全谐振压电电源技术简介

                                                   夏定豪

1、 引言
    采用开关变压器具有隔离性能的开关电源，要继续提高其效率，将会遇到两个技术关键，一是如何降低MOS管开关损耗，二是如何降低磁性材料开关变压器的损耗。

    要降低MOS管开关损耗的最佳途径是做到零压零流开启与关闭。但是由于开关变压器其自身的感性而非纯阻性，要依靠外加电路来完全实现零压零流开启与关闭是极为困难的。如果利用开关变压器的感性与电路中的电容实现（串联）谐振，以减小MOS管的损耗，那么在谐振状态下的变压器比之开关状态下的变压器其磁损又将加大。这就导致了两难的境况。此外，开关电源采用的是PWM控制模式，施加的方波电压将引起较大的各类电磁干扰，同时还将增大输出电压的纹波与噪声干扰。这些都是目前开关电源性能方面固有的弱点。

   是否还有其他技术途径，既可以保留开关电源体积小，效率高的优点，又可以消除其电磁干扰大，输出纹波噪声大的缺点，从而找到一个既可以全面提高电源性能指标，又切实可行的技术途径技术方案，这是模块电源应该努力的方向与目标。

    压电变压器本身就是一个谐振元件，其能量转换模式又是电能—机械能—电能形式，无磁场能。因此利用压电变压器制成的电源，其电磁兼容性能（EMC）具有天生的优势。由于它本身是一个谐振元件具有滤波特性，所以电源的输出纹波与噪声低的特性也是天生就具有的。压电变压器自身是多个薄片层迭而成，本身具有薄小的特点，其最大厚度一般不超过7mm，可与目前的开关变压器相比拟。

    作为变压器及电源还有一个极为重要指标要求，即高可靠性要求。目前，通过不断的技术改进努力，压电变压器已可以经受+125℃~ -40℃的高低温多个循环的冲击，并可长期工作在高于105℃以上的环境中。压电变压器的可靠性已有了长足的提高，在高温条件下的可靠性已超过一般开关电源。现在还剩下的一个重要指标，即变压器及电源效率问题，摆在目前的两个技术关键一是降低MOS管的关开损耗，二是降低压电变压器在各种工作状态下的损耗。
为此需要对已经形成产品化的第一代压电变压器及压电电源作一个优缺点评价。

2、 第一代压电变压器及压电电源评估
    第一代压电电源电路核心是利用压电变压器等效电路中的串联LC支路外加前置网络，形成串联谐振（准谐振态），从而实现能量的转换及电压值的变换，其基本原理电路及变压器等效电路如图1所示。
 

图1  第一代压电电源电路原理

作为实际使用的电源，必需满足一定的使用要求，在这些使用要求中尤为重要的有四项，一是使用时的环境温度，通常我们要考虑到-10℃~ +50℃或-40℃~ +70℃，或-55℃~ +105℃(或125℃)几个档次。二是确保负载从满载—空载时的正常工作并始终处于高效率状态。三是必须满足一定的安全要求，譬如要考虑输入至输出间的耐压2500VDC，3500VDC，4000V/AC等几个档次。四是必须考虑输入电压有宽范围的变化，例如176~264VAC,36~72VDC等。
作为第一代压变压器其输出~ 频率特性与负载R的关系有如图2所示。

 
图2 当      时，不同负载R下的V2~ƒ曲线
         
 图2中R3>R2>R1,V20为要求的变压器输出电压，为了保证电源输出电压恒定在V20值，当负载R变动（譬如为R1, R2 , R3）时，必须通过调频使变压器工作频率分别为在ƒR1，ƒR2，ƒR3值。
因此负载R值愈大，工作频率ƒRi愈大，愈远离其谐振点（ƒ01，ƒ02，ƒ03），变压器的效率愈低。
第一代变压器其输出~ 频率特性与环境温度的关系如图3所示：
 

图3   当    时，不同环境温度T下的V2 ~ ƒ曲线
           
图3中T3>T2>T1，V20为要求的变压器输出电压。为了保证电源输出电压恒定在V20值，当环境温度T变化时（譬如为T1, T2 , T3）必须通过调频使变压器工作频率分别为ƒT1，ƒT2，ƒT3值。
当环境温度愈高，工作频率ƒTi愈大，愈远离其谐振点（ƒ0i），变压器的效率愈低。
第一代变压器其输出~频率特性与输入电压V1的关系如图4所示：

