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基于串联谐振的直流电源的研究
2021-11-08

华天电力专业生产串联谐振耐压装置,下面为大家介绍基于串联谐振的直流电源的研究。


随着电力电子技术的发展和新型高性能/高耐压/高频电力电子器件的出现,高压直流电源开始在军事、工业、农业、医疗和日常生活中应用,例如:雷达发射器、污水处理、静电除尘、电子显微镜、X射线仪、行波管、臭氧发生器等。部分产品技术比较成熟,已被广泛的应用。


高压直流电源国内外发展状况


国外研究高压直流电源的历史较早。从电源的发展角度看主要经历了以下四个阶段。


早期的高压直流电源主要是将工频交流电经升压变压器升压后整流滤波,或升压后再采用倍压整流得到高压。由于工频变压器体积大、纹波大,电路不能采用闭环调节,这类高压直流电源逐渐被淘汰。


晶闸管控制阶段,此阶段由于晶闸管的出现,开始采用半控型器件调节电源电压,而且可以实现闭环调节,大大提高了系统稳定性。但对电网有很大的污染,由于使用工频变压器,因此系统仍存在体积大,效率低,滤波电容大和输出纹波大的缺点。


串联谐振耐压装置


近年来,随着全控型器件的成熟,人类步入了开关电源的时代,此时开关电源开始在高压直流电源中应用,它以效率高、体积小、重量轻、响应快、储能少、设计制造周期短等特点,已逐渐取代了传统的高压线性直流电源,走进了各个领域。


高压直流电源控制技术


目前高压电源多采用开关电源技术,大大降低了体积重量,提高了效率,尤其是小功率高压电源几乎都是开关电源结构。开关电源控制技术主要有脉宽调制技术、调频控制技术以及调幅控制技术。对于高压电源而言,由于输出电压较高,很少采用电感电容LC滤波,而是普遍利用电容一阶滤波。因此高压电源中主要有调频控制和调幅控制两种控制方法。


PFM控制高压直流电源


调频控制高压电源框图如图1-1所示。


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电路工作过程为,输入电压经过整流滤波后变为平滑的直流量,然后通过高频逆变谐振电路产生一个高频方波电压加于变压器原边,最后通过变压器和倍压整流电路双重升压产生高压直流电,调节频率大小控制输出电压。


调频控制电路根据谐振方式的不同,主要分为LC串联谐振高压电源、LC并联谐振高压电源和LCC串并联谐振高压电源。


(1)LC串联谐振高压电源LC串联谐振变换器的拓扑如下图1-2所示。


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此电路的优点是初级串联谐振电容rC,它作为隔直电容,可以避免了变压器的偏磁问题。同时谐振电感可以充分利用寄生电感,减小了变压器寄生参数对电路的不利影响;另一个优点为当负载电流减小时,流过功率器件的电流减小,因此可以得到较高的负载效率。缺点为高压电源中变压器的匝比多,寄生电容不可忽视,由于变压器寄生电容的充放电,增大了系统的无功功率,大大降低了变压器的效率,同时,采用LC串联谐振当电路工作于轻载条件下时,电路的输出电压基本不随频率的变化而变化,因此轻载时,调频控制不再适用。


(2)LC并联谐振高压电源LC并联谐振变换器如下图1-3所示。


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此变换器中变压器的漏感和谐振电感相串联,可以消除寄生电感对电路的影响,而其分布电容和谐振电容相并联,克服了串联谐振变换器的分布电容对电路的影响,而且可以在空载时调节输出电压,较适合于轻载或空载下运行。此外,并联谐振电路还具有抗电路短路的特性,因此在一定条件下并联谐振电路更适于高压电源。但是,对于LC并联谐振而言,输出一般采用LC滤波,但是在高压电源中由于输出滤波电感承受较高电压,因此滤波电感的体积可能比变压器的体积大,虽然在文献中证明了输出滤波电路中,去掉电感,系统性能没有降低,但是,由于无LC串联谐振隔直电容的优点,变压器易饱和成为本拓扑的主要问题。此外,由于电路中工作电流完全独立于负载,因此当电路工作在轻载时,电路的效率较低。


(3)LCC串并联谐振高压电源


为了能够充分利用串联谐振和并联谐振的优点,同时消除二者的缺点串并联谐振电路应运而生,电路如图1-4所示。


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此电路避免了串联谐振空载不能调整,并联谐振变换器环路电流独立于负载的缺点。它虽然具有串联谐振和并联谐振变换器的优点,但是电路在空载或轻载下输出电压在谐振频率处很高,不利于元器件的选择,而工作在较低输出电压时,工作频率较低因此调节输出电压时电路的频率变化范围较大,不利于磁性元器件的设计。


总之,调频控制具有拓扑简单、成本低,而且谐振电路易实现软开关和吸收寄生参数的功能,应用也较广泛,但对于大范围可调输出电压,低纹波和稳定度高的场合,由于频率变化范围太大,输出纹波变化大,磁性元件设计困难,同时变压器利用率低,因此,在高压功率电路中不宜采用调频控制。


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