串联谐振软开关电容器充电电源研究

串联谐振软开关电容器充电电源研究 华中科技大学 硕士学位论文串联谐振软开关电容器充电电源研究 姓名:张小龙 申 请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:钟和清 20090530 摘 要 随着科学技术的发展，脉冲功率应用范围越来越广，已从最初的科研军事领域扩展 到医疗、生物、工业、民用等多个领域。由于高压电容器是其主要的初级储能设备 之一，随着脉冲功率技术的发展，高性能的高压电容器充电电源的研制更加迫切。 采 用高频软开关技术的串联谐振电路结构由于具有开关损耗小、具有恒流源特性、抗 短路能力强、可靠性高、容易控制等优点，被广泛用作高压电容器充电电源拓扑。 开关频率的提高，一方面减小了高频变压器的体积，另一方面也增大了其分布参数 的影响，使得串联谐振主电路已不再工作于理想的串联谐振模式。从而造成所设计 的电容器充电电源的性能与预期性能差别很大。 为了解决这个问题，设计过程中要 考虑变压器分布参数的影响。以往，考虑到变压器分布参数的设计方法往往是通过 仿真、查曲线等方法来设计或调整电路参数，设计结果往往不是太理想。 通过对变 压器分布参数的研究，串联谐振电路由于变压器分布参数的影响，实际工作在 LCC 串并联模式。本文以串联谐振理论分析为基础，通过对 LCC 串并联模式的理论分 析，推导出了设计电容器充电电源所需要的各参数的准确数学达式，并依据所推 出的理论公式，进行了一台电容器充电电源的设计，仿真和试验结果均与理论计算 值相一致，验证了该理论可以有效的指导实践。 关键词:电容器充电 串联谐振 高 频变压器 LCC 谐振 I Abstract With the development of science and technology the range of pulsed powerapplication gets increasingly wide expanding from the initial military and scientificresearch field to the medical biological industrial civil and other fields. Because thehigh-voltage capacitor is one of the main energy storage equipments in primary stage ofthe pulsed power system high-performance high-voltage capacitor charging power supplyare more urgently required along with the development of pulsed power technology. As the series resonant circuit which uses high switching frequency andsoft-switching technology has many advantages such as less switching losses thecharacteristics of constant current source strong anti-short-circuit capability highreliability and easy to control etc it has been widely used for high-voltage capacitorcharging power supply topology. On the one hand increasing the switching frequencyreduces the volume of high-frequency transformer on the other hand it increases theinfluence of the distributed parameters making the main circuit no longer work in an idealseries-resonant mode which results in that the performance of the capacitor chargingpower supply is widely different from the expected one. To solve this problem the transformer distribution parameters must be