《諧振開關(guān)型變換器》課件

諧振開關(guān)型變換器諧振開關(guān)型變換器，也被稱為諧振轉(zhuǎn)換器，是一種廣泛應(yīng)用于電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的電子電路。其主要特點(diǎn)是利用諧振電路的特性來(lái)控制開關(guān)器件的開通和關(guān)斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。課程簡(jiǎn)介課程目標(biāo)學(xué)習(xí)諧振開關(guān)型變換器的基本原理、工作方式、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用領(lǐng)域。了解諧振變換器的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。課程內(nèi)容涵蓋諧振變換器的基本概念、典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法、性能指標(biāo)、設(shè)計(jì)流程和應(yīng)用案例等。課程安排本課程將通過(guò)理論講解、仿真分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和案例分析等多種教學(xué)方式進(jìn)行。諧振變換器概述高效轉(zhuǎn)換諧振變換器通過(guò)諧振電路實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，提高了效率，降低了損耗。軟開關(guān)技術(shù)利用諧振電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗，提高了可靠性。應(yīng)用廣泛諧振變換器應(yīng)用于電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無(wú)線充電等領(lǐng)域，發(fā)揮重要作用。諧振電路的基本分類串聯(lián)諧振電路串聯(lián)諧振電路是指電阻、電感和電容串聯(lián)連接的電路。并聯(lián)諧振電路并聯(lián)諧振電路是指電阻、電感和電容并聯(lián)連接的電路。串并聯(lián)諧振電路串并聯(lián)諧振電路是指串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路組合在一起的電路。串聯(lián)諧振電路串聯(lián)諧振電路由電感和電容串聯(lián)組成。當(dāng)電路的頻率達(dá)到諧振頻率時(shí)，電感和電容的阻抗大小相等，方向相反，相互抵消，電路總阻抗最小，電流最大。諧振頻率取決于電感和電容的大小，可以通過(guò)公式計(jì)算。并聯(lián)諧振電路并聯(lián)諧振電路由電感和電容并聯(lián)構(gòu)成。當(dāng)電路的頻率等于諧振頻率時(shí)，電路的阻抗達(dá)到最大值，電流最小，電路處于諧振狀態(tài)。并聯(lián)諧振電路在諧振頻率附近具有高阻抗特性，可以用來(lái)濾除特定頻率的信號(hào)，常用于濾波器和阻抗匹配電路中。半橋諧振變換器電路結(jié)構(gòu)半橋諧振變換器使用兩個(gè)開關(guān)管，通過(guò)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，再通過(guò)諧振電路實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。應(yīng)用領(lǐng)域半橋諧振變換器廣泛應(yīng)用于電源、照明、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域，特別適用于高效率、高功率密度的應(yīng)用場(chǎng)合。工作原理半橋諧振變換器通過(guò)開關(guān)管的交替導(dǎo)通和關(guān)斷，在諧振電路中產(chǎn)生諧振電流，利用諧振電流的能量傳遞實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。全橋諧振變換器全橋諧振變換器是一種高頻、高效率的DC-DC變換器，具有較高的功率密度和較低的電磁干擾。它在輸出端串聯(lián)一個(gè)諧振回路，通過(guò)控制開關(guān)頻率來(lái)控制輸出電壓。諧振變換器的工作原理1諧振電路的振蕩諧振變換器利用諧振電路的振蕩特性，在開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生高頻電流，并將能量傳遞到負(fù)載。2能量傳遞當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量?jī)?chǔ)存在諧振電路的電感或電容中；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，能量釋放到負(fù)載。3控制方式通過(guò)改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間或諧振電路參數(shù)來(lái)控制輸出電壓或電流，實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)。諧振變換器的磁性器件電感器電感器是諧振變換器中必不可少的器件。它們主要用于存儲(chǔ)能量并控制電路的諧振頻率。變壓器變壓器用于將輸入電壓升高或降低，以滿足輸出的要求。變壓器還可用于隔離輸入和輸出回路。諧振變換器的濾波器1低通濾波器用于濾除諧波和高頻噪聲，確保輸出電壓的平滑性。2LC濾波器由電感和電容組成，可以有效地濾除高頻噪聲，提高輸出電壓質(zhì)量。3π型濾波器由兩個(gè)電容和一個(gè)電感組成，提供更高的濾波效率，適用于高頻諧波。諧振變換器的控制方式11.頻率控制通過(guò)改變開關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，這種方式靈活且易于實(shí)現(xiàn)。22.占空比控制通過(guò)改變開關(guān)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，適用于固定頻率的應(yīng)用場(chǎng)景。