CN103296989A - 谐振电感分段串联电容谐振电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于谐振变换器的谐振电感分段串联电容谐振电路，属于电能变换领域。本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：待串联电容补偿的谐振电感绕组由若干绕组段串联组成，其中至少有一对相邻的绕组段间还串有谐振电容。组成谐振电感的各段串联绕组之间可以有磁通耦合关系，也可以没有磁通耦合关系。本发明能够克服现有电感、电容串联谐振电路采用的集中式补偿方法无法解决的谐振电感绕组电压应力过高的缺点。可应用于各类谐振变换器中构造电感、电容串联谐振电路。

Description

谐振电感分段串联电容谐振电路

技术领域

本发明涉及一种适用于谐振变换器的谐振电感分段串联电容谐振电路，属于电能变换领域。

背景技术

谐振变换器具有高效率、高功率密度以及良好的EMI特性，在功率变换场合得到了广泛的应用。通过引入谐振网络，来得到部分谐振或是完全谐振的电压或电流，实现谐振变换器的软开关，获得高效率及高功率密度的特性。谐振电感和谐振电容作为谐振网络中不可或缺的部分，可用来获得所需的谐振波形和输出特性。

电感、电容串联谐振电路是常用的谐振网络，通过调整工作频率可以灵活地控制谐振网络的阻抗特性和输出特性。由于谐振电容电压与谐振电感电压相位相反，也会称谐振电容为谐振电感的补偿电容。当待补偿谐振电感感抗较大，负载较重时，串联谐振电容的电流会增大，引起谐振电容的电压应力显著增加，使得串联谐振电容成为影响谐振变换器可靠性的重要因素之一。为了解决该问题，常用的方法是将单个谐振电容替代为多个谐振电容的串并联组合，从而降低单个电容的电压及电流应力。采用这种方法对改善谐振电容自身的电压及电流应力十分有效，但无法解决重载时由谐振电容所引起的谐振电感绕组端电压较高的问题。谐振电感绕组的端电压为输入电压与谐振电容电压叠加而成，谐振电容电压过高相应导致电感绕组端电压过高，引起绝缘困难和高压导致的无功损耗。孙泽，王钢.谐振技术及其应用[J].电源技术应用，2002,5(3)：93-96中指出谐振电感存在高压时，会增加电感元件的高频损耗，使得电感发热，引起绝缘问题，影响变换器的正常运行。赵修科.磁性元器件分册[M].第一版，沈阳：辽宁科学技术出版社，2002，99-100则叙述了可以通过采用梯式线圈结构或者蜂房式绕制方法来减小相邻绕组间的电位差，从而减少绝缘层的电场储能和绕组等效寄生电容以及所引起的无功损耗。

无论是单个谐振电容还是采用多个谐振电容的串并联组合，都是利用串联谐振电容的电压对谐振电感待补偿感抗的压降进行集中补偿，我们称其为集中式补偿方法。显然，只要是集中式补偿方法，谐振电感绕组与谐振电容或谐振电容网络的电路连接关系就不变，谐振电感绕组的端电压与输入电压及谐振电容电压或谐振电容网络电压的数量关系也不发生改变，则重载时谐振电感绕组端电压过高的问题就不能得到解决。

如何找到合理的补偿方法，在补偿谐振电感压降的同时，既能降低单个谐振电容的电压及电流应力，又能降低电感绕组的电压应力，成为本发明的设计重点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有谐振变换器中电感、电容串联谐振电路采用的集中式补偿方法无法解决谐振电感绕组电压应力过高的缺点，提出一种新型的谐振电感、谐振电容串联谐振电路。

本发明的目的是通过以下方案实施的：待串联补偿的谐振电感绕组由若干绕组段串联组成，其中至少有一对相邻的绕组段间还串有谐振电容。所述的谐振电感分段串联电容谐振电路能够改变谐振电感各绕组段两端的电位，从而减小谐振电感绕组的电压应力，解决高压所带来的绝缘以及无功损耗问题。

所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：所述若干绕组段匝数相等或不相等。

所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：所述补偿电容为单一电容或多个电容串并联组合而成。

所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：上述待串联补偿的谐振电感绕组的始端或/和末端还串有谐振电容。

一种谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：待串联补偿的谐振电感由若干独立电感串联组成，至少有一对相邻的独立电感间还串有谐振电容。

上述独立电感中至少有一个独立电感由若干绕组段串联组成，其中至少有一对相邻的绕组段间还串有谐振电容。

所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：所述若干独立电感的感值相等或不相等。

所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：所述谐振电容为单一电容或多个电容串并联组合而成。

所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：上述待串联补偿的谐振电感的始端或/和末端还串有谐振电容。

