SCR諧振半橋式拓?fù)湓O(shè)計(jì)

劉 躍，余云昊，張建峽

（貴州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，貴州貴陽 550003）

1 SCR及半橋式電路

半橋式電路可工作于串聯(lián)負(fù)載狀態(tài)。在串聯(lián)負(fù)載電路中，由于電路無需輸出電感，因此在輸出高壓或低壓的場合都適用。該電路可以安全地承受輸出端短路，但是輸出端不能開路。半橋式電路也可以工作在并聯(lián)負(fù)載狀態(tài)，輸出負(fù)載通過變壓器折算到初級(jí)，和諧振電容并聯(lián)［3］。此時(shí)電路輸出端可以開路，但是不可以短路。串聯(lián)負(fù)載電路可以作為驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)的電流源進(jìn)行分析，而并聯(lián)負(fù)載電路可以作為驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)的電壓源進(jìn)行分析。當(dāng)要求輸出直流時(shí)，并聯(lián)負(fù)載電路需要次級(jí)輸出電感，但對輸出電壓波紋要求不高時(shí)也可以省略［4－5］。因此，對于DC／DC 變換器，串聯(lián)負(fù)載電路是個(gè)更好的選擇。

本文通過對串聯(lián)負(fù)載SCR 諧振半橋式變換器的基本工作原理的分析，給出了該變換器的設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，完成了對SCR 諧振半橋式拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)。

2 串聯(lián)負(fù)載SCR諧振半橋式變換器的基本工作原理

圖1是串聯(lián)負(fù)載SCR 諧振半橋式電路，其主要波形如圖2所示。由圖1可見，當(dāng)Q1被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，環(huán)路形成，C1上幅值為Vdc／2 的電壓加到L3、L1和C3組成的串聯(lián)諧振電路上。其中由T1次級(jí)折算到初級(jí)的阻抗和T1的勵(lì)磁電感并聯(lián)。

圖1 串聯(lián)負(fù)載SCR 半橋式電路

圖2 電流波形

圖2為串聯(lián)負(fù)載SCR 諧振半橋式電路（見圖1）在直流輸入電壓最小、負(fù)載最大時(shí)的主要波形。其中tcr為SCR 的導(dǎo)通時(shí)間，td為反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通時(shí)間，Ipq為電路電流峰值，tt為觸發(fā)周期。如圖1所示，晶體管Q1和Q2輪流導(dǎo)通半個(gè)周期。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電容C3與L3及L1（L2＝L1）發(fā)生諧振；當(dāng)Q2 導(dǎo)通時(shí)，C3與L3及L2發(fā)生諧振。只要觸發(fā)其中一個(gè)SCR，就會(huì)流過正弦半波電流，然后電流過零反向，以正弦半波規(guī)律流經(jīng)其反并聯(lián)二極管。如果二極管電流的持續(xù)時(shí)間大于SCR 的電路換向關(guān)斷時(shí)間tq值，SCR 就能自動(dòng)關(guān)斷。當(dāng)輸入電壓或者負(fù)載電阻增大時(shí)，反饋環(huán)就會(huì)減小觸發(fā)頻率，以增大Q1和Q2的正弦電流波的時(shí)間間隔，從而維持平均輸出電流和電壓恒定［2］。

在直流輸入電壓最小和輸出功率最大（輸出負(fù)載電阻最?。r(shí)，電路也會(huì)維持圖2所示的關(guān)系。諧振電感值和電容值的選擇要使2（b）所示的電流幅值和時(shí)間間隔在電源電壓最小和負(fù)載最大時(shí)在設(shè)定的輸出電壓范圍內(nèi)，能夠滿足所需平均輸出電流的要求。后文將介紹滿足上述要求的計(jì)算方法。電源電壓或負(fù)載改變時(shí)，檢測輸出電壓的反饋環(huán)將調(diào)節(jié)SCR 的觸發(fā)頻率ft以維持輸出電壓恒定［7］。電流峰值增大時(shí)，反饋環(huán)將降低ft，以維持次級(jí)平均電流恒定，從而維持輸出電壓恒定。而且，對于固定的直流輸入電壓和L、C值，電流峰值（圖2（c）和圖2（d））將是恒定的；如果R0增大，則反饋環(huán)將降低ft以維持平均輸出電壓恒定。正常的直流輸入電壓和負(fù)載下的相應(yīng)波形如圖3 所示。過高的電流峰值會(huì)迫使反饋環(huán)減小觸發(fā)頻率，以維持輸出電壓穩(wěn)定。周期為

1.1 對象 2008年1月—2010年12月在我院行髂腹股溝淋巴清掃術(shù)的陰莖癌患者56例(共111個(gè)腹股溝手術(shù)區(qū))。患者的中位年齡為51歲(20～79歲)，其中，術(shù)前行新輔助放療2例，行新輔助化療10例;吸煙者17例，酗酒者2例;糖尿病患者4例。16例患者的體質(zhì)指數(shù)(BMI)超過25。

