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高压脉冲电源电路设计的关键问题与特点

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  • 更新日期:2012-07-12 10:07
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详细介绍
本文系统的介绍和分析了高压脉冲电源设计中的关键问题和解决方案。首先介绍了高压脉冲电源的特点、应用和发展,归纳和比较了高压脉冲电源常用的拓扑结构。接着针对其中应用较为广泛的两级式结构详细地分析了其设计过程中的主要问题,得出了影响高压脉冲电源性能的关键因素,认为设计重点在于在系统散热能力范围内和保证输出脉冲精度的前提下提高前级的平均输出功率和峰值输出功率,而为达到这一目的,需要提高系统开关频率和效率。

摘要:  本文系统的介绍和分析了高压脉冲电源设计中的关键问题和解决方案。首先介绍了高压脉冲电源的特点、应用和发展,归纳和比较了高压脉冲电源常用的拓扑结构。接着针对其中应用较为广泛的两级式结构详细地分析了其设计过程中的主要问题,得出了影响高压脉冲电源性能的关键因素,认为设计重点在于在系统散热能力范围内和保证输出脉冲精度的前提下提高前级的平均输出功率和峰值输出功率,而为达到这一目的,需要提高系统开关频率和效率。最后针对这一需要介绍了谐振变换器软开关技术以及采用了谐振变换器的高压脉冲电源的调频、移相控制方法。对高压脉冲电源的设计有一定的指导意义。

