串联谐振电路原理分析.pdf

串联谐振电路原理分析华意电力是一家专业研发生产串联谐振的厂家，本公司生产的串联谐振在行业内都广受好评，以打造最具权威的“串联谐振“高压设备供应商而努力。串联谐振的定义和条件在电阻、电感、电容串联电路中，当电路端电压和电流同相时，电路呈电阻性，电路的这种状态叫做串联谐振。可以先做一个简单的实验，如图所示，将：三个元件R、L 和 C 与一个小灯泡串联，接在频率可调的正弦交流电源上，并保持电源电压不变。实验时，将电源频率逐渐由小调大，发现小灯泡也慢慢由 暗变亮。当达到某一频率时，小灯泡最亮，当频率继续增加时，又会发现小灯泡又慢慢由亮变暗。小灯泡亮度随频率改变而变 化，意味着电路中的电流随频率而变化。怎么解释这个现象呢?在电路两端加上正弦电压 U，根据欧姆定律有式中串联谐振的特点（1）因为串联谐振时，Xl=Xc，故谐振时电路阻抗为（2）串联谐振时，阻抗最小，在电压 U 一定时，电流最大，其值为由于电路呈纯电阻，故电流与电源电压同相，（3）电阻两端电压等于总电压。电感和电容的电压相等，其大小为总电压的Q 倍，即即式中 Q 为串联谐振电路的晶质因数，其值为谐振电路的选择性由于串联谐振电路具有“选频”的本领。如果一个谐振电路，能够比较有效地从邻近的不伺频率中选择出所需要的频率，而相邻的不需要的频率，对它产生的干扰影响很小，我们就说这个谐振电路的选择性好，也就是说它具有较强的选择信号的能力。串联谐振逆变器也称电压型逆变器，其原理图如图 2.2 所示。串联谐振型逆变器的输出电压为近似方波，由于电路工作在谐振频率附近，使振荡电路对于基波具有最小阻抗，所以负载电流 近似正弦波同时，为避免逆变器上、下桥臂间的直通，换流必须遵循先关断后导通的原则，在关断与导通间必须留有足够的死区时间。图 2.2 串联逆变器结构（a）容性负载（b）感性负载图 2.3 负载输出波形当串联谐振逆变器在低端失谐时(容性负载)，它的波形见图 2.3(a)。由图可见，工作在容性负载状态时，输出电流的相位超前于电压相位，因此在负载电压仍为正时，电流先过零，上、下桥臂间的换流则从上(下)桥臂的二极管换至下(上)桥臂的 MOSFET。由于MOSFET 寄生的反并联二极管具有慢的反向恢复特性，使得在换流时会产生较大的反向恢复电流，而使器件产生较大的开关损耗，而且在二极管反向恢复电流迅速下降至零时，会在与 MOSFET 串联的寄生电感中产生大的感生电势，而使 MOSFET 受到很高电压尖峰的冲击当串联谐振型逆变器在高端失谐状态时(感性负载)，它的工作波形见图 2.3(b)。由图可见，工作在感性负载状态时，输出电流的相位滞后于电压相位，其换流过程是这样进行的，当上(下)桥臂的 MOSFET 关断后，负载电流换至下（上）桥臂的反并联的二极管中，在滞后一个死区时间后，下(上)桥臂的 MOSFET 加上开通脉冲等待电流自然过零后从二极管换至同桥臂的 MOSFET.由与 MOSFET 中的电流是从零开始上升的，因而基本实现了零电流开通，其开关损耗很小。另一方面，MOSFET 关断时电流尚末过零，此时仍存在一定的关断损耗，但是由于 MOSFET 关断时间很短，预留的死区不长，并且因死区而必须的功率因数角并不大，所以适当地控制逆变器的工作频率，使之略高于负载电路的谐振频率，就可以使上(下)桥臂的MOSFET 向下(上)桥臂的反并联的二极管换流其瞬间电流也是很小的，即MOSFET 关断和反并联二极管开通是在小电流下发生的，这样也限制了器件的关断损耗。上述分析可知，串联谐振型逆变器在适当的工作方式下，开关损耗很小因而，可以工作在较高的工作频率下这也是串联谐振型逆变器在半导体高频感应加热电源中受到更多重视的主要原因之一。电路的功率调节原理电源工作在开关频率大于谐振频率状态，负载呈感性，负载电流滞后于输出电压 r 角。所以在高频条件下输出功率表达式为：式中的 0.9 是因为矩形波所乘的波形率。从式中可以看出当输入电压一定时，可以通过调节输出电流滞后输出电压的滞后角 r 来调节输出功率。而滞后角 r 是由谐振参数和开关管工作频率共同决定的。从上式可以看出当系统工作在谐振频率时=1，即 r 为 0 度，系统输出的功率最大。当开关频率提高时，滞后角r 同时开始增大，输出功率开始下降，从而完成功率调节。系统原理结构