LCC串并聯(lián)諧振充電高壓脈沖電源設(shè)計(jì)

采用MARX發(fā)生器獲取陡前沿高壓窄脈沖的電路較復(fù)雜，而且陡化前沿有許多設(shè)計(jì)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(duì)電感的充電必須迅速，而且儲(chǔ)能時(shí)間不能過長(zhǎng)，電源需具備較高的內(nèi)阻和較大的功率，而斷路開關(guān)是其發(fā)展的瓶頸。與電感儲(chǔ)能裝置相比，電容器的穩(wěn)定且可重復(fù)的快速閉合開關(guān)要普及得多，電容器的能量保持時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電感儲(chǔ)能裝置，并且可以小電流充電降低對(duì)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(tǒng)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(guān)或者旋轉(zhuǎn)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(fù)頻率難以調(diào)節(jié)控制、脈沖波形不穩(wěn)定、可靠性低、成本高。

本文將LCC串并聯(lián)諧振變換器作為高壓脈沖電源的充電電源。LCC串并聯(lián)諧振變換器結(jié)合了串聯(lián)諧振變換器抗短路特性和并聯(lián)諧振變換器抗開路特性的優(yōu)點(diǎn)[1]，在輸出電壓、輸出電流強(qiáng)烈變換的場(chǎng)合有著良好的特性和較高的變換效率。本文介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及LCC充電電路原理，以及采用通過仿真軟件PSIM對(duì)LCC充電過程和發(fā)生器放電輸出進(jìn)行的仿真分析。

1 LCC諧振變換充電高壓脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 電源主電路結(jié)構(gòu)和工作原理
電路由工頻整流濾波、功率因數(shù)校正電路PFC(Power Factory Correction)、LCC諧振變換器、高頻整流、電容充電儲(chǔ)能、電感緩沖隔離、IGBT全橋逆變及脈沖升壓變壓器等單元構(gòu)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(xù)可調(diào)的直流，通過LCC串并聯(lián)諧振逆變經(jīng)高頻升壓后向儲(chǔ)能電容C充電，經(jīng)過IGBT全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中，LCC串并聯(lián)諧振變換器由4個(gè)功率開關(guān)管與諧振電感Lr、串聯(lián)諧振電容Cs、并聯(lián)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(guān)管的電流或電壓波形變?yōu)檎也?、?zhǔn)正弦波或局部正弦波，這樣能使功率開關(guān)管在零電壓或零電流條件下導(dǎo)通或關(guān)斷，減少開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)的損耗，同時(shí)提高開關(guān)頻率、減小開關(guān)噪聲、降低EMI干擾和開關(guān)應(yīng)力。

(4)開關(guān)模態(tài)4[t3，t4]
在此開關(guān)模態(tài)中，所有開關(guān)管和二極管均關(guān)斷，iLr為零，vCp保持不變。在t4時(shí)刻，開關(guān)管Q2、Q4零電流開通，開始另一半開關(guān)周期，重復(fù)工作過程開始。電路工作波形如圖3所示，設(shè)在t0時(shí)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(duì)前級(jí)產(chǎn)生的高電壓（電流）進(jìn)行開關(guān)控制從而輸出脈沖，設(shè)計(jì)中在開關(guān)速度滿足要求的情況下，采用IGBT串聯(lián)形式，利用全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出[4]。如圖1所示,當(dāng)開關(guān)Q5、Q7閉合，Q6、Q8斷開時(shí)，輸出電壓為正；當(dāng)開關(guān)Q6、Q8閉合，Q5、Q7斷開時(shí)，輸出電壓為負(fù)，得到雙極性的脈沖輸出。改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率，控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間即可調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，得到脈寬與頻率均可調(diào)的雙極性高壓脈沖波。
　整個(gè)系統(tǒng)的控制由控制器和驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，主要完成LCC諧振電路的輸出電壓調(diào)節(jié)、控制和全橋驅(qū)動(dòng)及后級(jí)脈沖形成電路的變頻變寬輸出脈沖控制和IGBT同步觸發(fā)等。采用的TMS320F2812開發(fā)板，內(nèi)部集成了16路12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)事件管理器模塊、1個(gè)高性能CPLD器件XC95144XL，可實(shí)現(xiàn)過壓、過流保護(hù)在內(nèi)的電源系統(tǒng)運(yùn)行全數(shù)字控制，提高了輸出電壓的精度和穩(wěn)定度。采用軟件編程實(shí)現(xiàn)控制算法，使得系統(tǒng)升級(jí)、修改更為靈活方便。
2 電路參數(shù)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(duì)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(rèn)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(tài)時(shí)間增長(zhǎng)，iLr為零時(shí)并不傳輸能量，導(dǎo)致輸出功率減少。因此，根據(jù)上述分析，在滿足諧振軟開關(guān)的前提下，應(yīng)選擇合適的k值使LCC諧振變換器工作在最佳狀態(tài),以減少諧振停滯時(shí)間，提高電源工作效率。

本文設(shè)計(jì)了一種基于LCC串并聯(lián)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(tài)，并進(jìn)行了公式推導(dǎo)，說明了k取值的重要性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了LCC串并聯(lián)諧振充電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)恒流充電，提高電源工作效率；該設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，能夠把變壓器的漏感和分布電容納入諧振參數(shù)中，從而消除這些參數(shù)對(duì)逆變器的影響，且利用串并聯(lián)諧振逆變充電作為對(duì)中間儲(chǔ)能電容充電的結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)裝置的小型化和快速充電。
參考文獻(xiàn)
[1] 張軍鋒．基于電流型LCC諧振變換器的電火花加工電源的研究[D]．南京航空航天大學(xué)，2006．
[2] 王曉明，侯召政，方輝，等．LCC諧振充電IGBT開關(guān)Marx發(fā)生器[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007(7):87-92．
[3] BELAGULI V, BHAT A K S. Series-parallel resonant converter operating in discontinuous current mode-analysis, design, simulation, and experimental results[J].IEEE Transaction on Circuits and System. 2000(4):433-442.
[4] WANG Chang Jiang. ZHANG Q H, STREAKER C. A 12 kV solid state high voltage pulse generator for a bench top PEF machine[J].Power Electronics and Motion Control Conference, 2000(8):1347-1352.
[5] 王雪飛，范鵬．串并聯(lián)諧振高壓變換器的分析與設(shè)計(jì)[J]．電力電子技術(shù)，2008(9):55-57．