【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分高 頻變 壓 器倍 壓整 流濾 波 器電 壓 電 流 采 樣D C ( H C )P W M ( 2 , 3 )P W M ( 1 , 4 ) 圖 31 基于 DSP 控制的高壓直流電源框圖 DSPbased control of high voltage DC power supply diagram 諧振變換器 本高壓直流電源采用 LCC 諧振移相控制全橋逆變電路，本節(jié)介紹幾種常見的負(fù)載諧振電路： LC 串聯(lián)負(fù)載串聯(lián)諧振變換器、 LC 并聯(lián)負(fù)載并聯(lián)諧振變換器和 LCC 串并聯(lián)諧振變換器。 串聯(lián)諧振變換器 串聯(lián)諧振變換器如圖 32 所示，負(fù)載與諧振回路 LC 以串聯(lián)形式輸出稱為串聯(lián)諧振變換器。圖中 V2 為輸入直流電源，由工頻整流得到， M1～ M4 及 D1～ D4 組成全橋逆變器，Cr 為諧振電容， Lr 為諧振電感， L 為變壓器漏感， C 為高壓變壓器的分布電容， 0C 為輸出濾波電容， 2R 為負(fù)載電阻， T 為理想變壓器。串聯(lián)諧振變換器通過 L、 Lr、 Cr 的串聯(lián)諧振來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是串聯(lián)諧振電容可以作為隔直電容，因此這種電路可以不加任何其它結(jié)構(gòu)而用于全橋逆變器中，并避免了磁路的不平衡。而且當(dāng)開關(guān)頻率低于諧振頻率 1/2 值后，隨負(fù)載的變化，輸出電流基本保持不變，即具有電流源特性，使電路具有固有的短路保護(hù)能力。它的主要缺點(diǎn)是，在沒有負(fù)載時(shí)，電路沒有了電壓調(diào)節(jié)能力，負(fù)載越來越輕時(shí)，電壓調(diào)節(jié)性能 越來越差。另一個(gè)缺點(diǎn)是在輸出整流濾波電路中，電流的紋波會(huì)很大，這種缺點(diǎn)在低壓大電流情況下尤為突出，因此這種電路更適合于高壓小電流的應(yīng)用場(chǎng)合。 V 2M 1D 1CrM 3D 3M 4 D 4M 2 D 2LrLTCD 6 D 8D 5 D 7C0R2 圖 32 串聯(lián)諧振變換器電路 Series resonant converter circuit 并聯(lián)諧振變換器 并聯(lián)諧振變換器如圖 33 所示，負(fù)載與 LC 諧振回路以與諧振電容并聯(lián)形式輸出稱為并聯(lián)諧振變換器。圖中 Cr 為并在變壓器兩端的諧振電容。這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將高壓變壓器的分布參數(shù)全部包括在諧振回路中了，若高壓變壓器設(shè)計(jì)合理，分布參數(shù)匹 配得當(dāng)，可以省去諧振電容及電感的設(shè)計(jì)，使電路更簡(jiǎn)化。同串聯(lián)諧振變換器相比，此種電路結(jié)構(gòu)在空載情況下，可以進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。它的主要缺點(diǎn)是，相對(duì)于串聯(lián)諧振變換器輸入電流隨負(fù)載變化比較大，當(dāng)負(fù)載電阻 R2增大時(shí) (即負(fù)載變輕時(shí) )通過提高頻率來調(diào)節(jié)電壓，但此時(shí)電流并未減小，反而有所增大，使電源的損耗增加，效率不會(huì)很高。因此這種結(jié)構(gòu)的變換器更適合于固定負(fù)載電路或負(fù)載變化不大的低壓大電流中的場(chǎng)合。 V 2M 1D 1M 3D 3M 4 D 4M 2 D 2LrLTCD 6 D 8D 5 D 7C0Cr 圖 33 并聯(lián)諧振變換器電路 Parallel resonant converter circuit LCC 串并聯(lián)諧振變換器 負(fù)載在 LC 諧振回路中以與諧振電容的一部分并聯(lián)形式輸出稱為串并聯(lián)混合諧振變換器 (SPRC)[6]，如圖 34 所示，圖中負(fù)載與 CP以并聯(lián)形式輸出，與 Cr 以串聯(lián)形式輸出。這種電路形式在一定頻率下具有并聯(lián)諧振變換器的特點(diǎn)，而在一定頻率下又具有串聯(lián)諧振變換器的特點(diǎn)。因此這種變換器的頻率特性較為顯著。該變換器在不用輸出變壓器時(shí)的輸出電壓也可高于或低于電源電壓。 V 2M 1D 1CrM 3D 3M 4 D 4M 2 D 2LrLTCD 6 D 8D 5 D 7C0R2CP 圖 34 串并聯(lián)混合變換器電路 Seriesparallel hybrid converter circuit 綜上的三種諧振變換器電路，由于電壓和電流波形均為正弦波，其 EMI 很小，在中頻感應(yīng)加熱場(chǎng)合得到了廣泛地應(yīng)用。有些通訊用開關(guān)電源也可采用諧振變換器，其開關(guān)頻率范圍為 180～ 450KHz。