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，實現變換器在全負載范圍內的軟開關。首先分析了LCC電路的工作原理，并采用基波近似法進行數學建模，在此基礎上，給出不同負載時頻率、占空比與電壓增益的關系曲線，為設計LCC諧振變換器提供理論依據。最后通過一臺峰值電壓35 kV，額定功率7 kW的電源樣機驗證了設計的正確性，系統采用閉環控制，提高了輸出電壓的精度。

關鍵詞：電源；高壓直流；諧振變換器；軟開關

1 引言

高頻高壓變壓器是高壓直流電源設計的難點，經過分析，如何減小變壓器的分布參數是高頻高壓電源設計的關鍵。此處通過引入諧振，將變壓器分布參數作為諧振元件的一部分，實現開關管的軟開關，減小開關損耗，提高開關頻率，從而減小變換器的體積。

諧振變換器有串聯、并聯和串并聯3種拓撲。串并聯諧振變換器，又稱LCC諧振變換器，結合了前兩種拓撲的優點，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載范圍內均能實現軟開關。通過閉環控制，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諧振電路工作狀態分析

圖1為電容型濾波LCC諧振變換器電路。Cs，Ls為LCC諧振電路串聯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控制穩態時的主要波形。

(1)[t0～t1] t0時刻，電感電流iLs為零，此時VQ4為零電流開通，在前一時段VQ1已經零電壓開通，VQ1，VQ4導通，uAB為正，Ls，Cs，Cp發生諧振，輸出整流橋關斷，uCp從-Uo／n升高，到t1時刻，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VQ1，VQ4，Ls，Cs發生諧振，uCp被箝位在Uo／n，電路由變壓器傳遞能量。

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

(4)[t3～t4] 在t3時刻，VQ1，VQ3導通，VQ3零電壓開通，iLs為正，uAB為零，t4時刻，iLs即將減小至零時，VQ4零電流關斷。

(5)[t4～t5] iLs流過VD2，VD3，uAB為負，t5時刻，iLs到零，半個周期結束。

t5開始，變換器開始另一半周期的工作，工作過程與上半周期對稱，在此不再贅述。

通過以上分析可知，采用移相控制時，開關管不存在開通損耗。關斷時，開關管電流轉移到與其并聯的緩沖電容上，電容限制了開關管兩端的電壓上升率，從而實現開關管零電壓關斷。每一個反并聯二極管都是自然關斷，不存在關斷損耗。因此，相比硬PWM模式，采用LCC變換器時，開關損耗會大幅度減小，逆變器效率隨之增大。