1.2基本二元和三元谐振拓扑

接下来我们来看看基本的谐振单元

首先是串联谐振

串联在输入和输出之间

串联在输入和输出之间

它的增益曲线如图所示

因为是串联在输入和输出之间

它无法将输入信号放大

所以增益小于等于一

只能实现降压不能实现升压

这种特性类似于

开关电源中的 BUCK 变换器

其次是并联谐振

这种结构能够放大输入信号

并且在谐振频率附近能有比较高的增益

最后一种结构我们称之为陷波谐振

它由串联在输入和输出之间的

两个并联谐振元件

或者是并联在输出端的

两个串联谐振元件组成

第一种情况类似于串联谐振

它的增益也是小于等于一的

但是不同的是在谐振频率点

陷波谐振的增益会迅速衰减到零

对于第二种情况

如果要实现输入电压的调节

那么必须在输入和输出之间

再串联一个电容或电感

不然的话输入输出之间是短路的

无法完成对电压的调节

这边是一个串联了电感的陷波谐振的例子

它的增益曲线由两部分组成

一部分类似于我们的并联谐振

拥有较高的增益

另一部分是陷波谐振本身的特性

在谐振点增益为零

通常我们希望变换器工作在

增益曲线斜率为负的区域

来实现软开关

而陷波谐振在这块区域的斜率比较陡峭

频率变化范围也比较窄

并且陷波谐振的增益曲线比较复杂

所以一般不建议选择这个拓扑

二元的谐振拓扑总的来说有八种

然而不是每一种拓扑

都适合电压源输入的

像这两个拓扑

因为它的电容与输入之间直接接在一起

所以需要输入为电流源的情况才有意义

而上面这个拓扑

它的电感是被输入电压所钳位

并没有参与谐振

下面这个拓扑由于输入和输出之间是短路

所以它没有电压调节的能力

所以这样的话我们就只剩四种拓扑

也就是我们之前提到的

一种串联谐振两个并联谐振

还有一个陷波谐振

对于三个元件组成的谐振拓扑

总共有 36 种可能性

其中 23 种可以用于电压源输入

如果要保证所有的谐振元件都参与谐振过程

那么就只剩 15 种如下所示

这 15 种拓扑中有 8 种是属于陷波谐振

从它们增益曲线可以看出

其增益特性非常复杂

这会给我们设计带来极大的挑战

而右边的拓扑实际上是带分压电感的串联谐振

它的增益恒小于一

我们把研究重点放在左边的这几个拓扑

最左边的这三个都是由两个电感

和一个电容组成

拥有相似的增益曲线

我们把它们统称为 LLC 谐振变换器

上面这三个拓扑

只是由一个电感和两个电容组成的

我们把它统称为 LCC 谐振变换器

从它们的增益曲线可以看出

LCC 的峰值增益

比 LLC 变换器的峰值增益要高

适合更高增益的一些应用

如宽范围输入和输出电压的一些场合

我们后面会再讲到

然后我们来看看谐振变换器

是如何实现软开关的

或者说是零电压导通

首先什么是零电压

零电压导通意味着开关管两端的电压

在开关管导通之前就下降为零

还是以 LLC 为例

在上管关断之前

下管的输出电容两端还有残余的电压

我们需要一个电流

将 MOS 管上输出电容的能量

在该 MOS 管导通之前就放到零

如何保证这一点呢

首先我们需要确保

加在开关网络后面的谐振腔是感性的

这样的话流过开关管的电流

就会滞后于开关管节点的电压

那么也就是说

在开关管开通之前

就有电流对 MOS 管的输出电容进行放电

然而仅仅是工作于感性区域

并不能保证零电压导通

我们还需要保证储存在

谐振电感上的能量要大于 MOS 管上

输出电容的能量

可以通过这个公式来计算

注意这里需要考虑两个 MOS 管的

输出电容作为总的等效电容

因为电感电流在对下管输出电容

进行放电的同时

也在对上管的输出电流进行充电

另外我们还要保证有足够的死区时间

来完成这个放电过程

这三个条件是谐振变换器