它們的基本控制方式都是頻率調(diào)制，通過控制頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，這是這類變換器共同的缺點(diǎn)。變化的開關(guān)頻率使得變換器的高頻變壓器、輸入濾波器和輸出濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)變得十分困難。本文結(jié)合串并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，主逆變電路采用LCC 混合諧振電路，由于其頻率控制方式的諸多缺點(diǎn)，在保證 LCC 諧振電路實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的基礎(chǔ)上，本文 采用移相控制 ZVS PWM 全橋逆變器技術(shù)。 負(fù)載諧振式全橋逆變電路的結(jié)構(gòu) ++2 2 0 u F4 5 0 VC1 6C1 72 2 0 u F4 5 0 VP o r tP o r tR1 1 23 3 K / 2 WR1 1 13 3 K / 2 WP o r tQ1 1I R F P 4 6 0C1 84 7 0 p F / 1 K VQ1 4I R F P 4 6 0C1 1 14 7 0 p F / 1 K VP o r tL1 4I N D U C T O RC1 1 2X P / 1 K VP o r tQ1 2I R F P 4 6 0C1 94 7 0 p F / 1 K VP o r tQ1 3I R F P 4 6 0G N DC1 1 04 7 0 p F / 1 K VC1 1 3X u F / 1 K VT 1 1 : 1 0 0C 4 0 11 0 0 0 P / 1 5 K VC 4 0 31 0 0 0 P / 1 5 K VC 4 0 51 0 0 0 P / 1 5 K VC 4 0 21 0 0 0 P / 1 5 K VC 4 0 41 0 0 0 P / 1 5 K VC 4 0 61 0 0 0 P / 1 5 K VD 4 0 1 D 4 0 2 D 4 0 3 D 4 0 4 D 4 0 5 D 4 0 6R 2 3 0 0 M R 3 1 0 0 K1 0 V3 0 K VP o r t G N D 圖 35 主電路結(jié)構(gòu) Circuit structure 如圖 35 所示，主電路采用 IGBT 作為主開關(guān)元件，為 LCC 全橋逆變電路。 LCC 諧振電路為開關(guān)元件提供零電壓開通條件，變壓器二次側(cè)為高頻高壓變壓器和倍壓整流器件。采用 LCC 諧振電路主要原因是：變壓器二次側(cè)輸出為高電壓小電流，無法采用濾波電感，這使得傳統(tǒng)的靠電感傳遞能量的 DC/DC 型變換電路不再適用； LC 串聯(lián)諧振串聯(lián)負(fù)載電路不能開路， LC 串聯(lián)諧振并聯(lián)負(fù)載 電路不能短路，而 LCC 串并聯(lián)諧振電路兼顧了串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路優(yōu)點(diǎn)以及克服了它們的缺點(diǎn)，輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，而且負(fù)載變化范圍寬，因此獲得了廣泛重視和應(yīng)用 [7]。 高頻高壓變壓器及倍壓整流電路的設(shè)計(jì) 高頻高壓變壓器的設(shè)計(jì) 高壓電源的高頻化可以使電源裝置小型化，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度加快；電源裝置效率提高；并能有效的抑制環(huán)境噪聲污染。但高壓電源高頻化發(fā)展的阻礙主要體現(xiàn)在高頻高壓變壓器上，其主要問題為：頻變壓器體積減小，但絕緣問題突出；電壓輸出高則變壓器的變比較高，而大變比必然使變壓器的 非線性嚴(yán)重，使其漏感和分布電容大大增加。 本文中變壓器的設(shè)計(jì)采用一級(jí)隔離和二級(jí)升壓的方式，設(shè)計(jì)成兩個(gè)變壓器，把逆變器同高壓倍加器分開，升壓變壓器同倍壓電路一起密封在油箱內(nèi)，把低壓和高壓部分分開，這樣安裝和使用時(shí)既安全又可靠，第一級(jí)變壓器只起隔離變壓器的作用，在設(shè)計(jì)上第一級(jí)變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù)與第二級(jí)變壓器的初級(jí)線圈匝數(shù)是一樣的。因此下面重點(diǎn)介紹第二級(jí)變壓器的設(shè)計(jì)。 圖 36 為高頻高壓變壓器等效電路簡(jiǎn)化模型，它由漏感 Ld、副邊分布電容 Cp 和理想變壓器組成。漏感相同時(shí)工作于高頻 fs 下的感抗較工頻下增加 fs/50，嚴(yán)重限制了功率輸出；分布電容相同時(shí)高頻下的容抗較工頻下減小至 fs/50，導(dǎo)致空載電流大，功率因數(shù)低，空載發(fā)熱問題突出。