LC串聯諧振拓撲常用于高壓充電機及高壓電源的設計開發?；谒哂懈咝芰總鬏?、頻率選擇性、體積小型化以及可靠性等優點，被廣泛應用于高壓充電電源、靜電駐極電源以及靜電除塵高壓電源等設備。

今天為大家帶來的是LC串聯諧振變換器的電路結構以及工作原理的講解，快和小編一起學習吧。

拓撲構成

本文以LC高壓充電電源為例，對電路的拓撲結構進行講解。

LC高壓充電機包括原邊LC全橋串聯諧振電路、變壓器和副邊整流電路，參見下圖。

副邊電路常用的有全橋整流電路以及倍壓整流電路（如下圖)。全橋整流適用于大電流場景，對于小電流應用場景可采用倍壓整流電路。

原邊全橋電路：包含輸入直流源Vin、輸入電容Cin、功率開關管器件（Q1~Q4）、諧振電感以及諧振電容Cr，其中體二極管（D1~D4）以及寄生結電容（C1~C4）為功率開關器件的自有部分。

副邊電路：包含整流二極管（DR1~DR10）及負載（Cd）等。

工作模式

在LC串聯諧振電路工作過程中有兩個關鍵頻率：開關頻率fs和諧振頻率fr。

開關頻率是指電路開關器件控制信號頻率，而諧振頻率與電路的諧振電感與諧振電容有關：

根據電路的開關頻率fs與諧振頻率fr的關系，LC串聯諧振拓撲電路分為三種工作模式：

▍工作模式1：0s<0.5fr

電路工作在電流斷續工作模式（DCM），諧振電流波形如下圖。

該模式下，開關器件Q1~Q4為零電流開通（t=0及t3時刻），零電流關斷(t1、t4時刻)，二極管D1~D4為低損耗開通和關斷。在這種模式下，開關損耗低且電磁干擾小。

▍工作模式2：0.5frsr

電路工作在連續電流模式（CCM），諧振回路呈容性，諧振電流波形如下圖。

在這一工作模式下，Q1~Q4為硬開通（t2、t4時刻），零電流關斷（t1、t3時刻）。為了減少反向恢復電流，二極管D1~D4必須有較好的反向恢復特性。

這一工作模式下損耗和電磁干擾較大。

▍工作模式3：frs

電路工作在連續電流模式（CCM），諧振回路呈感性，諧振電流波形如下圖。

在這一工作模式下，S1～S4為零電流開通（t1、t3時刻），硬關斷（t2、t4時刻），給電路造成較大的損耗和電磁干擾，電路的輸出特性與恒流源的特性有所偏離。

工作原理

在實際工程中工作模式1與工作模式3應用較多，其中工作模式1為脈沖頻率調制（PFM）方式串聯諧振，工作模式3為脈寬調制（PWM）方式串聯諧振。

這里以副邊全波整流電路結構為例，分析電路在這兩種工作模式下的工作原理。

NO.1PFM模式原理

在半個開關周期內，LC諧振電路的一對開關器件和續流二極管會完成一次諧振，每次諧振包含兩個工作過程，電路波形如下圖。

其中，Q1~Q4為開關器件的控制信號，iLr為諧振電感電流，v1為諧振電容兩端電壓，v2為負載電容等效至原端電壓。

t0~t1：此時Q1與Q4導通，電感電流大于零，原邊電流經Q1、Lr、Cr、Q4流動，給Cr充電，變壓器副端DR1、DR4導通，電流經DR1、DR4給負載電容Cd充電；

t1~t2：t1時刻電感電流反向，原邊D1、D4導通續流，Cr放電，變壓器副端DR2、DR3導通，電流經DR2、DR3給負載電容Cd充電；

t2~t3：t2時刻Cr放電結束，電感電流為零，此時Q2與Q3還未收到驅動信號，電路中并無器件導通，電路處于開路狀態，負載Cd兩端電壓基本保持不變。

后半周期的諧振過程與前半周期類似，在此就不再贅述。

可見電路每次諧振都會給負載電容進行充電，使其兩端電壓上升一個臺階，這種充電方式又稱為等臺階充電。

NO.2PWM模式原理

PWM方式串聯諧振充分發揮了PWM技術和諧振變換的優點，是近年來研究的一大熱點。

由于電路的諧振頻率和開關頻率較高，充電電容在一個諧振周期中電壓變化非常微小。因此，可研究在PWM控制方式下輸出電壓不變的穩態工作過程。

t0~t1：此時Q1與Q4導通，原邊電流經Q1、Lr、Cr、Q4流動給Cr充電，變壓器副端DR1、DR4導通，電流經DR1、DR4給負載電容Cd充電；

t1~t2：時刻Q1與Q4關斷，原邊D2、D3導通續流，諧振電流逐漸減小，變壓器副端DR1、DR4導通，電流經DR1、DR4給負載電容Cd充電；

t2~t3：t2時刻諧振電流降為零，此時Q2與Q3還未收到驅動信號，電路中并無器件導通，電路處于開路狀態，負載Cd兩端電壓基本保持不變。

副邊整流電路

LC串聯諧振電源若為低壓輸出（輸出電壓小于20kV）可直接采用整流電路，電路結構如圖。

假設U1為輸出最高電壓，二極管/硅堆D1~D4直流反向耐壓應為2U1，整流硅堆通流能力I應大于等于5倍的輸出電流值。例如U1為20kV時，二極管可參考型號2CL40kV/5A。

在小電流充電的應用場景里，可以采用多級倍壓整流電路獲得直流高壓。電路由電容與二極管構成，10倍壓整流的參考電路如下圖。

U1為倍壓電路輸入電壓，U2為倍壓電路輸出電壓。兩者與倍壓等級n的關系為：U2=nU1（此處n=10)。

需要注意的是，二極管的耐壓值應留3~4倍的裕量，即每個二極管耐壓應不小于(3~4)U2/n，二極管通流參考值為5nIo。需要使用快恢復二極管，同時為防止短路燒二極管，選用的二極管最大浪涌需要盡量大。

電容的耐壓值可以留2.5~3倍的裕量來考慮，即(2.5~3)U2/n。電容容值則需根據開關頻率fs等綜合因素來考慮。

根據電荷量Q=C·U=I·t可得：

故電容參考值選擇應大于Ion2/0.1U2fs。

其中，Io為輸出電流值，n為倍壓等級，U2為輸出電壓，fs為開關頻率。

關于LC串聯諧振電路的工作原理今天就介紹到這里，相信大家也都對LC串聯諧振變換器的工作過程有了更好的了解。

后續我們將繼續帶領大家對LC串聯諧振拓撲進行電路設計及電路仿真模型搭建，與大家一起對電路進行仿真調試，驗證電路的工作性能。