等離子體點(diǎn)火用高壓電源設(shè)計(jì)方法研究

王 妍，范 威，趙 楊，韓先偉，譚 暢

（1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100；2.陜西省等離子體物理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710100）

等離子體點(diǎn)火用高壓電源設(shè)計(jì)方法研究

王 妍1，2，范 威1，2，趙 楊1，2，韓先偉1，2，譚 暢1，2

（1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100；2.陜西省等離子體物理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710100）

根據(jù)等離子體點(diǎn)火對(duì)高壓直流電源的要求，選用具有電容型濾波器的LCC串并聯(lián)諧振變換器為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)電感電流連續(xù)模式下的諧振變換器，在對(duì)其工作原理分析的基礎(chǔ)上，用基波近似法推導(dǎo)出變換器的穩(wěn)態(tài)模型，建立了變換器的等效電路，并給出了便于工程設(shè)計(jì)的電路的數(shù)學(xué)描述。通過(guò)研究各參數(shù)對(duì)電路性能所造成的影響，設(shè)計(jì)最優(yōu)化的參數(shù)以保證開(kāi)關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，有效降低了開(kāi)關(guān)管的熱損耗。詳細(xì)介紹了電源系統(tǒng)的組成和電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)該設(shè)計(jì)方案，通過(guò)仿真結(jié)果證實(shí)了理論分析的正確性。

等離子體點(diǎn)火器；串并聯(lián)諧振；高壓電源

0 引言

等離子體點(diǎn)火器是一種能夠產(chǎn)生高溫的熱源設(shè)備，利用等離子體炬產(chǎn)生的高溫等離子體射流點(diǎn)燃燃料，可將空氣加熱到5 000～10 000℃。近年來(lái)關(guān)于等離子體點(diǎn)火的相關(guān)研究一直受到國(guó)內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注［1-4］，作為等離子體點(diǎn)火器中的一個(gè)重要組成部分，等離子體電源則起到了關(guān)鍵作用，它的性能在很大程度上決定了等離子體點(diǎn)火器的性能。傳統(tǒng)的高壓電源因體積和重量都很大，且性能不好，滿足不了實(shí)際應(yīng)用的需要。隨著電力電子技術(shù)和開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，高壓逆變電源的高頻化，使得高壓電源的性能成倍提高，體積成倍減小，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。因此，在此基礎(chǔ)上研究并研制結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、重復(fù)性好、控制品質(zhì)優(yōu)良的等離子體點(diǎn)火器電源具有重要的理論價(jià)值和意義。

本文介紹了一種等離子點(diǎn)火器電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用高頻技術(shù)使高壓電源的工作頻率達(dá)到50 kHz左右，具有原理簡(jiǎn)單、控制調(diào)節(jié)性能好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，從而大大降低了電源的體積和重量，同時(shí)提高了輸出特性的品質(zhì)，通過(guò)仿真計(jì)算提出了一種系統(tǒng)工作的最佳模式。

1 串并聯(lián)諧振變換器的主電路拓?fù)?/h2>

1.1 串并聯(lián)諧振變換器的開(kāi)關(guān)模態(tài)

主回路采用半橋逆變零電壓串并聯(lián)諧振變換器的方式，該變換器具有短路自保護(hù)特性，為實(shí)現(xiàn)200 kV輸出，采用高頻變壓器加倍壓整流電路。為分析方便起見(jiàn)，倍壓整流電路可等效為電容濾波的全橋整流電路。

串并聯(lián)諧振式DC/DC變換器是由兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管Q1和Q2組成上下兩個(gè)橋臂，諧振電感Ls和諧振電容Cs相互串聯(lián)，并且與負(fù)載串聯(lián)。在輸出電壓高于1 000 V時(shí)，高頻高壓變壓器的分布參數(shù)的影響不容忽視，本文將變壓器初級(jí)漏感作為諧振電感的一部分，變壓器次級(jí)電容折算到初級(jí)，原有的串聯(lián)諧振變換器被迫變?yōu)榇⒙?lián)諧振變換器。半橋串并聯(lián)諧振變換器原理如圖1所示。

圖1 高頻直流電源諧振電路拓?fù)銯ig.1 Main circuit structure based on resonant converter

圖1中L1為串聯(lián)諧振電感（包含了變壓器的漏感），C1為串聯(lián)諧振電容，C4為并聯(lián)諧振電容（折算后的變壓器分布電容），C5和R1分別為負(fù)載電容和電阻，其中C5遠(yuǎn)大于C4。根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率fs的不同，串并聯(lián)諧振變換器的工作方式不同，本文選擇fo＜fs，變換器工作在電流連續(xù)模式［5］下。

圖2 開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效電路Fig.2 Resonant states of equivalent circuits

根據(jù)開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)情況以及諧振電流的方向，存在5個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)，如圖2所示，一個(gè)周期的工作狀態(tài)描述如下：

1）二極管D5導(dǎo)通，將Q1電壓箝位在零位，電感電流ir從負(fù)到正增加。二極管D2和D3導(dǎo)通，C4電壓被箝位，能量經(jīng)變壓器流向負(fù)載。

