桂存兵 王桂蓮 梅妮 張治國

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528404;2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

高頻LCC串并聯(lián)諧振變換器兼顧了串聯(lián)和并聯(lián)諧振變換器各自的優(yōu)點(diǎn)，并且利用諧振元件吸收了電路的寄生參數(shù)，減少了電路損耗［1］。同時(shí)通過實(shí)現(xiàn)零電壓(ZVS)或零電流(ZCS)開通與關(guān)斷以及基本的緩沖電路，能顯著減少開關(guān)損耗和諧振元件的電應(yīng)力，從而提高了開關(guān)頻率，因此高頻率、低能耗、小體積的LCC串并聯(lián)諧振變換器廣泛應(yīng)用于靜電除塵，感應(yīng)加熱等高頻工作場(chǎng)合［2～6］。

串并聯(lián)諧振電路是具有三個(gè)諧振元件(如圖1所示)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)呈現(xiàn)出多諧振過程的LCC型諧振電路［7～9］，因此與相對(duì)低階的串聯(lián)諧振變換器(SRC)和并聯(lián)諧振變換器(PRC)比較，串并聯(lián)諧振電路(SPRC)的分析和設(shè)計(jì)要繁瑣得多。文中描述了電路在多種工作模態(tài)下的工作過程，討論了開關(guān)頻率與變換器工作模式之間的聯(lián)系，推導(dǎo)了系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)的表達(dá)式，分析方法可用于指導(dǎo)電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)特性的分析研究。

圖1 高頻直流電源諧振電路拓?fù)?/p>

本文主要對(duì)處于fs＞fr(fs為開關(guān)頻率，fr為諧振頻率)下的LCC串并聯(lián)諧振電路三種工作模式進(jìn)行了分析，然后用仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其正確性。

圖1中，Lr為串聯(lián)諧振電感(包含了變壓器的漏感)，Cr為串聯(lián)諧振電容，Cp為并聯(lián)諧振電容(包含了折算后的分布電容)，C0和R0分別為負(fù)載電容和電阻，其中C0遠(yuǎn)大于Cp。

1 LCC諧振電路的工作原理

圖2與圖3分別是工作模式1時(shí)LCC諧振電路的主要波形圖與相應(yīng)的諧振狀態(tài)，前半周期描述如下:

(1)工作狀態(tài)1(t0～t1):D1和D4處于導(dǎo)通狀態(tài)，Cp電壓箝位，Lr和Cr組成串聯(lián)諧振回路，能量經(jīng)過變壓器流向負(fù)載，t1時(shí)刻諧振電流為零。

(2)工作狀態(tài)2(t1～t2):Q1和Q4零電流零電壓導(dǎo)通，Cp、Lr和 Cr組成串聯(lián)諧振回路給Cp充電，能量不經(jīng)變壓器流向負(fù)載。

圖2 工作模式1時(shí)LCC諧振電路主要波形

圖3 工作模式1時(shí)LCC諧振電路的諧振狀態(tài)

(3)工作狀態(tài)3(t2～t3):Q1和Q4處于導(dǎo)通狀態(tài)，Cp電壓箝位，Lr和Cr組成串聯(lián)諧振回路，能量經(jīng)過變壓器流向負(fù)載。t3時(shí)刻此工作過程結(jié)束，此時(shí)諧振電流很大，屬于硬關(guān)斷，然后進(jìn)入下半周期工作，下半周期工作情況類似。

圖4 工作模式2時(shí)LCC諧振電路主要波形

圖5 工作模式2時(shí)LCC諧振電路的諧振狀態(tài)

圖4與圖5分別是工作模式2時(shí)LCC諧振電路的主要波形圖與相應(yīng)的諧振狀態(tài)，前半周期描述如下:

(1)工作狀態(tài)1(t0～t1):D1和D4自然導(dǎo)通，Cp、Lr和 Cr組成串聯(lián)諧振回路給Cp充電，能量不經(jīng)變壓器流向負(fù)載。

(2)工作狀態(tài)2(t1～t2):D1和D4處于導(dǎo)通狀態(tài)，Cp電壓箝位，Lr和Cr組成串聯(lián)諧振回路，能量經(jīng)過變壓器流向負(fù)載，t2時(shí)刻諧振電流為零。

(3)工作狀態(tài)3(t2～t3):Q1和Q4零電流零電壓導(dǎo)通，Cp、Lr和 Cr組成串聯(lián)諧振回路給Cp充電，能量不經(jīng)變壓器流向負(fù)載。t3時(shí)刻該工作過程結(jié)束，然后進(jìn)入下半周期工作，下半周期工作情況類似。

圖6與圖7分別是工作模式3時(shí)LCC諧振電路的主要波形圖與相應(yīng)的諧振狀態(tài)，前半周期描述如下:

(1)工作狀態(tài)1(t0～t1):D1和D4自然導(dǎo)通，Cp電壓箝位，Lr和 Cr組成串聯(lián)諧振回路，能量經(jīng)變壓器流向負(fù)載，t1時(shí)刻諧振電流為零。

圖6 工作模式3時(shí)LCC諧振電路主要波形

(2)工作狀態(tài) 2(t1～t2):Q1和Q4零電流零電壓導(dǎo) 通， Cp、Lr和Cr組成串聯(lián)諧振回路給Cp充電，能量不經(jīng)過變壓器流向負(fù)載，t2時(shí)刻該工作過程結(jié)束，然后進(jìn)入下半周期工作。

