片DEMO说明
海四达的锂电储能业务在2018年实现大幅增长
小米新品让人惊艳, 或依然保持性价比
【工程师开发板使用测评】爱普特 APT32F110 ev board 试用测评连载06
漏电保护器的组成和工作原理图文详解
AMD将在2020年发布哪些新品
LED日光灯和普通日光灯的区别
英伟达（NVIDIA）2019年全年营收同比下降7%
变压器的型号规格
MCS-51单片机与FPGA接口的逻辑设计
人工智能包括什么专业
鲁大师发布PC硬盘性能排行：三星霸榜 大容量硬盘增长
机器人产业发展趋势甚好，仿生机器人该如何突围