Skip to content

22.4.1 逆变器的输出特性

上一节我们搞定了 ZVS,这让我们确信在谐振频率之上工作不仅能活下来,还能活得很好。但这就引出了一个更实际的问题:既然开关频率是固定的(或者说在一个特定范围内),那么当我们接上不同的负载时,这个谐振槽路到底会表现出什么样的行为?

换句话说,如果你盯着输出端口看,当负载电流 i 变大时,输出电压 v 会怎么掉下来?这不仅仅是一个简单的分压问题——它关乎我们到底能从这套系统里挤出多少功率,以及在极限情况下会发生什么。

为了回答这个问题,我们需要推导出逆变器的输出特性

从黑盒到戴维南等效

让我们盯着这套系统看一会儿。为了把槽路内部的复杂性隔绝开,我们还是得祭出电路分析里的老朋友——戴维南等效定理

正如我们在 22.4 节开头提到的那样,对于谐振槽路这个黑盒,我们可以定义两个核心参数:

  1. 开路传递函数 H(s):当负载完全开路(R)时,输出电压 v(s) 与输入电压 vs1(s) 的比值。

    H(s)=v(s)vs1(s)|R

    这个函数描述了槽路在“空载”时的理想增益。

  2. 输出阻抗 Zo0(s):当我们把输入源 vs1(s) 短路(看作电压源特性,内阻视为零,即电压源短路保留阻抗),从输出端口看进去的等效阻抗。

有了这两个东西,那个复杂的谐振网络就可以简化成一个清爽的戴维南等效电路:一个标准的电压源串联输出阻抗的模型。

在这个模型里,根据分压公式,输出电压 v(s) 很容易写出来:

v(s)=H(s)vs1(s)RR+Zo0(s)

这里没什么魔法,就是基尔霍夫定律和欧姆定律的直接应用。H(s)vs1(s) 是等效的源电压,再乘以 R/(R+Zo0) 这个分压系数,就是最终落到负载上的电压。

聊一聊复数模值

现在我们要把视线从拉普拉斯域(s域)拉回到频域(jω域)。因为我们是在一个固定的开关频率 ωs=2πfs 下工作的,所以我们把 s 替换成 jωs

v(jωs)=H(jωs)vs1(jωs)RR+Zo0(jωs)

我们要的是幅值(Magnitude)。在交流电路里,要算幅值,最稳妥的办法是利用复数与其共轭的乘积:

v(jωs)2=v(jωs)v(jωs)

把上面的 v(jωs) 代进去,你就得到了一个长得有点吓人的式子(22.37):

v(jωs)2=H(jωs)2vs1(jωs)2R21(R+Zo0(jωs))(R+Zo0(jωs))

分母那一坨 (R+Z)(R+Z) 其实就是 |R+Z|2 的展开形式。别被符号吓跑了,这只是代数。

关键假设:纯无损网络

这一步是推导的转折点。

请注意,我们假设谐振槽路是由纯电抗元件(电感和电容)组成的。这意味着什么?意味着槽路内部没有电阻(或者说损耗小到可以忽略不计)。

这在工程上是一个非常有分量的近似。如果槽路是纯电抗的,那么它的所有阻抗——无论是输入阻抗还是输出阻抗 Zo0——都是纯虚数

对于纯虚数 z,它的共轭 z 等于它的负数:

Zo0(jωs)=Zo0(jωs)

这个性质就像一把钥匙,能瞬间把那个复杂的分母打开。让我们把这个性质代入式子(22.37)的分母中:

(R+Zo0)(R+Zo0)=(R+Zo0)(RZo0)=R2Zo02

因为 Zo0 是虚数,Zo02 就是一个负实数。所以 R2Zo02 其实等于 R2+Zo02

于是,整个式子被大大简化了:

v(jωs)2=H(jωs)2vs(jωs)2R2+Zo0(jωs)2

为了消除 R,我们可以利用欧姆定律 v=Ri。把 R=v/i 代入上式,经过整理(这一步代数运算建议你在草稿纸上推一遍,感受一下那种各项归位的快感),我们得到了一个极其优美的关系:

v(jωs)2+i(jωs)2Zo0(jωs)2=H(jωs)2vs(jωs)2

椭圆特性:电压与电流的舞步

盯着上面这个式子看几秒钟。这是 vi 的方程。

如果把 v 看作 x,把 iZo0 看作 y,这不就是 x2+y2=常数 吗?