33.閉環(huán)控制通過(guò)反饋機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓，并進(jìn)行調(diào)整，確保輸出電壓穩(wěn)定。諧振變換器的效率分析諧振變換器因其高效率而備受青睞。與傳統(tǒng)的開關(guān)變換器相比，諧振變換器可有效降低開關(guān)損耗，提高能量轉(zhuǎn)換效率。95%效率諧振變換器的效率通?？蛇_(dá)95%以上，甚至更高。5%~10%損耗主要損耗包括開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、磁芯損耗、寄生電容損耗等。100kHz工作頻率諧振變換器的工作頻率通常在100kHz以上，甚至更高。10~20W功率范圍諧振變換器適用于10~20W及以上功率范圍的應(yīng)用。諧振變換器的損耗分析損耗類型描述導(dǎo)通損耗開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的電阻損耗開關(guān)損耗開關(guān)器件開關(guān)過(guò)程中的能量損耗磁芯損耗磁性器件中的磁滯損耗和渦流損耗銅損耗線圈中的電阻損耗漏感損耗漏感中的能量損耗寄生電容損耗寄生電容中的能量損耗諧振變換器中的損耗主要包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、磁芯損耗、銅損耗、漏感損耗和寄生電容損耗。諧振變換器的熱設(shè)計(jì)散熱元件選擇根據(jù)功率等級(jí)和工作環(huán)境選擇合適的散熱器，例如鋁擠型散熱器、風(fēng)冷散熱器或水冷散熱器。熱量分析分析諧振變換器各元件的功耗，并利用仿真軟件或?qū)嶒?yàn)測(cè)量得到熱量分布。熱設(shè)計(jì)優(yōu)化通過(guò)調(diào)整散熱元件尺寸、風(fēng)扇速度或冷卻液流量等參數(shù)，優(yōu)化熱設(shè)計(jì)以滿足溫度要求。溫度監(jiān)控在諧振變換器中安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)元件溫度，并設(shè)置報(bào)警機(jī)制以防止過(guò)熱。諧振變換器的EMI設(shè)計(jì)電磁干擾（EMI）是諧振變換器設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的考慮因素。1屏蔽使用金屬外殼屏蔽諧振電路。2濾波在輸入和輸出端添加濾波器。3布局合理布局元件，減少干擾源。良好的EMI設(shè)計(jì)可以提高諧振變換器的可靠性和穩(wěn)定性。諧振變換器的應(yīng)用舉例電源應(yīng)用諧振變換器在電源系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，例如服務(wù)器電源、數(shù)據(jù)中心電源和電動(dòng)汽車充電器。它們的高效率、高功率密度和良好的電磁兼容性使其成為電源應(yīng)用的理想選擇。無(wú)線充電諧振變換器也適用于無(wú)線充電系統(tǒng)，例如手機(jī)無(wú)線充電和電動(dòng)汽車無(wú)線充電。它們可以實(shí)現(xiàn)高效、安全和便捷的無(wú)線能量傳輸。DC-DC諧振變換器設(shè)計(jì)1需求分析確定輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、功率等參數(shù)。2拓?fù)溥x擇根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的諧振拓?fù)?，例如半橋、全橋或LLC等。3元器件選擇選擇合適的諧振電容、電感、開關(guān)器件等。4控制策略確定控制方式，例如電壓模式控制或電流模式控制。DC-DC諧振變換器設(shè)計(jì)需要考慮多種因素，例如效率、功率密度、成本等。AC-DC諧振變換器設(shè)計(jì)1應(yīng)用領(lǐng)域AC-DC諧振變換器在工業(yè)電源、數(shù)據(jù)中心電源、太陽(yáng)能逆變器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可實(shí)現(xiàn)高效率、高功率密度和低電磁干擾。2設(shè)計(jì)流程AC-DC諧振變換器設(shè)計(jì)需考慮功率等級(jí)、輸入電壓范圍、輸出電壓、效率、功率密度、電磁兼容性等因素，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件。3關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)包括諧振電路設(shè)計(jì)、磁性器件設(shè)計(jì)、控制策略設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)等，需要綜合考慮各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)因素，確保整體性能指標(biāo)達(dá)到要求。LLC諧振變換器設(shè)計(jì)LLC諧振變換器是一種常用的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它具有高效率、高功率密度和低EMI等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種電源系統(tǒng)中。1選擇諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確定諧振頻率、諧振電感和電容等參數(shù)。2選擇半橋器件確定半橋開關(guān)管的類型、額定電壓和電流。3選擇輸出濾波器選擇合適的電感和電容，以濾除輸出電壓中的紋波。4控制電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)控制電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制。5PCB布局設(shè)計(jì)優(yōu)化PCB布局，以減少寄生參數(shù)和EMI。