圖3 高輸入電壓下的整流橋輸出電流Isr

3 串聯(lián)負(fù)載SCR 諧振半橋式變換器的設(shè)計(jì)計(jì)算

首先要確定諧振周期或頻率。假設(shè)使用Marconi ASCR 類型的ACR25U 芯片，根據(jù)該芯片的特性，當(dāng)門極偏執(zhí)電壓為0V、通態(tài)電流為50A 時(shí)，其典型關(guān)斷時(shí)間為5 μs。假設(shè)情況最壞時(shí)，關(guān)斷時(shí)間延長20%，即6μs。同時(shí)假設(shè)電路輸入電壓最小、輸出功率最大，且工作于連續(xù)模式的臨界狀態(tài)（如圖2所示，二極管過零點(diǎn)與對應(yīng)SCR 電流的開始時(shí)刻之間沒有時(shí)間間隔）［8－9］。則由圖2 可見，最小的諧振周期為12 μs，即最大諧振頻率為83kHz。但由SCR 的特性可知，輸出功率較大時(shí)二極管導(dǎo)通時(shí)間td將減小到一個(gè)難以預(yù)測的數(shù)值。若td小于tq，SCR 就可能無法正常關(guān)斷，因而td應(yīng)留有一定的裕量。而且，陽陰極間電壓在導(dǎo)通時(shí)不能迅速下降到2～3V 的靜態(tài)值。為使導(dǎo)通時(shí)陽陰極間高電壓的持續(xù)時(shí)間只占SCR 導(dǎo)通時(shí)間tcr的一小部分，諧振半周期至少應(yīng)為2.5μs的4倍。這使在正弦陽極電流峰值時(shí)刻陽陰極間電壓約為3V，而這是一個(gè)合理折中的方案。因此諧振周期選擇為20μs（諧振頻率fr＝50kHz），即

下面選擇T1 初級(jí)（見圖1）的電壓峰值。根據(jù)Chambers在論文中的建議，其值應(yīng)為一個(gè)橋電容（圖1中的C1和C2）最小電壓的60%，即

假設(shè)橋式輸出整流器每個(gè)二極管的壓降為1V，則可以確定T1的匝比為

當(dāng)電源電壓最小，次級(jí)電流如圖2（d）所示，反向二極管續(xù)流結(jié)束時(shí)刻和另一個(gè)SCR 的導(dǎo)通時(shí)刻之間沒有時(shí)間間隔。假設(shè)在負(fù)載電流最大時(shí)，SCR 和二極管的導(dǎo)通時(shí)間約為半個(gè)周期，同時(shí)假設(shè)二級(jí)管電流峰值為SCR 的1／4，則圖2（d）中SCR 和二極管電流的平均值為

式中，Ips是初級(jí)SCR 電流峰值折算到次級(jí)的值，因而

式中，Ipp是初級(jí)SCR 的電流峰值。

在圖1 中，施加于串聯(lián)諧振元器件上的電壓為Vap，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，即為橋電容C1上的電壓加上變壓器的電壓峰值0.6Vdc／2，即

因此可大致推算，當(dāng)階躍電壓Vap加到串聯(lián)LC 電路上時(shí)，首個(gè)諧振電流脈沖的峰值為

本設(shè)計(jì)中，L＝L1＋L3，C＝C3，則有

因此，由式（1）和式（8）給出的（L1＋L3）和C3的關(guān)系，對于特定的Vdc（min）和最大輸出電流Io（dc），可以確定諧振元件（L1＋L3）或者（l2＋l3）和C3的值，而變壓器的匝比由式（3）確定。選擇恰當(dāng)?shù)谋戎礚3／L1，可以使SCR 所受的斷態(tài)電壓應(yīng)力最小。比值越小則應(yīng)力越小，dV／dt應(yīng)力也越小，但最好依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來選擇。電感L3包括變壓器初級(jí)漏感和雜散電感，但它的值的確定不宜過分依賴于漏感值，因?yàn)槁└兄低ǔＳ休^大的變化，這會(huì)導(dǎo)致諧振周期的變化過大。

4 串聯(lián)負(fù)載SCR 諧振半橋式變換器的設(shè)計(jì)實(shí)例

假設(shè)圖1中的電路性能指標(biāo)如下：

輸入功率：2 000 W

輸出電壓：48V

輸出電流：Io（dc）

正常輸入直流電壓：310V

最大輸入直流電壓：370V

最小輸入直流電壓：270V

由式（3）可得

因Tr＝20μs，由式（1）可得

由式（8）可得

由式（8）和式（9）可得，C3＝0.95μF，L3＋L1＝10.6 μH；由式（6）和式（7）可得

5 結(jié)論及展望

本文通過對串聯(lián)負(fù)載SCR 諧振變換器的研究，給出了該變換器的設(shè)計(jì)方法，包括L、C 元件值的選擇，諧振周期的選擇，匝比的選擇，對于輸入電壓波動(dòng)的情況下，該設(shè)計(jì)不僅考慮到電路的特性，同時(shí)結(jié)合SCR的特性，給出了較合理的方案，完成了對該拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)。

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