2）開(kāi)關(guān)管Q1零電壓導(dǎo)通，L1和C3組成諧振回路給C4正向充電，C4端電壓從負(fù)到正增加，變壓器一次側(cè)沒(méi)有電流流過(guò)，能量不經(jīng)過(guò)變壓器流向負(fù)載。

3）C4電壓上升至最大被箝位，二極管D1和D4導(dǎo)通，L1和C3組成諧振回路，能量經(jīng)變壓器流向負(fù)載。

4）Q1硬關(guān)斷，Q2截止，電感電流ir通過(guò)D6續(xù)流，Q2兩端電壓下降。

5）Q2零電壓導(dǎo)通，進(jìn)入下半個(gè)周期工作。

1.2 串并聯(lián)諧振變換器的建模與分析

為方便分析，首先做如下假設(shè)： （1）整個(gè)變換器中所有的開(kāi)關(guān)元件均為無(wú)損耗的開(kāi)關(guān)元件，所有無(wú)源元件均為線性元件； （2）諧振槽路的品質(zhì)因數(shù)較高； （3）低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率。諧振回路電流近似正弦波，在電感電流連續(xù)模式下可以采用基波分析法［6］可以獲得該電路基波等效電路如圖3所示。

圖3 串并聯(lián)諧振電路的基波等效電路Fig.3 Fundamental wave equivalent circuit for LCC resonant converter

變換器的工作過(guò)程中，可控的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)方波電壓us（t），此方波電壓的頻率為fs，其中fs=ωs/2π，由傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)us（t）可得：

式中Vg為輸入直流電壓的一半。其基波分量為

設(shè)輸入直流電壓為Vin，Vin=2Vg。由于諧振網(wǎng)絡(luò)的濾波效果，對(duì)高次諧波分量的響應(yīng)可以忽略，只對(duì)基波分量響應(yīng)，所以可把開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)視為一個(gè)正弦波電壓源us1（t），其有效值記為Us1。

同理，理想情況下，由于諧振網(wǎng)絡(luò)的濾波效果，所以僅對(duì)方波電壓uz（t）中的基波成分uz1（t）響應(yīng)，整流側(cè)的輸入電壓可表示為：

式中Uo為輸出直流電壓有效值。整流網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)電阻的特性，將這個(gè)等效電阻記為Re，則有：

式中：R1為實(shí)際負(fù)載電阻；k為變壓器匝比，k= N2/N1；N為倍壓級(jí)數(shù)。設(shè)γ=C4/C3，由圖3可得到電壓增益：

式中：品質(zhì)因數(shù)Q=ωoL1/Re；F為頻率的標(biāo)幺值，F(xiàn)=fs/fo，fo為諧振頻率。

等效電路的輸入阻抗為

諧振電感L1電流峰值為

串聯(lián)諧振電容C3兩端電壓峰值為

2 主電路的設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)要求

該變換器的預(yù)期性能指標(biāo)如下：

直流輸入電壓：240～310 V

額定輸出電壓：200 kV，100～200 kV可調(diào)

額定輸出電流：5 mA，1～5 mA可調(diào)

2.2 主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)和選擇

1）首先設(shè)定電路的諧振頻率f0為50 kHz，所以有：

式中：L1為串聯(lián)諧振電感；C3為串聯(lián)諧振電容。設(shè)計(jì)的變換器工作頻率高于諧振頻率f0，以利用串聯(lián)諧振式變換器高于諧振頻率工作的優(yōu)點(diǎn)。變換器在工作中最低開(kāi)關(guān)頻率fsmin選擇為57 kHz。控制方式采用變頻控制。

2）變壓器匝比k的確定。選取原則為在最重載，輸入直流電壓最低的條件下，此時(shí)輸出電壓仍能滿足設(shè)計(jì)要求。變壓器次級(jí)采用倍壓整流電路，選擇倍壓級(jí)數(shù)為10級(jí)，考慮到線路壓降等非理想因素的影響，匝比k取為90。

3）針對(duì)不同γ=C4/C3，不同品質(zhì)因數(shù)Q下的電壓傳輸特性進(jìn)行仿真，如圖4所示。從上下兩圖的比較中可以看出，不同的γ（Q）值，諧振電路偏離諧振頻率后電壓傳輸比衰減的程度有很大區(qū)別，即γ（Q）值大的電路電壓傳輸比衰減程度大，通頻帶寬度越窄，曲線越尖銳，電路的選擇性能越好；不同的Q值，當(dāng)Q值較大時(shí)，電壓傳輸比峰值在諧振頻率處，此時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻較小，將負(fù)載電阻等效至變壓器原邊后可認(rèn)為將并聯(lián)諧振電容短路，所以呈現(xiàn)串聯(lián)諧振變換器的特性，而在Q值減小時(shí)，曲線峰值偏離較多，呈現(xiàn)并聯(lián)諧振變換器的特性。通過(guò)仿真，最終選擇Q=2.5，γ=4。取諧振電感L1=200 μH，諧振電容C3=47nF，C3=210 nF。根據(jù)上述參數(shù)可得變換器輸入阻抗特性曲線，如圖5所示?？梢钥闯觯谧钚￠_(kāi)關(guān)頻率以上，所設(shè)計(jì)的變換器等效電路的輸入阻抗角為正，諧振網(wǎng)絡(luò)呈感性，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓是超前于流過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振電流ir先過(guò)零的，可使得開(kāi)關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開(kāi)通。