但在我们的坐标系里,横坐标是 v,纵坐标是 i。所以这就是一个椭圆方程

为了把它写成标准的椭圆形式,我们可以定义两个关键参数:

  1. 开路电压 Voc:当负载 R(也就是 i0)时的输出电压。

    Voc=H(jωs)vs(jωs)

    这就是椭圆在横轴上的截距。

  2. 短路电流 Isc:当负载 R0(也就是 v0)时的输出电流。

    Isc=H(jωs)vs(jωs)Zo0(jωs)=VocZo0(jωs)

    这就是椭圆在纵轴上的截距。

有了这两个截距,式子(22.41)就可以重写成经典的椭圆标准方程(22.42):

v(jωs)2Voc2+i(jωs)2Isc2=1

这就是谐振逆变器的输出特性。它告诉我们,在给定的开关频率下,不管你怎么折腾负载,输出电压和电流的幅值点 (v,i) 永远落在这个椭圆上。

把这个椭圆画出来,就是一个非常有用的工具图。它描述了随着负载变化,交流输出电压的幅值是如何沿着这个轨迹滑动的。

匹配负载:功率的巅峰

既然有了这个椭圆,我们就能找到一个特殊的工作点。

想象你手里有一个电阻负载 R。根据欧姆定律,负载线是一条过原点的直线,斜率为 1/R。这条直线会与椭圆相交,那个交点就是实际的工作点。

那么,当 R 取什么值时,传输给负载的功率最大?

答案是当 R=Zo0(jωs) 时。这被称为匹配负载

为什么?因为从戴维南等效源的角度看,只有当负载电阻等于源内阻时,功率传输才最大化。在这个特定的条件下,通过简单的数学推导(把 R 代入并开根号),你会发现工作点正好位于椭圆的“中心”——也就是电压和电流都降到了各自最大值的 1/2 处:

v(jωs)=Voc2i(jωs)=Isc2

这就解释了为什么谐振变换器的设计非常看重“阻抗匹配”。如果你在调试时发现输出电压怎么都拉不起来(掉得厉害),可能不是你的芯片坏了,而是你的负载电阻太小了,导致你在椭圆上跑到了太靠下的位置。

回扣 DC-DC 变换器

这里有一个容易混淆的点,必须澄清一下。

我们在上面分析的是“逆变器”的交流输出端口。但是,对于我们在前几节讨论的谐振 DC-DC 变换器,这个结论依然成立。

还记得我们在 22.1.2 节里引入的那个有效负载电阻 Re 的概念吗?

在 DC-DC 变换器里,虽然最终接的是电池或者电阻,但在谐振槽路眼里,它后面那个整流桥加上滤波电容加上真实负载,整体上表现得就像是一个电阻 Re

所以,这条椭圆特性同样适用于 DC-DC 变换器——只要把纵轴的电流理解为槽路输出给整流桥的电流,把横轴的电压理解为整流桥输入端的交流电压即可。这条椭圆曲线,就是连接输入侧和输出侧的那根看不见的“绳子”。

这个认知非常重要,因为下一节当我们讨论“边界”问题时,这个椭圆就是我们的地图。

自编小练习:假设你测得一台谐振逆变器在某频率下 Voc=200VIsc=2A。问:(1) 输出阻抗 Zo0 是多少?(2) 匹配负载取多大、此时输出功率多少?答案:Zo0=Voc/Isc=100Ω;匹配负载 R=100Ω,工作点落在 (Voc/2,Isc/2),功率 =VocIsc2=200W。这道题提醒你:椭圆的两个截距一锁,最大功率和最佳负载就全锁死了。


参考说明:参考自 geqianQWQ 同学阅读《Fundamentals of Power Electronics》的笔记,仅作理解线索;本文为结合自己理解重新整理的学习笔记,不涉及对原书的复制或翻译。

面向嵌入式学习者的硬件学习笔记