本发明相比于现有技术有如下优点：

现有谐振变换器中电感、电容串联谐振电路多采用集中式串联谐振电容的补偿方法，负载较重或是电路中感抗较大时，谐振电感绕组的电压应力较高，给谐振电感的绝缘以及变换器的安全工作带来了隐患。

本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路，通过将谐振电感绕组分开为多段，将谐振电容分段插入并与电感绕组串联连接，或是把谐振电感分为若干独立电感，将谐振电容分段插入并与独立电感绕组串联连接的形式，对电感的感抗进行分段补偿。所提出的谐振电感分段串联电容谐振电路利用所插入的谐振电容电压与谐振电感各段绕组段电压（或独立电感电压）相位相反的特点，通过分段串联谐振电容，改变电感绕组各分段绕组段两端的电位（或独立电感两端的电位），从而减小电感绕组的电压应力。

分段串入的谐振电容能在补偿谐振电感感抗的同时，改变电感内部的电场分布，降低电感绕组的电压应力，降低电感绕组的绝缘要求，同时减小因高压电场存在导致的无源损耗，使得谐振电感及变换器的工作更为安全。可应用于各类谐振变换器中构造电感、电容串联谐振电路。

附图说明

附图1是本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路对谐振电感绕组进行分段，并插入谐振电容时的示意图；

附图2是本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路把谐振电感分为多个独立电感，并插入谐振电容时的示意图；

附图3是本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路在谐振电感分为多个独立电感之后，再对某些独立电感绕组进行分段，并插入谐振电容时的示意图；

附图4是谐振电感串联谐振电容的集中补偿方法示意图

附图5是采用串联电容集中补偿方法的谐振电感电压、电流向量图

附图6是采用串联电容集中补偿方法的谐振电感绕组内部的电压变化图；

附图7是本发明的采用分段补偿方法的谐振电感单段绕组段的电压、电流向量图；

附图8是本发明的采用分段补偿方法的谐振电感绕组内部的电压变化图；

附图9是采用集中补偿方法的仿真电路图；

附图10是本发明的采用谐振电感分段串联电容谐振电路的仿真电路图；

附图11是采用集中补偿方法的仿真波形；

附图12是本发明的采用谐振电感分段补偿方法的仿真波形；

附图13是应用实例的采用集中补偿方式的全桥逆变谐振电路的电路图；

附图14是应用实例的谐振电感采用本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路的全桥逆变谐振电路的电路图。

附图15是应用实例的谐振电路的实验波形，具体为集中补偿方法下的实验波形，

附图16是应用实例的谐振电路的实验波形，具体为分段补偿方法下的实验波形。

图1～16中的主要符号名称：i—流入谐振电感的电流；N_i（i=1,2，…n）—谐振电感各绕组段匝数；C_i（i=1,2，…n）—谐振电感各绕组段对应的分段谐振电容；L—谐振电感；C—谐振电感集中补偿的串联谐振电容；A_i、B_i—谐振电感各绕组段两端符号；A、B—谐振电感总绕组的始端与末端的符号；L_i（i=1,2，…n）—各独立电感感值；N—谐振电感绕组总匝数；N_ij（i=1,2，…n，j=1,2，…m）—独立电感绕组分段所得各绕阻段匝数；C_ij（i=1,2，…n）—独立电感绕组分段后插入的谐振电容；u_in—输入交流电压；S₁～S₄—功率管；D₁～D₄—二极管。

具体实施方式

以上附图非限制性公开了本发明的几个具体实施实例，下面结合附图对本发明作进一步描述如下。

参见附图1，附图1所示为采用本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路的实施示意图。图中i为流入谐振电感的电流。如附图1所示，本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路先将谐振电感绕组分开为n段，所分各绕组段的匝数可以相等或者不相等，依次为N₁、N₂,…N_n。A_i、B_i分别表示谐振电感第i段绕组的两端；A、B为电感总绕组的始端与末端的符号；再将谐振电容C₁、C₂,…C_n依次分段插入，并与电感各绕组段串联连接。由于谐振电容分段串入绕组中，与谐振电感集成为一个整体，A或B点可以与A₁或B_n公用节点，例如附图1中的A点与A₁点；也可以放到分段串联谐振电容的一只引脚，例如附图1中的B点与B_n点。需要说明的是，上述实施方法中谐振电感的分段数与插入的谐振电容的数量可以不相等，即可在部分绕阻段间插入谐振电容。此外，还可以在电感绕组的始端或/和末端插入谐振电容，例如附图1中的C_n。

参见附图2，附图2所示为采用本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路的实施示意图。如附图2所示，本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路先将谐振电感分为n个独立电感，所分各独立电感的感值可以相等或者不相等，依次为L₁、L₂,…L_n，再将谐振电容C₁、C₂,…C_n依次分段插入，并与各独立电感串联连接。图中A、B、A_i、B_i的定义与附图1中的定义类似。需要说明的是，上述实施方法中独立电感的个数与插入的谐振电容的数量可以不相等，即可在部分独立电感间插入谐振电容。此外，还可以在待串联补偿的谐振电感的始端或/和末端插入谐振电容，例如附图2中的C₀和C_n。

