諧振變流技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

【摘 要】諧振變流技術(shù)在電力系統(tǒng)的運(yùn)行和發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用，不同的諧振變流技術(shù)的特點(diǎn)以及產(chǎn)生的條件之間都存在著明顯的差異。為了對諧振變流技術(shù)進(jìn)行研究和探討，主要通過不斷對電路的結(jié)構(gòu)和特征進(jìn)行轉(zhuǎn)變，對其應(yīng)用狀況加強(qiáng)了解，進(jìn)而明確諧振變流技術(shù)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】諧振；變流技術(shù)；發(fā)展；應(yīng)用

對于電路來說，開關(guān)變換的技術(shù)可以分成兩種情況，其中諧振變流技術(shù)是其中的一種。另外一種是脈寬調(diào)制技術(shù)，這種技術(shù)的應(yīng)用主要是以中斷功率流的方式來進(jìn)行，對功率的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行控制，形成的電流和電壓情況是脈動的。這種技術(shù)的應(yīng)用歷史相對比較早，以美國為代表，另外，脈寬調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用日益成熟化，主要的運(yùn)行范圍在20-50kHz，因?yàn)橹环秶闹亓?、效率和可靠性等因素都能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量最優(yōu)。但是，在實(shí)際的工作中逐漸曝露出諸多的問題，其中包括電量損耗大，高頻用電高峰元器件損壞的程度相對較大，出現(xiàn)的干擾程度也在不斷加強(qiáng)。但是諧振技術(shù)會對這一問題進(jìn)行緩解，形成標(biāo)準(zhǔn)的電壓電流，降低開關(guān)的應(yīng)力?？梢姡C振技術(shù)的應(yīng)用尤其必然性。

1.諧振變換電路的結(jié)構(gòu)及特征

所謂的諧振變換電路就是在電力的開關(guān)上增加相應(yīng)的電感和元件，另一方面可以利用電路寄生電容來形成L諧振電路。這種情況可以使得相關(guān)的器件隨意進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開關(guān)變換的高效性。

1.1負(fù)載諧振變換電路

負(fù)載諧振變換電路的具體情況如圖1所示，諧振作用下的電壓和電流可以在負(fù)載上得以體現(xiàn)，其中連接的形式也可以分成串聯(lián)和并聯(lián)諧振變化器等多種形式，其中恒流和恒壓源的特點(diǎn)也被淋漓盡致地體現(xiàn)出來。

1.2準(zhǔn)諧振變換電路

準(zhǔn)諧振變換電路的基礎(chǔ)就是開關(guān)變化器，在這一基礎(chǔ)上加入的諧振電感和電容兩個因素。因此，從本質(zhì)上來看，主要是脈寬調(diào)制型和傳統(tǒng)的諧振型相融合的一種形式，其優(yōu)點(diǎn)明顯易見，不僅可以完善電路的相關(guān)電壓和電流，還能降低開關(guān)的損耗量。

需要注意的是，準(zhǔn)諧振變換電路的連接形式主要分成兩種，其中包括零電流開關(guān)式和零電壓開關(guān)式兩種。

1.2.1零電流準(zhǔn)諧振變換電路

在具體的情況下，諧振電容和二極管形成并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，其中諧振電感和由于開關(guān)形成串聯(lián)。如果有源開關(guān)能夠允許電流單相流通，這時(shí)諧振變換電路處于半波模式，如果選擇的是雙向流通，則工作模式處于全波模式。但是需要注意的是，在實(shí)際的工作中，需要將功率控制在一定的范圍內(nèi)，但是缺點(diǎn)也相對比較明顯，其中包括開關(guān)開通的損耗量，要對開關(guān)兩端的電壓控制在一定的范圍內(nèi)。進(jìn)而減少能耗量。對于準(zhǔn)諧振開關(guān)來說，主要的兩種形式見圖2。

1.2.2零電壓準(zhǔn)諧振變換電路

電路的模式主要是諧振電容和開關(guān)之間形成的是并聯(lián)的形式，而諧振電感和二極管之間要擦用串聯(lián)的方式。和準(zhǔn)諧振開關(guān)的形式相同，根據(jù)電壓電流的雙向和單向的區(qū)別來實(shí)現(xiàn)全波和半波的模式。在這一過程中主要采用的技術(shù)是導(dǎo)通技術(shù)，其中損耗問題不得不受到技術(shù)人員的高度關(guān)注，提升開關(guān)的工作頻率，使得電容處于一個相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)是最終的目標(biāo)。但是，零電壓準(zhǔn)諧振變換電路之間存在的主要特點(diǎn)就是S上的電壓應(yīng)力和負(fù)載變化范圍成正比，因此可以根據(jù)電壓值來對負(fù)載變化的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，如果寄生電容的諧振電感出現(xiàn)震蕩的現(xiàn)象會產(chǎn)生較高的損耗量，直接影響電路運(yùn)行的效率。如果電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境不穩(wěn)定就會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