considered inthe design process. In the past this can be done usually by simulation or searching curvesand the design results are often unsatisfactory. Through the study of the transformer’s distributed parameters we know that theseries resonant circuit actually works in the series-parallel model due to the influence ofthe distribution parameters. Based on theoretical analysis of the series resonant circuit thispaper analyzes series-parallel model and gets the precise mathematical expressions of allthe parameters needed for a design .And also it designs a capacitor charging power supplyaccording to the theoretical analysis. Simulation and test results are consistent withtheoretical calculations which shows the theory can effectively guide our practice. Keywords: Capacitor charging series resonant high frequency transformer LCC resonant II 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ?，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 ?。 请在以上方框内打“?”学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 1 绪论1.1 课题提出的背景 从上世纪60年代开始，脉冲功率技术迅速发展，现在已成为了一门极有活力的新兴学科，近年来，随着科学技术的发展特别是电力电子技术的发展，脉冲功率技术应用范围越来越广，已从最初的科研和军事领域扩展到教育、医疗、工业、民用等多个领域，而且随着实践的深入，对脉冲功率设备的需求更大1-2。 脉冲功率设备中初级储能环节有多种形式包括:以电场形式存储能量的电容器、以磁场形式存储能量的电感器，另外，还有以动能形式储存能量的飞轮、以化学能形式存储能量的化学能装置以及核能存储装置等其中用电容器来储能由于技术成熟，简单方便，到目前为止，仍是脉冲功率领域应用最多的储能环节3。高压电容器作为脉冲功率领域的主要的储能环节，随着脉冲功率的应用领域越来越广，为了更好的满足实际的需要，高性能的高压电容器充电电源的研制要求更为迫切。1.2 硬开关电路缺点及软开关技术 硬开关变换器是指在开关管两端电压还不为零时就开通器件，以及在电流尚未为零时强迫关断器件的变换器。在这种情况下，由于开关器件不是理想的模型，实际的开通和关断都需要一段时间来完成，在这段时间里，开关管两端所施加的电压及所流通的电流就有交叠区域，这样就存在着开关损耗，且每开关一次都会有一次交叠，都会有损耗。当电路工作于稳态时，每一次开通关断过程中，开关管中的电流电压交叠区域是近似相等的，可以认为每次的开关损耗都是近似相同的，那么，开关管频率越高，即一定时间段内开关的次数越多，损耗就越大，所以硬开关有一个很大的限制条件:频率越高、损耗越大、效率越低。而且，硬开关电路中，电路中的电压、电流在开关管开通和关断的过程中，会出现迅速升为最高，又迅速将为最低的现象，即电路的 dv / dt 和 di / dt 比较大，电路中就会出现大的电压尖峰和电流 1尖峰，损坏设备，以致选择开关管时，开关管的功率等级要留有很大裕量，增加了成本。另外，大的 dv / dt 和 di / dt 还会以强的电磁干扰的形式对外发射，影响周围电磁环境，影响设备的正常工作和其它元器件安全。同时大的 dv / dt 和 di / dt ，使线路 4-5中电压电流波形变化更为陡峭，谐波更多，?廴镜缭?。这些都限制了硬开关的进一步发展4-5。 为减小开关损耗，上世纪 80 年代以来软开关技术得到广泛的重视和深入研究。