圖4 不同參數(shù)下的電壓傳輸特性曲線Fig.4 Voltage transfer characteristic curves of different parameters

圖5 輸入阻抗特性曲線Fig.5 Input impedance characteristic curves

4）根據(jù)式 （7）、式 （8）計(jì)算諧振電感L1電流峰值和串聯(lián)諧振電容C3兩端電壓峰值分別為Im= 24.228 A，VCsm=1 312 V。

5）根據(jù)技術(shù)要求中所提的輸出電壓電流調(diào)節(jié)范圍，對(duì)變換器電壓增益進(jìn)行仿真，確定開(kāi)關(guān)頻率的最大值為fsmax=70k Hz。

3 主電路工作過(guò)程仿真

為了驗(yàn)證以上分析的正確性，將以上所確定的電路參數(shù)進(jìn)行仿真分析，圖6給出了變換器額定負(fù)載條件下的輸出電壓波形和電感電流波形。

圖6 主電路仿真電路圖（額定負(fù)載40 MΩ）Fig.6 Simulation of main circuit for 40 MΩ load

從圖6中可看出，在額定狀態(tài)下，輸出電壓可達(dá)到設(shè)計(jì)值200 kV，電感電流峰值24 A左右，同時(shí)可看出所設(shè)計(jì)的變換器開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓是超前于流過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振電流ir先過(guò)零的，保證了開(kāi)關(guān)管的零電壓導(dǎo)通，與設(shè)計(jì)要求相吻合。

4 結(jié)論

分析了工作在電流連續(xù)模式下串并聯(lián)諧振電路的工作原理，提出了一種變頻控制下適用于諧振變換器的近似分析方法，在諧振電流為正弦波的基礎(chǔ)上得到諧振變換器的等效電路，其數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單、直觀；建立了等效電路反映了諧振槽元件參數(shù)的選擇與系統(tǒng)特性之間的關(guān)系。采用高頻逆變開(kāi)關(guān)電源技術(shù)研制的等離子體點(diǎn)火高壓電源具有結(jié)構(gòu)緊湊和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

［1］MATVEEV Igor.Multi-mode plasma igniters and pilots for aerospace and industrial applications［R］.Falls Church，VA，USA：Applied Plasma Technologies，2006.

［2］ZHILINESKII O V，LAKTYUSHINA T V，LAKTYUSHIN A N.Multicriterial optimization of the operation and design parameters of electric-arc plasmatrons of linear circuits［J］.Engineering physics and thermophysics，2002，75（6）：1278-1282.

［3］GLAZKOV V V，ISAKAEV M E K，SINKEVICH O A，et al.Calculation of laminar flows of plasma in the channel of a plasmatron with the self-adjusting length of the electric arc［J］.High temperature，2002，40（6）：787-794.

［4］王飛，韓先偉，張蒙正.低功率非冷卻等離子體炬試驗(yàn)研究［J］.火箭推進(jìn)，2016，42（1）：33-36. WANG F，HAN X W，ZHANG M Z.Experimental studies of low-power uncooled plasma torch［J］.Journal of rocket propulsion，2016，42（1）：33-36.

［5］CASANUEVA R，AZCONDO F J，BRACHO S.Series parallelresonantconverter for electricaldischarge machining power supply［J］.Journal of materials processingtechnology，2004（149）：172-177.

（編輯：陳紅霞）

Design method of high-voltage DC power supply for plasma ignitor

WANG Yan1，2，F(xiàn)AN Wei1，2，ZHAO Yang1，2，HAN Xianwei1，2，TAN Chang1，2
（1.Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Plasma Physics and Applied Technology，Xi'an 710100，China）

According to the plasma ignition requirements for high-voltage DC power supply，the LCC series-parallel resonant converter with capacitive output filter was selected as the main circuit topological structure.Based on the working principle analysis of resonant converter in the continuous inductive current mode，the steady-state model of the converter was deduced with the fundamental harmonic approximation method，the equivalent circuit of the converter was established，and the circuit mathematic module convenient for engineering design.In consideration of the influence of each parameter on circuit performance，the optimized parameters were designed to ensure the switching tube can realize zero-voltage switching in the entire load range，which reduced the loss of MOSFETS effectively.The composition of the power supply system and the design method of circuit parameters was elaborated in detail.The result of simulation in allusion to this design scheme had verified the validityofthe proposed design and optimization method.

plasma ignitor；series-parallel resonant；high-voltage power supply

V439-34

A

1672-9374（2016）05-0012-05

2016-04-13；

2016-05-03

國(guó)家863項(xiàng)目（2013AA7023028）

王妍（1988—），女，碩士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)楦邏弘娫醇夹g(shù)