关键字:  高压脉冲电源,电容恒流充电,谐振变换器,移相控制

1 高压脉冲电源的特点和发展
高压脉冲电源能输出重复频率为几赫兹至几千赫兹、电压为几千伏至几十千伏的高压脉冲,主要应用在脉冲功率设备中电容的恒流充电、加速器磁铁供电、激光器供电、x光机供电、烟气净化、污水处理以及医用灭菌和食品保鲜等领域。传统高压大功率脉冲电源一般采用工频变压器升压,然后采用磁压缩开关或者旋转火花隙来获取高压脉冲,因而大都比较笨重,而且获得的脉冲频率范围有限,可靠性较低,控制较困难,成本较高。随着电力电子技术和电力电子器件的发展,新型高压脉冲电源采用高频变压、软开关、PFC等技术,同时用电力电子功率开关作为高重复频率固体开关替代传统脉冲功率电路中的开关,因而具有体积小、功率因数高、效率高、输出脉冲控制精确、重复频率变化范围大的特点,成为高压脉冲电源的发展方向。
2 高压脉冲开关电源的拓扑结构
目前高压脉冲开关电源常用的主电路拓扑可以归纳为两类,即电容充放电式和高压直流开关电源加脉冲生成的两级式两种。
2.1 电容充放电式(结构见图1)
其工作原理是开关S1通S2断时对电容C充电储能,然后S1断S2通,电容对负载放电形成脉冲输出。通过长时间充电、瞬间放电即控制充放电的时间比例从而达到对能量进行压缩输出高压大功率脉冲的目的。具体应用时可利用谐振实现倍压充放电[1]。
这种电路可以输出的脉冲功率和电压等级较高,脉冲上升沿较陡,但是,输出脉冲精度难以控制,而且重复频率较低,因而应用范围比较有限,主要应用在核电磁物理研究[2]、烟气除尘、污水处理、液体杀菌等场合[3, 4]。
2.2 两级式
两级式为高压直流开关电源级加上脉冲生成级的结构。第一级为直流高电压的获取,其一般采用“整流-PFC-高频逆变-变压-整流”结构。这一级为整个高压脉冲开关电源的关键部分,当采用两级式结构时,脉冲电源的性能很大程度上取决于这一级的最大输出功率和平均输出功率的大小、输出直流电压(电流)的大小、精度以及效率。因此,这一级是整个脉冲电源设计的关键。其主要问题在于软开关的选择、控制方法的选择以提高效率和精度并有效的散热。这一点将在本文第三部分中详细分析。
第二级主要通过对前级产生的高电压(电流)进行开关控制从而输出脉冲,其一般采用“高压直流输入-[脉冲变压器]-脉冲处理-输出高压脉冲”的结构。当需要的脉冲电压较低时,可以通过对高压直接开关形成脉冲输出;当需要的脉冲电压很高超出开关管承受范围时可以通过开关管串联对电压进行开关或者先产生较低电压的脉冲,然后采用脉冲变压器升压的方式来获得高压脉冲。另外,对高压开关管也可以采用软开关的方式来降低开关损耗提高开关频率[5]。
综上,可知两级式结构有脉冲稳定、可控性好、精度高、重复频率变化范围较大的特点,因而适用范围较广,通用性较好。本文将针对这种主电路结构的主要问题进行初步的讨论。
3 影响脉冲电源输出性能的关键因素
下面以两级式结构的电容恒流充电脉冲电源为例分析影响输出脉冲性能的关键因素。
3.1 衡量脉冲质量的参数 
电容恒流充电典型脉冲波形如图2。其中各参数含义与根据定义基于两级式电路结构推导得到的计算式分别如下:
TC为充电电压上升时间,
                             (1)
TP为脉冲重复周期,即重复频率fP的倒数,
                           (2)
Td为额定充电电压持续时间,一般按负载要求取值,
Td=TP-TC                                      (3)
ERFP%为脉冲重复精度(pulse to pulse repeatability),即最大脉冲电压峰值和最小脉冲电压峰值的差值与额定充电电压Vch之比,
              (4)
其中:PPK为电源的峰值充电功率,
                              (5)
Pav为电源输出的平均充电功率,
                            (6)
Vch为电容额定充电电压,Vrated为直流电压级的输出电压,一般Vch=Vrated,CLoad为负载电容;T*为最小脉波周期,取决于开关频率fS,一般为1/(2fS)。[#page#]
3.2 影响脉冲质量的关键因素
在负载电容大小及额定充电电压一定条件下分析决定脉冲质量的下列参数:(1)脉冲重复频率:由(式2),要提高脉冲重复频率则要增大电源输出的平均充电功率Pav,重复频率调节范围由Pav的最大值决定;(2)脉冲的上升斜率:由(式1),要增大脉冲的上升斜率,则必须通过提高PPK降低充电电压上升时间TC,而最大上升斜率则由脉冲电源能承受的最大峰值功率PPK决定;(3)脉冲重复精度:由(式4),要提高脉冲重复精度:EREP%,必须提高开关频率fS或增大充电电压上升时间TC。
根据上述分析,要提高脉冲电源性能,关键在于提高第一级即高压直流级能承受的最大峰值输出功率和平均输出功率,这除了对器件和主电路设计提出了较高要求外,也对散热设计提出了极大的挑战,因此有脉冲输出性能较高的高压脉冲电源产品,如Lambda ALE303系列脉冲电源就采用了先进的FC72(一种沸点为59℃的惰性氟烃化合物)进行绝缘和散热,以在其相对很小的体积内实现高达30kJ/s的平均电容充电功率和50kW的直流稳压输出功率[7]。
另外,在开关频率和负载要求的延迟时间Td一定的情况下,提高脉冲重复频率和脉冲重复精度间存在矛盾。如取EREP%为1%时,若fS为20kHz,则重复频率fP一般最高约200~300Hz。尤其是当充电电容很小而且要求脉冲重复频率很高时,脉冲重复精度更是难以达到要求。此时,只有通过提高开关频率减小输出电流纹波的方式才能在保证脉冲重复精度的前提下提高脉冲重复频率。而在大功率开关电路中,要在要求尽可能降低损耗提高效率的前提下避免因提高开关频率而导致开关损耗加大,较好的解决方案是采用软开关电路。
4 软开关的选择
4.1 应用谐振变换器的高压脉冲电源
根据高压脉冲开关电源高电压、大功率的特点,为了降低散热设计的难度,必须尽可能的提高电源的工作效率。根据上文分析,要在输出脉冲重复频率范围较宽时保证脉冲重复精度必须采用较高的开关频率,而为减小体积提高功率密度也要求尽可能提高开关管的开关频率。而高压脉冲开关电源中开关管一般都在高电压大电流状态下导通与关断,由于受到器件寄生电感、电容的影响,开关管开关损耗较大在工作中也会产生较强的电磁干扰,并且这些都随开关频率提高而加剧,这成为了限制电源功率和工作频率的提高主要瓶颈。