与硬开关的开关过程相比，软开关技术利用在电路中设置电感、电容，使它们发生谐振，利用它们谐振过程中电压或电流的自然过零，使开关管两端电压电流的变为零，为零开通，零关断创造条件。以这种形式开通或关断开关管，开关过程中，开关管两端的电压和流经开关管的电流重叠域很小，甚至为零，开关损耗大大减小。由于谐振过程中电压电流波形近似正弦，谐波含量少，且电路中不会产生大的 dv / dt和 di / dt ，电磁干扰小。因此，软开关技术的出现意义重大。当然，软开关技术使电路结构和控制方法都变复杂了，增加了 成本;谐振过程作为了开关周期的一部分，限制了频率的进一步提高。 减小开关损耗从本质上讲，就是减小开通和关断过程中开关管两端电压和流经开关管的电流的重叠区域。这样，只需在开通和关断过程中限制电压或电流的增长速度，或者先将其中之一变为零，就可减小它们的重叠面积，从而减小开关损耗6。 应用软开关技术的直流变换器有很多种拓扑结构，可以归纳为以下几种类型578 : (1)全谐振型变换器，即一般所说的谐振变换器，这种结构一般用在全桥和半桥电路中。所谓“全”，指电路工作时，谐振元件参与能量传输的全部过程，谐振过程即为电路的整个工作过程。全谐振变换器根据电路中谐振元件和连接方式的不同又可以分为串联谐振、并联谐振、LLC 串并联谐振、LCC 串并联谐振等。 (2)准谐振变换器和多谐振变换器，这种变换器主要用在单开关管的情况下。这种变换器在以前的直流变换器中加入谐振电感、谐振电容，利用电感电容的的谐振过程的自然过零开通或关断开关管。准谐振变换器中谐振过程只是整个工作过程的一部分，只是在开关管开通或关断时才工作，不参与整个能量传输过程，工作过 2程中，不论是开关管还是续流二极管，准谐振变换器只可以对一个管子起作用，而不能同时对两个管子起作用。多谐振变换器可以对两个管子起作用，它在工作过程中不同的阶段，谐振电路的拓扑和谐振参数不同，故称为多谐振。 (3) ZVS PWM 和 ZCS PWM 变换器。这种变换器常规变换器中除了加入了电感电容之外，还加入了辅助开关管，这样既可以实现软开关，又可以保证恒频控制，给变压器、滤波电感的设计带来方便。 ZVT PWM 、 ZCT PWM 零转换变换器。前几种变换器有一个共同缺点:(4) 它们都会增加主开关管的电压电流应力，零转换变换器在电路中加入了辅助电路，既可以像 ZVS PWM 和 ZCS PWM 一样实现恒频控制，又不增大主开关管的电压电流应力。但这种变换器也有一个缺点:辅助开关管是硬关断，开关损耗比较大。 软开关技术的出现极大的促进了电力电子技术的发展，更新的拓扑结构和控制技术还有待进一步研究。1.3 高压电容器充电方式 传统的高压直流电源设计时一般负载为恒定值或者近似恒定值，但在脉冲领域，电容电压变化如图 1.1 所示。高压电容器充电电压从零开始充到设计值，然后经过保持阶段，瞬间放电，提供脉冲功率，然后再迅速充电。这就要求电容器电源能适应宽负载变化，能够提供较大的输出峰值功率，较高的电压精度，较好的电压保持能力，高压电容器电源与普通的高压直流电源不同。 电容电压 时间 图 1.1 电容电压的变化 高压电容器充电方式主要有:利用限流电阻器对电容充电、利用电感电容谐振 3对电容充电、采用高频变换器对电容充电9-11。 (1)利用限流电阻器对电容器充电 其充电方式如图 1.2 所示:高压直流电源经限流电阻对电容器充电，当电容上的电压与高压直流电源相等时停止充电，在电容器放电瞬间，由于放电时间很短，限流电阻器起到隔离负载和高压直流电源的作用，电容器给负载提供脉冲功率。该充电方式的优点是比较 简单、成本低 ，缺点是 效率低 ，理想情况下电容上储存的能量只有输出能量的一半，电阻的损耗占输出能量的一半，最大效率50 ，这就要求同等输出功率时高压直流电?吹氖涑龉β屎偷缱璧墓β实燃洞螅怀涞缡奔溆?RC 常数决定，提高充电速率时需要更换限流电阻。 R 高压 脉冲 直流 C 负载 电源 图 1.2 利用限流电阻对电容器充电 (2)利用电感电容谐振对电容充电 其充电方式如图 1.3 所示:交流电源升压整流后先对电容 C1 充电，使电容器 C1 储能，当晶闸管开通时， C1 向 C2 充电，当 C1 gtgt C2 时，充电过程中， C1 上的电压衰减不大，谐振结束时， C2 上的 电压将是 C1 的电压两倍。这种充电方式与前一种充电方式相比，由于没有电阻损耗，效率较高。缺点是晶闸管的耐压等级高和功率等级大，且由于开关器件用的是晶闸管，一次充电后 C2 上的电压大于 C1 上的电压，充电后，无法保持;前级需要高压大容量电容器储能。 