基于LCC諧振變換器的高壓直流電源設計

摘要：為提高高壓直流電源效率，降低其體積和重量，這里介紹了一種基于LCC諧振變換器的高壓直流電源設計方法。結合移相脈寬調制(PWM)和脈沖頻率調制(PFM)方法，實(shí)現變換器在全負載范圍內的軟開(kāi)關(guān)。首先分析了LCC電路的工作原理，并采用基波近似法進(jìn)行數學(xué)建模，在此基礎上，給出不同負載時(shí)頻率、占空比與電壓增益的關(guān)系曲線(xiàn)，為設計LCC諧振變換器提供理論依據。最后通過(guò)一臺峰值電壓35 kV，額定功率7 kW的電源樣機驗證了設計的正確性，系統采用閉環(huán)控制，提高了輸出電壓的精度。

關(guān)鍵詞：電源；高壓直流；諧振變換器；軟開(kāi)關(guān)

1 引言

高頻高壓變壓器是高壓直流電源設計的難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析，如何減小變壓器的分布參數是高頻高壓電源設計的關(guān)鍵。此處通過(guò)引入諧振，將變壓器分布參數作為諧振元件的一部分，實(shí)現開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，減小開(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率，從而減小變換器的體積。

諧振變換器有串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)3種拓撲。串并聯(lián)諧振變換器，又稱(chēng)LCC諧振變換器，結合了前兩種拓撲的優(yōu)點(diǎn)，在合理設計參數的前提下，可使電源在輸入電壓范圍變化很大，輸出空載到滿(mǎn)載的條件下，仍然保持很高的效率。LCC諧振變換器主要有移相PWM和PFM兩種控制方法。這里采用PWM和PFM結合的控制策略，在頻率變化范圍不大，負載電壓恒定的前提下，保證變換器從空載到滿(mǎn)載范圍內均能實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。通過(guò)閉環(huán)控制，提高輸出電壓的抗干擾能力。

2 LCC諧振變換器工作原理

2．1 LCC諧振電路工作狀態(tài)分析

圖1為電容型濾波LCC諧振變換器電路。Cs，Ls為L(cháng)CC諧振電路串聯(lián)諧振電容和諧振電感，Ls包含變壓器折算到初級的等效漏感；Cp為并聯(lián)諧振電容，包含變壓器折算到初級的分布電容。分析前先假設：輸出電容很大，Uo保持不變；所有器件都是理想器件；電感電流連續且為理想正弦波。

圖2為移相PWM控制穩態(tài)時(shí)的主要波形。

(1)[t0～t1] t0時(shí)刻，電感電流iLs為零，此時(shí)VQ4為零電流開(kāi)通，在前一時(shí)段VQ1已經(jīng)零電壓開(kāi)通，VQ1，VQ4導通，uAB為正，Ls，Cs，Cp發(fā)生諧振，輸出整流橋關(guān)斷，uCp從-Uo／n升高，到t1時(shí)刻，uCp升高至Uo／n，輸出整流橋導通，此階段結束。

(2)[t1～t2] 諧振電流流經(jīng)VQ1，VQ4，Ls，Cs發(fā)生諧振，uCp被箝位在Uo／n，電路由變壓器傳遞能量。

(3)[t2～t3]t2時(shí)刻，VQ1關(guān)斷，iLs給C1充電，C3放電，當C3電壓為零時(shí)，VQ1～VQ3自然換向完成。由于C1的緩沖作用，VQ1關(guān)斷時(shí)電壓上升率很小，近似于零電壓關(guān)斷。

(4)[t3～t4] 在t3時(shí)刻，VQ1，VQ3導通，VQ3零電壓開(kāi)通，iLs為正，uAB為零，t4時(shí)刻，iLs即將減小至零時(shí)，VQ4零電流關(guān)斷。

(5)[t4～t5] iLs流過(guò)VD2，VD3，uAB為負，t5時(shí)刻，iLs到零，半個(gè)周期結束。

t5開(kāi)始，變換器開(kāi)始另一半周期的工作，工作過(guò)程與上半周期對稱(chēng)，在此不再贅述。

通過(guò)以上分析可知，采用移相控制時(shí)，開(kāi)關(guān)管不存在開(kāi)通損耗。關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管電流轉移到與其并聯(lián)的緩沖電容上，電容限制了開(kāi)關(guān)管兩端的電壓上升率，從而實(shí)現開(kāi)關(guān)管零電壓關(guān)斷。每一個(gè)反并聯(lián)二極管都是自然關(guān)斷，不存在關(guān)斷損耗。因此，相比硬PWM模式，采用LCC變換器時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì )大幅度減小，逆變器效率隨之增大。