基于频域分析的Class-E谐振转换器设计

刘治

(河南科技大学电气工程学院,河南 洛阳471003)

1 概述

新能源汽车、家用电器、大功率电源等领域的迅猛发展对功率变换器的体积、重量、功率密度等提出了更为严苛的要求，如何在减小体积、重量的同时提高功率密度和效率，已经成为电力电子技术发展的主流趋势[1]。当电力电子元器件工作在高频状态下时，能够减小每周期内无源元件所需存储的能量，有效减小其数值与体积，提高系统的功率密度[2]，但是对于开关型功率变换器而言，较高的工作频率意味着较大的开关损耗以及驱动损耗，这使得变换器的效率降低。高频谐振转换器是近些年来国内外发展起来的一种应用电路，与传统的工作在硬开关模式下的普通Buck/Boost电路相比，它基于单管驱动的方法，可工作在零电压开关（ZVS）模式实现软开关状态，在开关损耗低的同时可以让转换器输出的电压纹波更小[3]。

2 设计原理

本文设计的Class-E类谐振变换器由谐振逆变器和半波整流器两部分构成，图1为其拓扑结构。其中Lin和Cp构成并联谐振网络，Lr和Cr构成串联谐振网络，二者组成的调谐网络保证良好的输入输出阻抗匹配，使得功率最大效率的传输到输出侧。S为氮化镓类开关管，D1和D2两个二极管构成全波整流，Co为滤波电容，Rout为负载电阻[4]。

图1 cla s s-E谐振转换器拓扑

正弦的谐振电流表达式[5]为

其中IR是振幅，ø是初相位。

氮化镓开关管S的漏极电压表达式为

进一步化简可得

理想的零电压开关（ZVS）需要满足的关系式为……