针对这些问题出现的软开关技术通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等元件构成辅助换相网络,在开关过程前后引入谐振过程使开关器件实现零电压(ZVS)开通或零电流(ZCS)关断,以消除开关过程中的电压、电流重叠,降低它们的变化率,从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声[8]。因此,在高压脉冲开关电源中一般需要采用软开关技术来提高开关频率同时尽可能减小开关损耗和开关噪声。在目前的各种软开关电路中,通过在高频逆变与高频整流间加入谐振电路构成的谐振变换器(Resonant inverter linked DC-DC converter/Resonant Converter)因其结构简单、控制方法独特同时可以利用高压电路寄生参数的特点而在高压直流电源的制作中具有极大优势并得到了广泛的应用。
4.2 谐振变换器结构的选择
谐振变换型电源是在传统硬开关电路拓扑中根据电源特性需要增加谐振元件构成的谐振网络,利用谐振网络的作用,使逆变器开关管的电压或电流周期性过零,这样开关便可在零电压或零电流条件下导通和关断,形成软开关。
谐振变换器的拓扑有许多种,根据谐振网络谐振元件与负载的连接形式可以分为三类:串联谐振变换器(SRC)、并联谐振变换器(PRC)和串并联谐振变换器(SPRC)。它们由于结构不同而表现出不同的特性因而适用于不同要求的电源,下面简要介绍这三种谐振变换器[9-11]。
因为电压较高,高压脉冲电源一般都采用全桥进行逆变和整流,所以下面分析中的谐振变换器的逆变和整流均采用全桥结构。
(1)串联谐振变换器(结构见图3)
串联谐振变换器特点是负载谐振元件Lr、Cr相串联,分析其电压、电流传输特性[10]可以发现串联谐振变换器在开关频率偏离谐振频率一定范围后输出电流受负载影响较小而且有过载保护能力所以呈现出电流源性质,同时Cr有隔直的作用,可防止变压器饱和。但电压随负载变化较大,RL越大电压调节特性越差,在空载时失去电压调节能力。另外,其在一定开关频率范围内输出电流大小调节有限,电流脉波较大,因而脉冲重复精度较低。尤其是在负载电容较小而要求脉冲重复频率较高时,脉冲重复精度更低[11]。[#page#]
(2)并联谐振变换器(结构见图4)
并联谐振变换器的特点是负载与谐振电容Cr相并联,分析其电压、电流传输特性[10]可以发现其在一定开关频率范围内输出电压受负载变化影响较小因而具有电压源特性,同时可以利用高频升压变压器及高压输出电缆的寄生电容,能较大的减小寄生参数对谐振网络的影响。缺点是谐振网络输入电流受负载影响很小,因而RL增大(轻载)时效率较低。因而主要适用于输出电压变化范围较小、负载较稳定的情况。
(3)串并联谐振变换器(结构见图5)
串并联谐振变换器的特点是负载与一个谐振元件并联再与其余的谐振网络串联。根据与负载并联的谐振元件的类型,串并联谐振变换器可以分为LCC型(电容并联)和LLC型(电感并联)。串并联谐振变换器结合了串联谐振变换器和并联谐振变换器的特点,在一定频率下具有并联谐振变换器的特点,而在一定频率下又具有串联谐振变换器的特点[10]。其优点是在负载额定时,变换器呈现串联谐振变换器的特性,当负载变轻时偏向并联谐振变换器特性。同时谐振网络电流随负载变化而变化,输出电压调节范围较宽[9]。
在上述的谐振变换器中,LCC型谐振变换器由于能够利用变压器高压侧绕线间以及高压线缆的寄生电容参与谐振从而降低其对谐振变换器的影响,同时又有较宽的电压调节范围和负载适应范围因而在高压脉冲电源中得到了较广的应用。
5 高压脉冲电源的控制
高压脉冲电源除了需要提高效率外,另一个研究重点就是控制方法的选择与控制系统的设计以实现高精度的脉冲输出。由前文对影响脉冲质量因素的分析可以知道脉冲控制的关键在于对脉冲电源前级输出的直流高压进行快速、精确的控制。谐振变换型的高压直流开关电源的调压方式使用较多的主要有调开关频率法、恒频移相PWM法两种。
(1)调开关频率法:根据谐振变换器特性可以知道对特定的谐振网络,输出电压Vo与逆变器开关频率fS和负载间存在一定的非线性关系[12],可以通过调整开关频率fS来达到改变输出电压的目的。这种方法的特点是控制比较简单,但非线性的存在致使其闭环控制系统的设计较为困难[13]。另外,当输出电压变化范围较大时会使fS变化范围也比较大从而增大滤波器设计难度并使磁性元件利用率降低。因此,这种控制方法主要应用于电压变化较小的场合。
(2)恒频移相PWM法:其基本原理是将一个全桥逆变器等效为两个半桥逆变器,它们工作在相同的开关频率下且存在一定的相位差,它们分别输出两个存在相位差的电压相加后输出给负载,通过移相调节这个相位差即可调节输出电压[14]。这种控制方法的最大优点是实现了对输出电压的恒频控制从而一方面简化了调频带来的非线性问题,并且可以实现对输出电压的PWM调制;另一方面开关频率的固定也避免了调频控制给磁性元件设计带来的一系列问题。这种控制方法的主要缺点在于全桥两个臂对负载的不平衡以及超前臂对只有在一定条件下才能实现零电压开关。不过这些可以通过对电路和控制方法进行改进来解决[14]。
对于高压脉冲电源,需要根据负载特性的不同选择相应的控制方法。当脉冲电源要求输出电压变化范围较大且脉冲重复精度要求较高如用作电容恒流充电时,移相PWM控制的谐振逆变器是较好的解决方案。
6 结语
高压脉冲电源需要采用软开关技术以提高输出脉冲质量并提高效率和功率密度,而谐振变换软开关因结构简单、能利用电路寄生参数等优点而在高压脉冲电源中得到了广泛的应用。本文总结高压脉冲电源的特点与常用拓扑并针对开关直流高压产生脉冲的两级式结构进行了分析,总结了影响其输出脉冲质量的关键参数并分析比较了提高输出脉冲质量常用的谐振变换器技术及其控制方法。
参考文献 (略)

 
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