圖7 工作模式3時(shí)LCC諧振電路的諧振狀態(tài)

2 LCC諧振電路的工作特性分析

LCC諧振電路在工作模式1、2時(shí)都有六個(gè)工作狀態(tài)，電路處于工作模式3時(shí)有四個(gè)工作狀態(tài)。實(shí)際上，工作模式3是模式1、2的中間狀態(tài)。由于電路的對(duì)稱性，本文僅對(duì)半周期內(nèi)工作狀態(tài)進(jìn)行分析。分析前做如下假設(shè):1)電路中所有元件為理想元件;2)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)Vin和V0為恒值。

2.1 LCC諧振電路基本等式

從圖3可知在工作狀態(tài)2時(shí)變壓器一次側(cè)沒有電流流過，能量不流向負(fù)載，Cp端電壓從-Ve變化到+Ve;電路在工作狀態(tài)1和3時(shí)Cp被箝位，能量經(jīng)變壓器流向負(fù)載，可得:

工作模式2時(shí)，同理可得:

工作模式3時(shí)，可得:

(1)～(6)式中，Vin為直流電源電壓;Ve為V0折算到變壓器一次側(cè)的電壓;n為變壓器的變比;Pin為電源輸入功率;P0為輸出功率;Pt為變壓器一次側(cè)輸入功率;QM1、QM2和QM3為工作狀態(tài)1～3對(duì)應(yīng)的流過串聯(lián)電感的電荷。

當(dāng)電路中能量高效傳輸時(shí)，無論電路處于何種工作模式都有Pin≈P0≈Pt。

因此，由(4)式得:

同樣，由(5)式可得:

同樣，由(6)式得:

由(6)、(12)式可得:

為了正確分析LCC諧振電路，有必要識(shí)別電路是的工作模式，當(dāng)電路工作模式3時(shí)，基于LCC諧振電路的工作原理分析，工作模式1時(shí)的工作狀態(tài)3所占時(shí)間段與工作模式2時(shí)的工作狀態(tài)1所占時(shí)間段都為零，由(8)、(9)式等于零可得電路處于工作模式3時(shí)的開關(guān)頻率為:

另外從(13)、(14)式可以看出，并聯(lián)電容數(shù)值是fs0、n、R0和VeN的函數(shù)，(13)式中 fs=fs0，VeN=Ve/Vin。

工作模式1時(shí)fr＜fs＜fs0，工作模式2時(shí)fs＜fs0。當(dāng)負(fù)載開路時(shí)，開關(guān)頻率達(dá)到理論上的最大值［10］:

(15)式中:

2.2 變換器的品質(zhì)因數(shù)

電路處于工作模式3時(shí)，串聯(lián)電容Cr在t1時(shí)刻的端電壓為t3時(shí)刻的負(fù)值，由此可得

綜合(3)、(6)、(12)、(13)和(16)式可得:

諧振電路的品質(zhì)因素是反映系統(tǒng)特性的一個(gè)重要的參考，本文選擇工作模式3時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，諧振電路品質(zhì)因素可認(rèn)為是電路中儲(chǔ)存能量與每個(gè)周期內(nèi)消耗能量之比的2π倍，即:

t1時(shí)刻諧振電流為零，因此電路中能量儲(chǔ)存在電容中，由此可得:

每個(gè)周期內(nèi)消耗能量等于輸出功率，由(1)、(6)式可得:

綜合以上分析，可得:

由(21)式可以看出品質(zhì)因素是A和VeN的函數(shù)，當(dāng)諧振電路 A和VeN不變時(shí)，表示系統(tǒng)特性特征的品質(zhì)因素是不變的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)了如下電路參數(shù)以分析系統(tǒng)性能。諧振電路穩(wěn)態(tài)時(shí)n=100 V，Vin=100 V，R0=120 Ω，Lr=91 μH，Cr=Cp=1 μF。電路處于工作模式3時(shí)，開關(guān)頻率為fs0=30 kHz，VeN=1.2，電路品質(zhì)因數(shù) Q=5.4。

圖8 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8所示為電路處于工作模式1、2時(shí)的主要波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文對(duì)電路三種工作模式的分析。圖8(a)、(b)為電路處于工作模式1的仿真結(jié)果，開關(guān)頻率為25 kHz;圖8(c)、(d)為電路處于工作模式2時(shí)的仿真結(jié)果，開關(guān)頻率為35 kHz;圖8(e)～(h)為相應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形。

4 結(jié)束語

本文分析了工作在電流連續(xù)模式下LCC諧振電路處于三種工作模式時(shí)的工作原理，推導(dǎo)了電路品質(zhì)因數(shù)的表達(dá)式。本文中建立的分析與設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)有:1)求出了工作模式1、2的中間狀態(tài)(即工作模式3時(shí))的開關(guān)頻率值，全負(fù)載范圍內(nèi)推導(dǎo)了開關(guān)頻率調(diào)節(jié)范圍的最大理論值;2)推導(dǎo)了電路品質(zhì)因數(shù)的表達(dá)式，指出它是A和VeN的函數(shù)，并利用該設(shè)計(jì)分析方法設(shè)計(jì)出了一種用于靜電除塵的高壓高頻LCC諧振電路，效果良好。

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