     图4  当 时，不同输入电压V1以下的V2 ~ ƒ曲线。

     图4中，V13>V12>V11, V20为要求的变压器输出电压，为了保证电源输出电压恒定在V20值，当输入电压V1变化时（譬如为V11，V12，V13）必须通过调频使变压器工作频率分别为ƒV11，ƒV12，ƒV13值。

    当输入电压V1愈大，工作频率ƒV1i愈大，愈远离其谐振点ƒ0，变压器的效率愈低。

     而一个电源在实际使用中，必定会遇到上述三种情况：（1）负载从满载—空载。尤其是技术人员在选择电源的功率大小时，通常会留有足够的裕量，真实的使用功率远小于选用的电源的额定功率，从而使压电电源长时间工作在低效率状态。（2）电源的适用温度范围很宽，对于军品电源甚至可达到-40℃~ +70℃或-55℃~ +105℃（或125℃）。通常在设计时，必须确保在低温状态（譬如-40℃,-55℃）下电源仍能输出额定电压，额定功率，即确保ƒTi对应下的输出（当R为额定负载时）仍达到V20值。那么势必造成在常温状态下，工作频率就偏离谐振点较远，变压器效率下降。同样在高温条件下效率会更低。出现这样一种在常温状态下变压器效率反而不如低温状态下变压器效率的结果，是一种反常的现象，是设计和使用人员都不愿意见到的一种现象。（3）实际使用条件下，电源必须适应输入电压宽范围的变化。例如AC/ DC为176~264V，DC/ DC为36~72V等等。为了保证在低电压输入时，输出电压仍达到要求的V20值，其工作频率ƒVi必定靠近谐振点ƒ0,而当正常输入电压时，工作频率ƒV12必然较之ƒV1i更远离ƒ0，其结果又是在正常输入电压时，变压器、电源的效率反而不如低电压输入时的效率，这又是一种反常的现象。作为第一代压电变压器及压电电源，虽然利用了变压器的串联谐振特性，但实际上为了适应外在条件的变化，只能处于准谐振状态，加之采取了调频控制方式，为了确保输出电压的稳定，结果造成最佳的效率点发生在下限低温、下限输入电压、满载状态，最差的效率点发生在上限高温、上限输入电压、轻载（空载）状态。而典型的、标称的状态只处于中等状态。功率选取裕量留得愈大，效率愈趋于下降。

    上述讲的是串联谐振特性在外在条件变化时对变压器效率（或变压器温升）的影响。通过下面的分析，可以同样看到上述三个外在条件对MOS管开关损耗影响。

    在上面的分析中，已经看到当负载R增大（即趋于轻载），温度升高及输入电压增加时，工作频率点趋于更加远离谐振点。这意味着变压器输入电压与输入电流之间的相位差加大，也就是MOS管的开关损耗加大。

    这些都说明当外在条件（例如温度、负载、输入电压）变化时，引起的串联谐振特性的变化趋势与变压器输出电压必须恒定的要求是矛盾的，就是说工作在串联谐振点，输出电压不能恒定在要求值上，若工作在串联谐振点上，则输出电压就偏离了要求的恒定值。所以在变化的外在条件下，只能处于准谐振状态。而且标准状态下的效率反而不如下限状态下的效率。
尽管第一代压电电源有上述不足之处，但是它已经完成了产品的系列化，已经实现了准谐振状态的电路，它具有的负载调整率及电压调整率高，输出纹波噪声低，电磁兼容性好，安全指标高等优点，已使它在若干军、民品领域中有了应用。更重要的是它为下一代压电电源的商品化和技术改进指明了方向，打下了坚实的基础。更为压电电源的产业化打下了坚实的基础。

3、 实现第二代压电变压器与压电电源的技术途径

    根据第一代压电变压器与压电电源的优缺点评估，第二代压电变压器及压电电源的主要发展方向与技术实现途径应重点解决以下四个问题。
a, 大幅度提高压电变压器的可靠性
b, 在各种变化的外在条件下提高并保持稳定的变压器效率。
c, 从压电变压器及变压器驱动电路两个方面着手大大降低开关管的损耗。
d, 进一步降低压电电源的电磁干扰。