1.3多諧振變換電路

有源開關(guān)和無源開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)對于寄生參數(shù)也會產(chǎn)生較大的影響，自從美國提出多諧振變換電路概念之后，工作人員對這一問題的重視程度不斷增加。

1.3.1零電流多諧振變換電路

這種電路形式的二極管和諧振的電容形成并聯(lián)，這種方式是多諧振變換電路的重要構(gòu)成部分。

1.3.2零電壓多諧振變換電路

這種結(jié)構(gòu)可以通過圖3來具體體現(xiàn)，其中零電流和電壓的的運(yùn)行關(guān)系較為密切。

多諧振網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)吸收和利用了變換電路中所有開關(guān)器件的寄生電容和電路中的寄生電感，使有源開關(guān)和無源開關(guān)均具有良好的開關(guān)條件。與QRC相比，它降低了開關(guān)器件承受的電壓電流應(yīng)力，增大了工作負(fù)載的范圍，減小了開關(guān)頻率的調(diào)節(jié)范圍。

1.4諧振環(huán)變換電路

諧振環(huán)可分為兩大類：諧振交流環(huán)和諧振直流環(huán)。它們都可以有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。由于RACL所用開關(guān)器件數(shù)比BDCL多一倍，故RACL在實(shí)際中很少采用。它是在普通PWM型DC/AC逆變器的輸人直流電壓與逆變器中間插入一個L諧振環(huán)節(jié)，使輸入到逆變橋的電壓由大小不變的直流電壓轉(zhuǎn)變成周期振蕩電壓，以實(shí)現(xiàn)逆變器中開關(guān)器件的零電壓開關(guān)。逆變器的輸出維持正弦交流電壓波形不變，但逆變橋輸人振蕩電壓頻率比輸出電壓頻率要高很多。RDCL變換電路的優(yōu)點(diǎn)是：電路結(jié)構(gòu)清晰，不改變直流母線兩側(cè)變換器的結(jié)構(gòu)，只對公共直流母線電壓或電流進(jìn)行操作；過零點(diǎn)對所有整流器和逆變器開關(guān)都有效，因而電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要為每個開關(guān)配備一套諧振元件；開關(guān)器件的開通和關(guān)斷均為零電壓或零電流條件。

2.諧振變流技術(shù)的應(yīng)用

2.1開關(guān)穩(wěn)壓電源

開關(guān)穩(wěn)壓電源廣泛應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)、彩電、宇航設(shè)備、軍用設(shè)備等領(lǐng)域，一般采用準(zhǔn)諧振變換電路。日本用開關(guān)器件制成了功率為5kw的ZVC一QRC開關(guān)穩(wěn)壓電源。美國于1990年做出了功率密度為4.5w/cm3，運(yùn)行頻率為10MHz的多諧振開關(guān)電源。

2.2直流電機(jī)驅(qū)動

采用準(zhǔn)諧振變流技術(shù)進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換，驅(qū)動直流電機(jī)工作。

2.3高頻感應(yīng)加熱

傳統(tǒng)的高頻感應(yīng)加熱電源采用電子管高頻振蕩器，效率一般只有50-60%，熱慣性大，壽命短歸籠，而且工作頻率可調(diào)范圍極小，不能滿足不同工藝、不同負(fù)載的要求。隨著新型功率開關(guān)器件的出現(xiàn)，電力電子高頻感高應(yīng)加熱裝置逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位。國外有采用Srr作為開關(guān)器件，頻率200kHz，功率200kw，效率達(dá)90%的高頻電源。國內(nèi)已研制出300k場/20kw/MOSFET串聯(lián)諧振變換式電源。

3.結(jié)束語

諧振變流技術(shù)中電路拓?fù)浞治鰪?fù)雜，工作模式因負(fù)載而改變；一般為變頻控制，其控制電路復(fù)雜，易受干擾，還會產(chǎn)生高頻噪聲；開關(guān)器件承受電流、電因立力大。利用諧振開關(guān)中器件的損耗很微小和硬開關(guān)PWM中器件的電壓和電流應(yīng)力小的特點(diǎn)，使開關(guān)在零電壓/零電流下轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換完成后則工作于硬開關(guān)PWM狀態(tài)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]張恩懷.開關(guān)電源和發(fā)展概況.電力電子技術(shù)，2010，（2）：74-78.