参见附图3，附图3所示为采用本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路的实施示意图。如附图3所示，本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路先将谐振电感分为3个独立电感，再将谐振电容依次分段插入，并与各独立电感串联连接；之后，其中的两个独立电感再采用本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路，把这两个独立电感的绕组分别分为i和j个绕组段，再将谐振电容依次分段插入，并与各绕组段串联连接。

采用本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路，不论是把谐振电感分为绕组段的形式，还是分段为多个独立电感的形式，都可以在进行感抗补偿同时降低谐振电感绕组的电压应力，下面结合附图1和集中式补偿电路，对本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路进行分析说明。

参见附图4，附图4所示为谐振电感串联补偿电容的集中补偿方法示意图。为了方便与附图1进行对比，在附图4中的电感绕组中依次标出附图1所示的各绕组段的位置，绕组段节点的定义与附图1相同。由于附图4中各绕组段直接相连没有分开，故相邻两段绕组段的始末端公用同一个节点。N为谐振电感绕组的总匝数，C为谐振电感的集中式串联谐振电容。

首先分析分段补偿方法对谐振电感感抗的补偿效果。

利用串联电容对感抗进行补偿就是利用容抗压降来抵消感抗压降。因此，要得到与集中式补偿相同的补偿效果，就要求谐振电容的总电压相同。根据附图1和附图4，分段补偿方法中各谐振电容电压u_Ci（i=1,2，…n）总和应满足下面方程：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Ci}}=\frac{\stackrel{\·}{I}}{\mathrm{j\ω}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{C_i}=\frac{\stackrel{\·}{I}}{\mathrm{j\ωC}}={\stackrel{\·}{U}}_C---\left(1\right)$

上式中各变量取其向量形式，以下均同。

则两种补偿方法补偿效果相同时应满足：

$\frac{1}{C}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{C_p}---\left(2\right)$

再来分析分段补偿方法对各绕组段电压的影响。

由上面分析可知，等效谐振电容容值相同，同样的电流条件下，分段补偿与集中补偿电容的总电压不变。

对于集中补偿方法，如附图4所示，谐振电感绕组电压满足：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AB}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{in}}-{\stackrel{\·}{U}}_C={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{in}}-\frac{\stackrel{\·}{I}}{\mathrm{j\ωC}}---\left(3\right)$

对于本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路，如附图1所示。令各段绕组段电压为u_AiBi，则各绕组段总电压满足：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{in}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_C---\left(4\right)$

联立（2）、（3）、（4）可知：相同的输入电压，分段补偿与集中补偿绕组的总电压不变。

改变补偿方法，谐振电感绕组的磁通耦合关系并不变化。由于各绕组段之间紧耦合，则各绕组段端电压之比等于其匝比，各绕组段端电压满足：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}=\frac{N_i}{N}\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}\right)---\left(5\right)$

显然，各绕组段匝数不变，绕组总电压不变，分段补偿不会影响各绕组段的端电压。

根据式(3)可以得到谐振电感采用串联电容集中补偿方法的输入电压

输入电流

谐振电容电压

以及谐振电感绕组电压

的向量图，如附图5所示。图中用矢量

表示输入电压

表示谐振电容电压

表示谐振电感绕组电压

电容电压

滞后输入电流

90度相角，谐振电感电压

超前于输入电流

90度相角。由附图5可以看出，当

不变，

增大，谐振电容电压

增大，从延长到

相应地，谐振电感绕组电压

也从变为

使得绕组电压应力增加。

以谐振电感绕组的始端A点为零电位点，可以画出采用集中补偿方法的电感绕组内部的电压变化，如附图6所示。附图6中绕组内部端子的定义与附图4相同。采用集中补偿方法，各绕组顺向串联，

谐振电感绕组中的电位依次升高，如附图6所示。绕组电压方向相同，线性叠加，谐振电感绕组最大电压应力为

满足：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AB}}=\frac{N}{N_i}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}---\left(6\right)$

其中，N_p为谐振电感绕组的总匝数，N_i为第i段绕组段的匝数。

结合附图1，可知采用分段补偿方法，谐振电感第i段绕组段的电压、电流满足以下方程：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiAi}+1}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Ci}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}+\frac{\stackrel{\·}{I}}{{\mathrm{j\ωC}}_i}---\left(7\right)$

根据上式可画出采用分段补偿方法的谐振电感单段绕组段的电压、电流向量图，如附图7所示。当：

$\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{Ci}}\right|<2\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{AiBi}}\right|---\left(8\right)$

则有：

$\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{AiAi}+1}\right|<\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{AiBi}}\right|---\left(9\right)$