在設(shè)計(jì)LLC諧振變換器時(shí)，需要考慮許多因素，包括工作頻率、輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、效率、功率密度和EMI等。通過(guò)合理的參數(shù)選擇和設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的LLC諧振變換器。CLCL諧振變換器設(shè)計(jì)CLCL諧振網(wǎng)絡(luò)CLCL諧振變換器采用兩個(gè)電感和兩個(gè)電容組成諧振網(wǎng)絡(luò)，提供更靈活的頻率控制和更高的效率。此結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的輸出電壓調(diào)節(jié)和更高的功率密度。工作原理CLCL諧振網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式，例如零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)，有效降低開關(guān)損耗。應(yīng)用場(chǎng)景CLCL諧振變換器適用于高功率、高效率的電源應(yīng)用，例如服務(wù)器電源、數(shù)據(jù)中心電源和電動(dòng)汽車充電器。設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)CLCL諧振變換器需要仔細(xì)考慮諧振頻率選擇、參數(shù)匹配、控制策略等因素，以確保穩(wěn)定性和高效率。軟開關(guān)技術(shù)在諧振變換器中的應(yīng)用降低開關(guān)損耗軟開關(guān)技術(shù)通過(guò)控制開關(guān)器件的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗或低損耗的開關(guān)過(guò)程，從而有效降低開關(guān)損耗，提高變換器的效率。提高工作頻率軟開關(guān)技術(shù)可以使開關(guān)器件在更高的頻率下工作，從而縮小變換器的尺寸和重量，提高功率密度。改善電磁兼容性軟開關(guān)技術(shù)可以減少開關(guān)過(guò)程中的電磁干擾，提高變換器的電磁兼容性。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛軟開關(guān)技術(shù)在各種諧振變換器中得到廣泛應(yīng)用，包括DC-DC變換器、AC-DC變換器、無(wú)線充電等。諧振變換器的工作模式分析諧振變換器的工作模式取決于諧振電路的類型、開關(guān)器件的控制方式和負(fù)載條件。常見的諧振變換器工作模式包括：零電壓開關(guān)(ZVS)模式、零電流開關(guān)(ZCS)模式、諧振模式和準(zhǔn)諧振模式。ZVSZCS諧振準(zhǔn)諧振這些模式的應(yīng)用取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)需求，例如，ZVS模式適用于高頻、低功耗應(yīng)用，而ZCS模式適用于高功率、低頻應(yīng)用。諧振變換器的建模與仿真1建模電路參數(shù)設(shè)置2仿真動(dòng)態(tài)行為分析3優(yōu)化性能參數(shù)調(diào)整4驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比諧振變換器的建模與仿真對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)性能至關(guān)重要。通過(guò)建模，可以準(zhǔn)確地描述變換器的電路特性，并通過(guò)仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)行為分析，例如電壓電流波形、損耗分布等。仿真結(jié)果可以為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)，調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，提升效率和可靠性。諧振變換器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試1性能指標(biāo)效率、功率、電壓、電流2穩(wěn)定性負(fù)載變化、溫度變化3電磁兼容性EMI測(cè)試、EMC測(cè)試4可靠性壽命測(cè)試、可靠性分析實(shí)驗(yàn)測(cè)試是驗(yàn)證諧振變換器性能的關(guān)鍵步驟。測(cè)試內(nèi)容包括性能指標(biāo)、穩(wěn)定性、電磁兼容性和可靠性等。諧振變換器的可靠性分析元器件選擇使用可靠性高、壽命長(zhǎng)的元器件，如高品質(zhì)的功率開關(guān)、電感器和電容器。熱設(shè)計(jì)合理的熱設(shè)計(jì)，確保器件工作溫度在安全范圍內(nèi)，防止過(guò)熱導(dǎo)致故障。EMI抑制有效抑制電磁干擾，避免因干擾導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或故障。電路保護(hù)設(shè)置過(guò)流、過(guò)壓、短路等保護(hù)措施，防止器件損壞或系統(tǒng)故障。諧振變換器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)高頻化隨著功率器件和控制技術(shù)的發(fā)展，諧振變換器的工作頻率將越來(lái)越高，從而提高功率密度，減小體積。智能化諧振變換器將與人工智能技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制、故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)，提高可靠性。多功能化諧振變換器將集成更多功能，例如電源管理、能量存儲(chǔ)和無(wú)線充電，滿足更復(fù)雜的應(yīng)用需求。環(huán)保化諧振變換器將采用更高效的器件和更先進(jìn)的控制技術(shù)，降低損耗，提高能效，減少環(huán)境污染。課程小結(jié)1諧振變換器優(yōu)勢(shì)效率高，體積小，易于控制，適應(yīng)各種應(yīng)用。