    现就如何解决上述四个问题提出以下技术途径作为下一步研发的方向。

（1）关于提高变压器可靠性
    从一代电源使用情况分析，电源失效的原因中，绝大部分是缘于变压器失效，而变压器失效的原因更多的是发生在高低温冲击的过程中，尤其是当低温向高温变化的过程中或负载剧烈变化的过程中。究其原因与变压器各单片之间粘接层粘接力的减弱甚至粘接层脱落有关。粘接力减弱，输入能量不能传递到输出端，大量转化为损耗，可以在短时间内将焊接剂熔化，变压器失效，并导致MOS管烧毁等等。

    经过对粘合剂的改进，目前变压器工作的环境温度已可以从+75℃~ +85℃提高至+125℃，并可经受高低温（-40℃~ +125℃）的多次循环冲击。

（2）关于提高效率
    提高压电电源的效率同样应从两个方面着手。一是提高变压器效率，一是降低MOS管的开关损耗。为此可以先从变压器的特性分析起。
    如果能有这样一个理想变压器，它应该具有以下四个特征：
（a） 该理想变压器在工作频率下应该呈现纯阻性，以确保输入电压电流同相位。并且在该理想工作频率下，变压器的输出电压正好等于要求的输出电压值。否则为了保证电源的输出电压恒定而调频时，又破坏了理想变压器的纯阻性状态。
（b）该理想变压器的输出应该与负载R的大小无关，或者相关性很微弱，即负载R变化时，理想谐振工作频率的变化很小。
（c）该理想变压器的输出应该与温度无关或者相关性很微弱。即当温度变化时，理想谐振工作频率的变化很小。
（d）判断该变压器是否处于纯阻状态的判据应该是便于测量的电参量，例如电压或电流，根据此判据，作出的使变压器达到纯阻状态的控制与调整，不应与为了保持输出电压恒定而作出的控制与调整相矛盾。
对压电陶瓷变压器，经过大量的理论分析与实际的试制与测试，得到了一系列大致满足上述理想变压器四个特征的各种规格的第二代压电变压器。即如果压电变压器满足下列关系式，就可以得到近似理想变压器。
                      (1)
              （2）
                    （3）
                                   （4）
                                                           
                               

满足上述11个等式的压电变压器即具有上述理想变压器的四个特征。
首先在 所对应的工作频率下有 ，即具有纯阻特性，

其次因b=2，故β≈0，输出电压值 只与输入电压值 及材料参数  ，结构参数 有关而与负载R无关。

第三，由（4）（5）两式可再衍生推至 的关系，这两个参数与材料有关，它们随温度变化的关系几乎是完全相关的，所以在b=2所对应的工作频率下，温度变化几乎不影响或很少影响变压器的纯阻特性。

第四，判断变压器是否处于纯阻态，只需调整工作频率，保证（12）式 成立即可，即只需保持V1为常值，并调整工作频率使V2为需要的恒定输出V20即可。即测量输出电压值，即可确定变压器处于纯阻态。

    称满足上述关系式的压电变压器为第二代压电变压器，其实际测试结果证明了是符合理想变压器的四个特征的。

    第二代压电变压器给减少MOS管损耗创造了条件，即变压器在 所对应的工作频率下处于纯阻状态，输入电压电流同相位。MOS管在开启关闭时几乎处于零压零流状态，这也就极大地降低了电路中MOS管的开关损耗。此时整个压电电源处于全谐振状态，应该说是处于效率最高的状态。实际测试结果表明，对于20W/10V的第一代变压器温升为18~21℃，而对于第二代变压器则为9~12℃，温升几乎降低了一半。

