LCC串并聯諧振充電高壓脈沖電源設計

采用MARX發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，而斷路開關是其發展的瓶頸。與電感儲能裝置相比，電容器的穩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控制、脈沖波形不穩定、可靠性低、成本高。

本文將LCC串并聯諧振變換器作為高壓脈沖電源的充電電源。LCC串并聯諧振變換器結合了串聯諧振變換器抗短路特性和并聯諧振變換器抗開路特性的優點[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校正得到輸出連續可調的直流，通過LCC串并聯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雙極性脈沖輸出。系統結構如圖1所示。

圖中，LCC串并聯諧振變換器由4個功率開關管與諧振電感Lr、串聯諧振電容Cs、并聯諧振電容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為正弦波、準正弦波或局部正弦波，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。

(4)開關模態4[t3，t4]
在此開關模態中，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

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串聯形式，利用全橋逆變拓撲結構實現雙極性脈沖輸出[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。
　整個系統的控制由控制器和驅動電路來實現，主要完成LCC諧振電路的輸出電壓調節、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同步觸發等。采用的TMS320F2812開發板，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，可實現過壓、過流保護在內的電源系統運行全數字控制，提高了輸出電壓的精度和穩定度。采用軟件編程實現控制算法，使得系統升級、修改更為靈活方便。
2 電路參數的選取與仿真分析
　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,以減少諧振停滯時間，提高電源工作效率。

本文設計了一種基于LCC串并聯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，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串并聯諧振充電技術可實現恒流充電，提高電源工作效率；該設計容易實現開關管的軟開關，能夠把變壓器的漏感和分布電容納入諧振參數中，從而消除這些參數對逆變器的影響，且利用串并聯諧振逆變充電作為對中間儲能電容充電的結構，有利于實現裝置的小型化和快速充電。
參考文獻
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