上式说明可以利用分段串联谐振电容电压与绕组电压的相位差，来改变谐振电感绕组中的电位分布。

以谐振电感绕组的始端A点为电压参考点，可以画出采用分段补偿方法的谐振电感绕组内部的电压变化，如附图8所示。对比附图6和附图8可以明显看出用分段串联谐振电容来调节绕组内部端子的电位，可以显著降低谐振电感绕组上的电压应力，提高谐振电感的绝缘和安全性能。而当谐振电容电压与对应电感绕阻段电压相同时，最终各段电感绕组与电容电压之和将为0，图8中电压U_AB与横坐标重合，电压差降至最低。

需要说明的是，并非所有分段绕组的电压都需要满足式（9）。下面以电感绕组分为两段，中间串联插入谐振电容的情况进行分析。输入电压

始终等于谐振电感绕组总电压与谐振电容电压

的和，在不同的分段方式下，即便某些内部端子的电位无法降低，但是只要原先谐振电感的电压

大于输入电压

在采用本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路时，谐振电感整体绕组的电压应力将被限制在输入电压，必定能降低整体电感绕组的电压应力。

对于本发明的谐振电感分段串联电容谐振电路将谐振电感分为多个独立电感的情况，如附图2，即将原先谐振电感的电压分至多个独立电感上，显然可以降低绕组的电压，其补偿效果以及降压效果的分析与上述绕组分段下的分析方法类似，同样可以在感抗补偿的同时降低单个谐振电感绕组的电压应力。

仿真验证：

为验证本发明的可行性，利用saber仿真软件，对附图9及附图10所示的电路进行了仿真。附图9、附图10分别是采用集中补偿方法及分段补偿方法的仿真电路图。附图10中的电感由附图9中的电感按感值均分分为2个独立电感，因而与附图9中的电感等效。两种补偿方式下谐振电容也相等效，A、B及A_i、B_i定义同前。具体的仿真参数如下所示：

附图11及附图12分别给出了集中补偿以及分段补偿方式下的仿真结果，采用集中补偿方法，谐振电感绕组电压u_A1A2及u_AB的峰值分别为105V和210V；采用分段补偿，电压u_A1A2及u_AB的峰值分别为1.6V和3.2V，显然分段补偿方式可有效降低谐振电感绕组的电压应力。

应用实例：

为验证本发明的可行性，采用如附图13、附图14所示的基于全桥逆变的谐振电路进行了实验验证。选取逆变电路的开关频率为45kHz，四只开关管S₁～S₄均为恒频开关、且占空比接近0.5，S₁、S₄同时开关、S₂、S₃同时开关，S₁、S₃互补导通、S₂、S₄互补导通。附图13为采用集中补偿方式的谐振电路的电路图。附图14为谐振电感采用分段补偿方法的谐振电路图，其中谐振电感绕组分为8段，分段串入了8个谐振电容。

具体电路参数如下：

附图15及附图16分别给出了采用集中补偿以及分段补偿方法下的实验波形，其中i为流入谐振电感的电流波形，u_A1A2为两种补偿方法谐振电感单段绕组段的电压波形，u_AB为两种补偿方法谐振电感总绕组的电压波形。由图15可知，采用集中补偿，谐振电感单段绕组段电压u_A1A2的峰值为29.6V、总绕组的电压峰值为272V；采用分段补偿，谐振电感单段绕组段电压u_A1A2的峰值为8.4V，总绕组的电压u_AB的峰值为50V，显然分段补偿方式可有效降低谐振电感绕组的电压应力。需要说明的是，由于谐振电感各段绕组段相互耦合，在对单段绕组电压的测量中存在磁场干扰，因而对应电压波形中存在一定毛刺。

Claims (9)

1.一种谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：

待串联补偿的谐振电感绕组由若干绕组段串联组成，其中至少有一对相邻的绕组段间还串有谐振电容。

2.根据权利要求1所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：所述若干绕组段匝数相等或不相等。

3.根据权利要求1所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：所述谐振电容为单一电容或多个电容串并联组合而成。

4.根据权利要求1所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：所述待串联补偿的谐振电感绕组的始端或/和末端还串有谐振电容。

5.一种谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：

待串联补偿的谐振电感由若干独立电感串联组成，至少有一对相邻的独立电感间还串有谐振电容。

6.根据权利要求5所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：上述独立电感中至少有一个独立电感由若干绕组段串联组成，其中至少有一对相邻的绕组段间还串有谐振电容。

7.根据权利要求5所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：所述若干独立电感的感值相等或不相等。

8.根据权利要求5所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：所述谐振电容为单一电容或多个电容串并联组合而成。

9.根据权利要求5所述的谐振电感分段串联电容谐振电路，其特征在于：上述待串联补偿的谐振电感的始端或/和末端还串有谐振电容。

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