LCC串并聯(lián)諧振充電高壓脈沖電源設計

羅廷芳，孟志強

(湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

采用MARX發(fā)生器獲取陡前沿高壓窄脈沖的電路較復雜，而且陡化前沿有許多設計和工藝上的困難；采用電感斷路的方式容易獲取高壓脈沖輸出，但對電感的充電必須迅速，而且儲能時間不能過長，電源需具備較高的內阻和較大的功率，而斷路開關是其發(fā)展的瓶頸。與電感儲能裝置相比，電容器的穩(wěn)定且可重復的快速閉合開關要普及得多，電容器的能量保持時間遠遠大于電感儲能裝置，并且可以小電流充電降低對充電功率的要求。充電電源的高效率和小型化主要由充電電路決定，傳統(tǒng)高壓功率脈沖電源一般采用工頻變壓器升壓，采用磁壓縮開關或者旋轉火花隙來獲取高壓脈沖，因而大都比較笨重，且獲得的脈沖頻率范圍有限，其重復頻率難以調節(jié)控制、脈沖波形不穩(wěn)定、可靠性低、成本高。

本文將LCC串并聯(lián)諧振變換器作為高壓脈沖電源的充電電源。LCC串并聯(lián)諧振變換器結合了串聯(lián)諧振變換器抗短路特性和并聯(lián)諧振變換器抗開路特性的優(yōu)點[1]，在輸出電壓、輸出電流強烈變換的場合有著良好的特性和較高的變換效率。本文介紹了系統(tǒng)結構及LCC充電電路原理，以及采用通過仿真軟件PSIM對LCC充電過程和發(fā)生器放電輸出進行的仿真分析。

1 LCC諧振變換充電高壓脈沖電源系統(tǒng)結構

1.1 電源主電路結構和工作原理

電路由工頻整流濾波、功率因數(shù)校正電路PFC(Power Factory Correction)、LCC諧振變換器、高頻整流、電容充電儲能、電感緩沖隔離、IGBT全橋逆變及脈沖升壓變壓器等單元構成。電路工作過程：220 V交流通過整流濾波和PFC校正得到輸出連續(xù)可調的直流，通過LCC串并聯(lián)諧振逆變經高頻升壓后向儲能電容C充電，經過IGBT全橋逆變拓撲結構實現(xiàn)雙極性脈沖輸出。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖中，LCC串并聯(lián)諧振變換器由4個功率開關管與諧振電感 Lr、串聯(lián)諧振電容 Cs、并聯(lián)諧振電容 Cp組成，工作原理是：利用電感、電容等諧振元件的作用，使功率開關管的電流或電壓波形變?yōu)檎也ā收也ɑ蚓植空也?，這樣能使功率開關管在零電壓或零電流條件下導通或關斷，減少開關管開通和關斷時的損耗，同時提高開關頻率、減小開關噪聲、降低EMI干擾和開關應力。

圖1 主電路原理圖

1.2 LCC諧振逆變器的工作模態(tài)分析

對于理想串并聯(lián)諧振開關電源,假設：(1)所有開關器件和二極管均為理想器件；(2)變壓器分布電容為0；(3)n2C＞＞Cs；(4)開關器件工作在全軟開關狀態(tài)[2]。

根據(jù)開關頻率fs與基本諧振頻率fr的關系，LCC諧振變換器有三種工作方式：(1)fs＜0.5fr的電流斷續(xù)模式（DCM），開關管工作在零電流/零電壓關斷、零電流開通狀態(tài)，反并聯(lián)二極管自然開通、自然關斷；(2)fr＞fs＞0.5fr的電流連續(xù)模式（CCM），開關管為零電流/零電壓關斷、硬開通，反并聯(lián)二極管自然開通,但關斷時二極管有反向恢復電流，電路開關損耗較大；(3)fs＞fr仍然為電流連續(xù)模式(CCM)，與方式(2)的區(qū)別是開關管為零電流/零電壓開通、硬關斷，電路開關損耗同樣較大。諧振頻率為：

其中,Lr為諧振電感，Cr為諧振電容,視工作狀況不同，由串聯(lián)電容Cs與并聯(lián)電容Cp共同決定。

圖2為LCC諧振變換器的統(tǒng)一等效電路，選擇開關損耗小的DCM工作模式，半個開關周期內，各工作模態(tài)分析如下[3，5]。

(1)開關模態(tài)1[t0，t1]

在 t0時刻前，諧振電感電流iLr為零，即 ILr(t0)=0。t0時刻開通開關管Q1和Q3，由于此時 iLr為零，Q1和Q3是零電流開通，iLr開始增加，vCp也增加。在 t1時刻 vCp增加到 V0，這段時間內，Lr、Cs、Cp共同諧振，諧振周期為。

(2)開關模態(tài) 2[t1，t2]

在 t1時刻,電流 iLr開始減小，t1～t2時間內 vCp被箝位為 V0，電容 Cp上沒有電流流過，Lr、Cs參加諧振，則 Cr=Cs，諧振周期為。在t2時刻，iLr減小到零，即ILr(t2)=0，開關模態(tài) 2結束。

(3)開關模態(tài) 3[t2，t3]