1: n L 脉 冲 C1 C2 负 载 图 1.3 利用电感电容谐振对电容充电 (3)采用高频变换器对电容器充电12-18 随着电力电子技术的发展，电容器电源采用较高的频率减小了设备重量和体积， 4采用软开关技术可以减小开关损耗，提高设备效率，减小谐波对电网的污染，采用新的调节和控制技术是提高了输出电压精度、稳定度，较好的控制电流以减小对电容的冲击，有利于延长电容器寿命。所以采用此方式是电容器充电电源的发展方向。该方式电容器充电电源包括串联谐振式充电电源、反激变换器、Ward 变换器，LCC串并联谐振，LCL 串并联充电电源等。 其中串联谐振变换器工作在软开关状态，整流硅堆处于自然换流状态，因而回路损耗小，电磁干扰小;且具有非常强的抗短路特性，短路状态下仍可正常工作，电路的特征阻抗可用作限制峰值电流，开关频率可以控制输出电流平均值;变压器所承受的高电压只有在电容器达到高压时才会出现，因此降低了对变压器的绝缘要求。基于上述优点，串联谐振式拓扑结构被广泛用作高压电容器充电电源拓扑。1.4 本文的主要研究内容 电容器充电电源设计使用串联谐振式拓扑结构比较常见，但由于变压器分布参数的存在，实验结果往往与理想串联谐振相差很大，以前的设计中往往通过仿真方法来再调整谐振参数，这样设计效率就大打折扣，而且调节之后的效果也往往并不理想，出现这种情况的原因主要是因为没有理论可以依据。本文正是基于这方面考虑，以理想串联谐振分析为基础，将变压器分布参数考虑进去，通过理论推导得到了精确的数学公式，从而可用于指导实践。 主要的研究内容包括以下几个方面: (1)选取了串联谐振电源拓扑结构作为高压电容器充电电源拓扑，分析了串联 1谐振拓扑的特点，通过比较串联谐振拓扑的不同工作模式，选择了开关频率 f s lt fr 2时的电流断续模式，完成了串联谐振拓扑接大电容负载条件下的理论推导。 (2)考虑到高频变压器分布参数的影响，尤其是分布电容的影响，以串联谐振 1推导为基础，完成了 LCC 串并联谐振在在开关频率 f s lt f r ，接大电容负载条件下 2的理论推导。 5 (3)通过 LCC 串并联谐振的推导知，变压器分布参数对电源特性影响较大，所以对变压器的分布参数的影响和抑制措施进行了探讨，对在变压器原边并联电感来抑制分布电容的措施对电容器充电电源的特性影响进行了初步讨论。 (4)依据 LCC 串并联谐振理论对一实际电容器充电电源进行设计，通过对仿真和试验结果的分析，了理论的正确性。 6 2 主电路工作模式的选取和电路分析2.1.串联谐振拓扑特性及主电路工作模式的选取 串联谐振变换器7(图 2.1)由于具有抗负载短路能力强、对电路各部件要求低、可靠性高、容易控制等优点，被选择为高压电容器充电电源的主拓扑结构。 Q1 Q4 D1 D4 D5 D8 Lr iLr VO 负 Vin CS Cf 载 V Cs Q2 Q3 D2 D3 D6 D7 图 2.1 串联 LC 谐振结构2.1.1 串联谐振拓扑结构特性分析: 串联谐振拓扑只有两个非线性元件，结构简单，有很多文献都以对它的特性做了分析，如下71821-23: 串联谐振电路的优点: (1)在全桥拓扑中，由于开关管开关时间不同或正向压降不同容易造成变压器直流偏磁，串联谐振拓扑中，谐振电容可以用作隔直电容，所以，它可以比较容易的用于需要全桥结构的领域。 (2)当开关频率高于谐振频率时，功率元件中流经的电流随负载的减小而减小，从而功率元件的损耗减小，所以轻载时该拓扑 的效率仍较高。 (3)当开关频率小于谐振频率的一半时，串联谐振拓扑结构有恒流源特性，即在负载电阻变化时，输出电压成比例变化，而输出电流几乎不变，电路具有较强的抗短路保护能力。 串联谐振拓扑的缺点: 7 (1)空载时输出电压不容易调节。 (2)这种变换器输出滤波电容上的电流波动大，所以该拓扑在大电流、低压输出场合不适合，但在高压、小电流输出场合比较适用。 高压电容器充电电源为高压小电流，且由于负载是电容器，不需要额外加电容滤波，选择串联谐振电路拓扑为电容器充电电源拓扑比较合适。2.1.2 串联谐振电路工作频率的选取 串联谐振电路根据开关频率 fs 与谐振频率 fr 关系的不同，串联谐振电路有三种 1工作方式 6723-24 :方式一:当开关频率 f s lt f r 时 谐振电流断续;方式二:当 21 f r lt f s lt f r 时，谐振电流连续;方式三:当 f s gt f r 时谐振电流连续。由于电容器充2 1电电源要求恒流充电，而串联谐振电路拓扑在开关频率 f s lt f r 时具有恒流源特性， 2考虑选择该工作方式。 通过分析得各工作方式下的主要工作波形如下: 1 (1)方式一: 当 f s lt f r 时，谐振电流断续，波形如图 2.2 所示 2 Q1 Q3 Q2 Q4 iLr 2.2 串联谐振电路 f s lt f r 时. VCs Io t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 1 图