实现软开关的必要条件 缺一不可

接下来我们来看看基本的谐振单元

首先是串联谐振

串联在输入和输出之间

串联在输入和输出之间

它的增益曲线如图所示

因为是串联在输入和输出之间

它无法将输入信号放大

所以增益小于等于一

只能实现降压不能实现升压

这种特性类似于

开关电源中的 BUCK 变换器

其次是并联谐振

这种结构能够放大输入信号

并且在谐振频率附近能有比较高的增益

最后一种结构我们称之为陷波谐振

它由串联在输入和输出之间的

两个并联谐振元件

或者是并联在输出端的

两个串联谐振元件组成

第一种情况类似于串联谐振

它的增益也是小于等于一的

但是不同的是在谐振频率点

陷波谐振的增益会迅速衰减到零

对于第二种情况

如果要实现输入电压的调节

那么必须在输入和输出之间

再串联一个电容或电感

不然的话输入输出之间是短路的

无法完成对电压的调节

这边是一个串联了电感的陷波谐振的例子

它的增益曲线由两部分组成

一部分类似于我们的并联谐振

拥有较高的增益

另一部分是陷波谐振本身的特性

在谐振点增益为零

通常我们希望变换器工作在

增益曲线斜率为负的区域

来实现软开关

而陷波谐振在这块区域的斜率比较陡峭

频率变化范围也比较窄

并且陷波谐振的增益曲线比较复杂

所以一般不建议选择这个拓扑

二元的谐振拓扑总的来说有八种

然而不是每一种拓扑

都适合电压源输入的

像这两个拓扑

因为它的电容与输入之间直接接在一起

所以需要输入为电流源的情况才有意义

而上面这个拓扑

它的电感是被输入电压所钳位

并没有参与谐振

下面这个拓扑由于输入和输出之间是短路

所以它没有电压调节的能力

所以这样的话我们就只剩四种拓扑

也就是我们之前提到的

一种串联谐振两个并联谐振

还有一个陷波谐振

对于三个元件组成的谐振拓扑

总共有 36 种可能性

其中 23 种可以用于电压源输入

如果要保证所有的谐振元件都参与谐振过程

那么就只剩 15 种如下所示

这 15 种拓扑中有 8 种是属于陷波谐振

从它们增益曲线可以看出

其增益特性非常复杂

这会给我们设计带来极大的挑战

而右边的拓扑实际上是带分压电感的串联谐振

它的增益恒小于一

我们把研究重点放在左边的这几个拓扑

最左边的这三个都是由两个电感

和一个电容组成

拥有相似的增益曲线

我们把它们统称为 LLC 谐振变换器

上面这三个拓扑

只是由一个电感和两个电容组成的

我们把它统称为 LCC 谐振变换器

从它们的增益曲线可以看出

LCC 的峰值增益

比 LLC 变换器的峰值增益要高

适合更高增益的一些应用

如宽范围输入和输出电压的一些场合

我们后面会再讲到

然后我们来看看谐振变换器

是如何实现软开关的

或者说是零电压导通

首先什么是零电压

零电压导通意味着开关管两端的电压

在开关管导通之前就下降为零

还是以 LLC 为例

在上管关断之前

下管的输出电容两端还有残余的电压

我们需要一个电流

将 MOS 管上输出电容的能量

在该 MOS 管导通之前就放到零

如何保证这一点呢

首先我们需要确保

加在开关网络后面的谐振腔是感性的

这样的话流过开关管的电流

就会滞后于开关管节点的电压

那么也就是说

在开关管开通之前

就有电流对 MOS 管的输出电容进行放电

然而仅仅是工作于感性区域

并不能保证零电压导通

我们还需要保证储存在

谐振电感上的能量要大于 MOS 管上

输出电容的能量

可以通过这个公式来计算

注意这里需要考虑两个 MOS 管的

输出电容作为总的等效电容

因为电感电流在对下管输出电容

进行放电的同时

也在对上管的输出电流进行充电

另外我们还要保证有足够的死区时间

来完成这个放电过程

这三个条件是谐振变换器

实现软开关的必要条件 缺一不可