在此開關模態(tài)中，iLr反向流動，Q1、Q3的反并聯(lián)二極管VD1和 VD3導通，將 Q1、Q3兩端的電壓箝位在零位，Q1、Q3零電壓/零電流關斷。在 t3時刻，iLr減小到零，即 ILr(t3)=0，VD1和 VD3自然關斷。在這段時間內 vCp從V0開始下降，Lr、Cs、Cp參加諧振，開關模態(tài) 3 結束。

(4)開關模態(tài) 4[t3，t4]

在此開關模態(tài)中，所有開關管和二極管均關斷，iLr為零，vCp保持不變。在t4時刻，開關管 Q2、Q4零電流開通，開始另一半開關周期，重復工作過程開始。電路工作波形如圖3所示，設在t0時刻，諧振電感的初始電流為ILr(t0)=ILr0,諧振電容的初始電壓為VCr(t0)=VCr0。如果不計電路的損耗，從t0時刻開始，諧振電感和諧振電容諧振工作，電路的微分方程為：

解之可得:

1.3 高壓脈沖形成電路

高壓脈沖的形成是通過對前級產生的高電壓 （電流）進行開關控制從而輸出脈沖，設計中在開關速度滿足要求的情況下，采用IGBT串聯(lián)形式，利用全橋逆變拓撲結構實現(xiàn)雙極性脈沖輸出[4]。如圖1所示,當開關Q5、Q7閉合，Q6、Q8斷開時，輸出電壓為正；當開關 Q6、Q8閉合，Q5、Q7斷開時，輸出電壓為負，得到雙極性的脈沖輸出。改變兩組開關的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率，控制開關管的導通與關斷時間即可調節(jié)輸出脈沖的占空比，得到脈寬與頻率均可調的雙極性高壓脈沖波。

整個系統(tǒng)的控制由控制器和驅動電路來實現(xiàn)，主要完成LCC諧振電路的輸出電壓調節(jié)、控制和全橋驅動及后級脈沖形成電路的變頻變寬輸出脈沖控制和IGBT同步觸發(fā)等。采用的TMS320F2812開發(fā)板，內部集成了16路12位 A/D轉換器、2個事件管理器模塊、1個高性能CPLD器件XC95144XL，可實現(xiàn)過壓、過流保護在內的電源系統(tǒng)運行全數(shù)字控制，提高了輸出電壓的精度和穩(wěn)定度。采用軟件編程實現(xiàn)控制算法，使得系統(tǒng)升級、修改更為靈活方便。

2 電路參數(shù)的選取與仿真分析

令K=Cp/Cs，圖4為不同 k值下的充電電壓、充電電流和諧振電流波形。對 k分別取 1、1/2、1/4、0,從圖 4(a)、(b)可知，k取值越小充電電壓越高；而充電電流在誤差允許的情況下可認為是恒定的，即恒流充電。由圖4(c)可看出,隨 k值的減小，iLr為零的模態(tài)時間增長，iLr為零時并不傳輸能量，導致輸出功率減少。因此，根據(jù)上述分析，在滿足諧振軟開關的前提下，應選擇合適的k值使LCC諧振變換器工作在最佳狀態(tài),以減少諧振停滯時間，提高電源工作效率。

選擇直流母線電壓Vin=300 V，開關頻率fs=25 kHz，脈寬tw=10 μs，Lr=50 μH，Cs=0.2 μF，取 k=0.25，諧 振 頻率≈55 kHz，即滿足 fs＜1/2 fr，高頻升壓變壓器變比為1:4。高壓脈沖形成電路中，脈沖升壓變壓器變比為1:12，仿真波形如圖5所示。

本文設計了一種基于LCC串并聯(lián)諧振逆變充電高壓脈沖電源，分析了LCC電路在DCM模式下的工作模態(tài)，并進行了公式推導，說明了k取值的重要性。仿真結果驗證了LCC串并聯(lián)諧振充電技術可實現(xiàn)恒流充電，提高電源工作效率；該設計容易實現(xiàn)開關管的軟開關，能夠把變壓器的漏感和分布電容納入諧振參數(shù)中，從而消除這些參數(shù)對逆變器的影響，且利用串并聯(lián)諧振逆變充電作為對中間儲能電容充電的結構，有利于實現(xiàn)裝置的小型化和快速充電。

[1]張軍鋒.基于電流型LCC諧振變換器的電火花加工電源的研究[D].南京航空航天大學，2006.

[2] 王曉明，侯召政，方輝，等.LCC諧振充電IGBT開關Marx發(fā)生器[J].電工技術學報，2007(7):87-92.

[3]BELAGULI V,BHAT A K S.Series-parallel resonant converter operating in discontinuous current mode-analysis,design,simulation,and experimental results[J].IEEE Transaction on Circuits and System.2000(4):433-442.

[4]WANG Chang Jiang.ZHANG Q H,STREAKER C.A 12 kV solid state high voltage pulse generator for a bench top PEF machine[J].Power Electronics and Motion Control Conference,2000(8):1347-1352.

[5]王雪飛，范鵬.串并聯(lián)諧振高壓變換器的分析與設計[J].電力電子技術，2008(9):55-57.