本設(shè)計(jì)恰恰利用變壓器漏感大的特點(diǎn)，通過串入諧振電容組成諧振變換器，大大提高了轉(zhuǎn)換效率，并減小了電磁干擾。 LdCLLmC5 圖 36 高頻高壓變壓器等效電路 Highfrequency highvoltage transformer equivalent circuit 磁芯選用鐵氧體磁芯，雖然鐵氧體在飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度特性、機(jī)械強(qiáng)度等方面都不如硅鋼片，但是它的最大特點(diǎn)是電阻 率非常大 (一般為 610 ～ m??910 )，比硅鋼片大百萬倍，因此鐵氧體的渦流損耗很小，即它有非常小的高頻損耗，本文選用了 EE 型 MX02020鐵氧體鐵芯，查表得到，它的鐵芯截面積為 cmSc ? ，窗口面積為 20 cmS ? 。初級(jí)匝數(shù)： conp BSETN 25? (31) 為了使 Np 滿足變換電路輸出最高電壓的要求，輸入直流電壓 E 及導(dǎo)通脈寬寬度均應(yīng)取最大值，故取 E=300V，由于變換器工作頻率為 20KHz， T=50us，取 onT =25us。在選擇磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，為防止鐵芯飽和，取 B=3000Gs， cS = 2cm ，則 pN 為 52。實(shí)際選 pN 為50。高壓變壓器的輸出電壓 直接供給倍壓電路，輸出電壓的值越高越好，變壓比越大越好，但要考慮到初次級(jí)間的絕緣問題，因此把變壓比定在 20，次級(jí)匝數(shù) sN =1000。繞組導(dǎo)線的線徑： Id ? (mm) (32) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，變換器最大輸出功率為 100W，考慮到 30%～ 40%的損耗，電源提供的功率≥ 150W，直流供電電壓最大值為 300V，因此初級(jí)供電電流為： ? ?AIp ?? (33) 次級(jí)電流： ? ?AINNI psps ?? (34) 則第一級(jí)變壓器初、次級(jí)繞組、第二級(jí)變壓器初級(jí)繞組線徑 d1為： ? ?mmd ?? (35) 第二級(jí)變壓器次級(jí)繞組線徑 2d 為： ? ?mmd 2 ?? (36) 實(shí)際制作中， 1d 采用的是 的漆包線， 2d 采用的是 漆包線。 高頻倍壓整流電路的設(shè)計(jì) 在 本電源設(shè)計(jì)中，采用升壓變壓器和倍壓整流電路來進(jìn)行兩級(jí)升壓的理由 為：變壓器的工藝有限，很難做到如此高變比的變壓器；即使采用高變比的高頻變壓器，則其分布參數(shù)將變得更加復(fù)雜，使得前級(jí)的逆變電路的設(shè)計(jì)變得困難。所以采用升壓變壓器和倍壓整流電路來進(jìn)行兩級(jí)升壓。 現(xiàn)就圖 37 所示的四倍壓整流電路進(jìn)行分析。在分析過程中，均假設(shè)各電容的充電速度遠(yuǎn)大于放電速度，并將導(dǎo)通的二極管用短路線來代替。 此電路是將整流電路串聯(lián)連接，電容器按每隔一接點(diǎn)的方式接入，分布在兩側(cè)，呈疊層形。由于電容器是層疊串聯(lián)，其結(jié)果可產(chǎn)生 nE 電壓，并且使用 耐壓為 E 的電容器即可滿足要求。 uC 1+2 u m2 u m+ C 3VD 1VD 2VD 3VD 4C2++ C42 u m 2 u mR L4 u m+ 圖 37 四倍壓整流電路 Four times the pressure circuit 開始工作后，在第一周期的正半周，電壓 u 經(jīng)二極管 1DV 給電容 1C 充電到 0u ，在負(fù)半周 u 與 1C 上的電壓串聯(lián)起來給 2C 充電。在下一周期的正半周，電壓 u 在給 1C 充電的同時(shí)，由于 1DV 已導(dǎo)通， 3C 上尚無電壓，故 2C 將通過 1DV 、 3DV 向 3C 充電；在負(fù)半周， u 與 1C 在向2C 充電的同時(shí) 3C 也向尚無電壓的 4C 充電[8]。四倍壓電路在這個(gè)周期正、負(fù)半周的工作過程如圖 38 所示： u++ +C1C3+C2VD 1IIVD 3 (a) u++ +C1C3+C4VD 2IIVD 4C2+ (b) 圖 38 倍壓電路工作過程 Voltage circuit process 由此可看出，在這種倍壓整流電路中其能量是由前向后逐步傳遞的，每過半個(gè)周期便向后傳遞一步。四倍壓整流電路經(jīng)過 4 個(gè)半周期，即兩個(gè)周期就有一部分能量傳到最后的電容 C4上。在以后的各周期中，正半周重復(fù)圖 38(a)的過程，負(fù)半周重復(fù)圖 38(b)的過程。經(jīng)過若干個(gè)周期后，除電容 C1上的電壓為 u0外，其余電容上的電壓均為 2u0。負(fù)載 RL上得到的電壓為 C C4 上電壓之和，即 4u0，見圖 38 所示。以此類推，對(duì)于三級(jí) (六倍壓 )整流電路，也可以得到相同的結(jié)論。 本文采用了一種雙向倍加器的方案，即把高壓變壓器安裝在倍壓電