    那么驱动这样一个第二代压电变压器的电路究竟与驱动第一代变压器的电路有什么差异呢？
    在探讨各种电路拓扑之前，首先应该确定选择各种电路拓扑的基本原则。看图1的变压器等效电路，从变压器输入端看，若电压电流同相位，该变压器处于并联谐振状态。其输入端支路是一个等效输入电容。如果仿效开关电源的拓扑方式，将方波电压直接加到变压器输入端，势必在方波电压加入瞬间在该等效电容支路中会产生一个很大的冲击电流尖脉冲，并且在该并联支路一个周期的电压电流各分量中除了稳态值外还会有瞬态分量。而等效电容的存在，会使得等效电路中电压电流的瞬态分量（自由分量）变得相当大。这样就大大增加了功耗。

    其次压电变压器是一个谐振元件，其机械振动模式是个二阶环节，其解是含衰减分量的正（余）弦值。若外加电压是方波，那么其视在功率中不仅含有基波分量的有功功率与无功功率（当同频次的电压电流不同相位时），还含畸变功率。我们同样不希望畸变功率的存在。因此最佳方案是加在变压器输入端的是正弦波电压，其工作频率满足 条件。这就是选择各种电路拓扑的基本原则。
（4）各种电路拓扑分析
（a）A类功放电路。
首先想到的就是利用CPU或专用集成电路产生正弦波信号，其频率为变压器所需工作频率，经前置放大再输入功率放大电路（工作于A类状态），然后驱动变压器。其基本框图如下：

                图5 （A类）功率放大驱动压电变压器原理框图

这类(A类)功率放大器有现成的集成电路，例如NS的LM4780等。
该类电路的优点是可以几乎不失真地将具有驱动功率的正弦信号加到变压器输入端。其最大的缺点是电路效率低，仅50%左右。
（b）D类功率放大或SPWM控制方式
这类功率放大器的典型电路有NS公司的LM4651+LM4652。图6为其原理框图。

图6      D类（SPWM）功率放大原理框图

由于采用了SPWM控制模式，比之A类功放，其效率可提高到85%左右（例如对于LM4651+LM4652而言）。但是MOS管开启与关闭时仍不能真正做到零压零流开启与关闭。如果再加上压电变压器的损耗与整流损耗，整个电源效率仍不会超过80%。
（C）（串联+并联）谐振电路方式
由于方波电压直接加到压电变压器的等效并联支路上，会产生较大的瞬态分量，因此可以在变压器的输入电路上加串联LC电路以减少或抑制自由分量。其原理框图如图7

 图7  (串联+并联)谐振电路原理框图

这个方案的优点是简单，充分利用谐振特性，缺点是仍然利用直流工作母线，方波电压加在（网络+变压器）上。外加的LC串联网络其谐振频率与压电变压器的并联谐振频率较难匹配恰当，当温度变化时，外加串联LC的电容变化较大，更易造成与变压器不匹配。从而反映在电压电流的同相位关系而遭破坏。且对于所加方波电压中的高次谐波，尤其是三、五、七次谐波，LC串联网络不可能过滤彻底，因此传导干扰仍很大。
（D）直流环谐振转换器模式。
上述各方案有一个共同点，即其工作母线电压都是恒定直流电压，而我们希望加在变压器上的是变化的电压，这就产生了一对矛盾。上述几个方案尽管采取了一些措施，例如SPWM控制模式中用不同宽度的脉冲来代替对应正弦波的幅值，最后通过滤波得到需要的具有驱动功率的正弦电压加到变压器上，但是在一个正弦周期内MOS管开启关闭若干次，每次的开启与关闭仍然不是处于零流状态，MOS管的损耗仍然相当大。
所以核心问题是工作母线电压能否是变化的，且最好是半个正弦波电压变化状态，而非恒定直流电压状态。其变化频率与压电变压器的工作频率相一致。如果做到了这一点，再如果变压器及其负载在该频率下呈纯阻性，那么就可真正做到MOS管开启与关闭时真正处于零电压零电流状态。由于工作母线呈半个正弦波电压状态，而加在变压器上的电压（经过H桥）呈全正弦波状态，所以尽管是并联谐振也不会产生电压电流的尖脉冲。
图8表明谐振直流环的基本原理

图8 谐振直流环及谐振直流母线工作原理

如果把图8中的LC看作是压电变压器，那么加在压电变压器上的就是±V0，而V0是半个正弦波，±V0就是一个正弦波。
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（更多详细内容及图片请见第五届中国国际电源产业论坛论文集，谢谢！）