在LTspice上仿真基于谐振耦合的半桥转换器的一些问题

Decim

各位大神好，我想做一个基于谐振耦合的半桥变换器。仿真软件用LT-spice。一般来说，基于磁耦合的谐振变压器要求原边电感线圈和副边电感线圈的旁边串联或并联一个电容，组成谐振电路。谐振电路有谐振频率，f=1/（2*π*√LC）。在谐振频率和输入频率相等的时候，变压器有最大效率。但是我在LT-spice上仿真的时候发现了两个问题，想请咨询一下各位大神。

上面图片是仿真电路图和一些参数，右边的四个小电路不是变压器，只是帮助方便看一些参数值的，这个小方法可以分享给大家。可以看出主电路由半桥转换器组成，原边电感线圈L1和副边电感线圈L7耦合。C3和C9分别和原副边线圈组成谐振电路。按理来说，C3和L1组成的谐振电路的谐振频率等于C9和L7组成的谐振频率等于输入频率的时候（输入频率是fswi=2.78Mhz），电路效率最大。所以对于2.78Mhz来说，在L1等于3u 的时候，通过计算电容C3应该等于1090pF，这个时候初级谐振电路频率等于输入频率。同理L7等于0.67u，C9等于4.89nf的时候，次级谐振电路频率等于输入频率。问题一是：我发现，初级谐振电容的值是1090pF的时候电路还没达到最大效率，在等于1190pF的时候才有最大效率。这让我怀疑电路是不是真的谐振了？ 我带着这个疑问把次级的谐振电容C9拿掉的时候，发现电路效率基本不便。可是在耦合系数只有0.5甚至0.3的时候，效率都可以到达80%。问题二就是：我不明白我的仿真里有没有发生谐振？有的话怎么在Ltspice里看谐振频率呢？还有为什么谐振频率的计算值和仿真对不上呢？

这是上传的ltspice仿真，跪求大神帮助，这个问题困扰我很久了！如果上传的不可用，可以联系我。

Decim

这是仿真的截图，没有上传上去，在这里补一下

yfwuh

看一下原边的电流波形是不是正弦波。另外原边是对称半桥，半桥的那两个电容也是要参与谐振的。

Decim

yfwuh 发表于 2018-11-18 20:07
看一下原边的电流波形是不是正弦波。另外原边是对称半桥，半桥的那两个电容也是要参与谐振的。 ...

谢谢您的回复！我想问您一下为什么要判断是不是正弦波？还有一个我把电路改成没有输入双电容的情况下，还是会出现谐振频率和输入频率不同也能得到最大效率这种情况！

yfwuh

Decim 发表于 2018-11-18 21:17
谢谢您的回复！我想问您一下为什么要判断是不是正弦波？还有一个我把电路改成没有输入双电容的情况下，还 ...

原边半桥出来的电压是个矩形波，如果占空比0.5，频率又等于谐振频率，那原边的电流就是正弦波了。
不明白你为啥要强调谐振频率才是最高效率点?

Decim

yfwuh 发表于 2018-11-18 23:53
原边半桥出来的电压是个矩形波，如果占空比0.5，频率又等于谐振频率，那原边的电流就是正弦波了。
不明白 ...

电磁谐振耦合不是这个原理么？我的意思就是，我的谐振电容和电感线圈产生的谐振频率和输入的频率不是相等的，大约相差0.2Mhz左右，我不明白为什么？

yfwuh

Decim 发表于 2018-11-19 01:25
电磁谐振耦合不是这个原理么？我的意思就是，我的谐振电容和电感线圈产生的谐振频率和输入的频率不是相等 ...

电路中还有其他寄生LC参数以及阻尼的存在，所以实际上等效成一个RLC谐振，谐振频率点与LC谐振点会有一点差异。

yfwuh

或者可以这样，保持其他不变，调整一下V1、V2这两个驱动频率（注意死区时间），当原边电流刚好是完全的正弦波时，驱动的频率就是这个电路实际的谐振频率。
通常会认为刚好工作在谐振点有最高效率，但实际上器件的损耗计算很难真正算清楚（开关损耗、磁器件损耗），也就是说并没有绝对的理论说明谐振点是最高效率点。
实际上，结合损耗计算和实际测试，确实在谐振点附近效率会高些，但也不一定就是完全的谐振点。

Decim

yfwuh 发表于 2018-11-19 12:27
或者可以这样，保持其他不变，调整一下V1、V2这两个驱动频率（注意死区时间），当原边电流刚好是完全的正弦 ...

太谢谢您的耐心解答了。还有一个问题就是，为什么我拿掉副边谐振电容，效率也基本没有变化？就好像副边是否达到谐振频率都不影响效率变化。

yfwuh

Decim 发表于 2018-11-19 17:25
太谢谢您的耐心解答了。还有一个问题就是，为什么我拿掉副边谐振电容，效率也基本没有变化？就好像副边是 ...

原边谐振时电流是正弦波，电流通过耦合电感传递到副边仍然是正弦，所以在谐振点时副边的lc没什么大的影响。

Decim

yfwuh 发表于 2018-11-19 23:22
原边谐振时电流是正弦波，电流通过耦合电感传递到副边仍然是正弦，所以在谐振点时副边的lc没什么大的影响 ...

这意思是不是说：磁耦合谐振的变压器的次级线圈不太需要谐振电路？

yfwuh

Decim 发表于 2018-11-20 17:17
这意思是不是说：磁耦合谐振的变压器的次级线圈不太需要谐振电路？

谐振拓扑有很多种，副边有谐振和副边无谐振这就是两种不同的方案。
实际上原边谐振在谐振点时，因为弱耦合电感及原边励磁电感量非无穷大，副边电流并不是完全的正弦波。

Decim

yfwuh 发表于 2018-11-20 17:49
谐振拓扑有很多种，副边有谐振和副边无谐振这就是两种不同的方案。
实际上原边谐振在谐振点时，因为弱耦 ...

是的，我发现副边并不是非常完整的正弦波，感觉有噪声一样。所以这还需要在副边加入谐振电路么？为什么原边工作在谐振点，原边电感电流会是正弦波？是经验还是有什么原理？

yfwuh

Decim 发表于 2018-11-20 18:02
是的，我发现副边并不是非常完整的正弦波，感觉有噪声一样。所以这还需要在副边加入谐振电路么？为什么原 ...

耦合电感等效成理想变压器且在原边并联励磁电感，副边电流就是原边电流减去励磁电流，当励磁电流较小时，副边的电流就接近正弦波。

Decim

非常谢谢您的解答，在仿真中L1的上端就是整下那波，可是我做出来的实物发现，经过电容的电压波形是方波，但是在励磁电感尾端，也就是上图L1下端是正弦波，这是为什么？经过电感线圈之后波还会变形么？

yeutay

Decim 发表于 2018-11-29 17:27
非常谢谢您的解答，在仿真中L1的上端就是整下那波，可是我做出来的实物发现，经过电容的电压波形是方波，但 ...

为何两线圈的耦合系数是0.5。

Decim

yeutay 发表于 2018-12-2 22:03
为何两线圈的耦合系数是0.5。

因为用的平面螺旋电感，两个电感耦合程度不高，这回影响谐振电路么？