牟晉力，曾慶軍，陳 峰

（1.江蘇科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.鎮(zhèn)江天力變壓器有限公司 江蘇 鎮(zhèn)江 212400）

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，其中空氣污染的問題及其嚴(yán)重。工業(yè)廢氣中的粉塵給人類的健康帶來嚴(yán)重的危害，而傳統(tǒng)靜電除塵難以滿足國家對除塵的要求。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高頻高壓靜電除塵電源得到快速發(fā)展，并廣泛的應(yīng)用于除塵領(lǐng)域。高頻高壓靜電除塵電源的大電壓是通過高頻變壓器的升壓獲得的，但高頻高壓變壓器的匝比很大，產(chǎn)生的分布電容會引起較大的環(huán)流，降低變換器的效率，而產(chǎn)生的漏感會引起較高的電壓尖峰，損壞功率器件，因此，高頻高壓變壓器的分布電容和漏感不可忽略[2]。在高頻情況下，可以利用變壓器的分布電容和漏感與串聯(lián)諧振電容構(gòu)成LCC諧振電路[2，5]，實(shí)現(xiàn)零電流的開通與關(guān)斷，降低開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率，降低變壓器的體積[1，3]。

LCC諧振電路具有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的優(yōu)點(diǎn)[1-2]，可以很好的適用于高頻高壓大功率除塵電源。目前LCC諧振電路以變頻控制為主，變頻控制可分為諧振電流連續(xù)模式（Continuous Current Mod，CCM） 和 諧 振 電 流 斷 續(xù) 模 式（Discontinuous Current Mod，DCM）。 相比于 CCM，DCM 工作原理簡單，在實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的同時，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化。因此，本文給出了DCM模式的原理推導(dǎo)并結(jié)合變壓器的特點(diǎn)給出了LCC參數(shù)的設(shè)定，并在最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)對參數(shù)選擇的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 高頻高壓電源LCC諧振電路

高頻高壓電源的LCC諧振電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，為串聯(lián)諧振電感（變壓器的等效漏感），為并聯(lián)諧振電容（變壓器的等效分布電容），為串聯(lián)諧振電容。S1～S4為逆變電路的功率模塊 （IGBT），D1～D4為 IGBT的反并聯(lián)二極管，D01～D04為高壓硅堆整流二極管。R0和C0為除塵器本體的等效電阻和等效電容，并滿足n2Co＞＞Ve為等效輸出電壓（Ve為輸出電壓 V0折算到變壓器低壓側(cè)的值，Ve=V0/n），VP、VS分別為CP和CS上的電壓，iLs為諧振電流。

定義A=Ve/Vin為等效電路的電壓增益，k=CP/CS為并聯(lián)電容和串聯(lián)電容的比值。根據(jù)A與1/（1+k）的大小關(guān)系，DCM存在兩種工作模式，當(dāng) A＞1/（1+k）時，DCM 工作在模式 1；當(dāng)A＜1/（1+k）時，DCM 工作在模式 2。 Cp兩種模式的區(qū)別主要是在開關(guān)管S1、S4或者S2、S3開通時，兩端電壓是否被鉗位在等效輸出電壓Ve。DCM工作在何種模式下主要根據(jù)電路的參數(shù)選取有關(guān)，由于實(shí)際工作情況的需要，所以把LCC諧振電路設(shè)計(jì)在模式1下。下面只介紹模式1，用DCM1表示LCC諧振運(yùn)行在模式1下。在分析之前，先作如下假設(shè)[2，4，6]：1）所有開關(guān)管和二極管均為理想器件；2）所有電感、電容均為理想元件；3）Co足夠大，可以使Vo在一個開關(guān)周期內(nèi)為恒定值。

圖1 LCC諧振電路拓?fù)鋱DFig.1 Topology graph of LCC resonant circuit

2 DCM1的工作原理

DCM1模式下電路的主要波形如圖2所示，該模式共有八個工作狀態(tài)[1-2，4]。根據(jù)電路的對稱性可知，后半周期的工作模式與前半周期的工作模式類似?，F(xiàn)對電路的前半周期工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖2 DCM1模式下的電路波形Fig.2 Wave forms of DCM1

1）開關(guān)狀態(tài) 1[t0～t1]：t0時刻，功率開關(guān)管 S1 和 S4 開始導(dǎo)通，由于此階段電容Cp兩端的電壓VCp小于二次側(cè)高壓折算到一次側(cè)的電壓Ve，整流二極管D01～D04均反向截止。電路中，諧振電容CS、漏感LS和分布電容CP組成諧振電路，諧振電流iLs從零開始逐漸增大，開關(guān)管S1、S4實(shí)現(xiàn)了零電流開通。當(dāng)VCp增加到等于Ve時，此階段結(jié)束。

2）開關(guān)狀態(tài) 2[t1～t2]：t1時刻電壓 VCp上升到 Ve，變壓器一次側(cè)的能量開始向二次側(cè)傳遞，整流二極管D02和D03導(dǎo)通，電源向除塵負(fù)載供電。由于電路的輸出電壓V0為恒定值，其折算到一次側(cè)的電壓Ve保持不變，分布電容兩端的電壓鉗位在Ve點(diǎn)，諧振過程變?yōu)镃S和LS組成的兩元件正向諧振。該階段繼續(xù)對諧振電容CS進(jìn)行充電，并導(dǎo)致諧振電流開始逐漸下降，當(dāng)諧振電流下降到0時，此階段結(jié)束。

3）開關(guān)狀態(tài) 3[t2～t3]：t2時刻諧振電流 iLs為零，之后諧振電流開始反向增大，CS和Cp放電，導(dǎo)致VCp的電壓降低并小于電壓Ve，高壓側(cè)整流二極管D01～D04均反向截止。諧振過程由CS和LS組成的兩元件正向諧振變?yōu)镃S、LS和Cp組成的三元件反向諧振。功率開關(guān)管S1和S4兩端的電壓近似為零，而與功率管并聯(lián)的二極管D1和D4導(dǎo)通，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。當(dāng)諧振電流再次回零時，此階段結(jié)束。

4）開關(guān)狀態(tài) 4[t3～t4]：當(dāng)諧振電流再次回到零點(diǎn)時，由于此時開關(guān)管全都關(guān)閉，電路保持電流斷續(xù)狀態(tài)，沒有能量向副邊傳遞，電容向提供能量。開關(guān)管S2和S3開通時，此階段結(jié)束。

由于對稱性，后半周期的工作過程就不再贅述。圖3為前半周期各個階段的工作原理圖。

圖3 DCM1前半周期各狀態(tài)的電路圖Fig.3 The first half cycle each state of DCM1

3 設(shè)計(jì)與仿真

高頻變壓器的漏感作為諧振電路中的串聯(lián)諧振電感，變壓器的分布電容作為并聯(lián)諧振電容。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算及其變壓器的具體特性可得本系統(tǒng)中高頻變壓器的漏感為11 μH，分布電容為1 μF。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)工作在 DCM1狀態(tài)下且最終的輸出電壓可達(dá)72 kV，根據(jù)A＞1/（1+k），求得小于9.6 μF。 綜上，最終選取的諧振電路參數(shù)如下：LS=11 μH，CP=1 μF，CS=6 μF，等效負(fù)載 C0=50 nF，R0=150 K。

在以上參數(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，輸入電壓為530 V，5 kHz的PWM波對IGBT進(jìn)行控制，從而得到如圖4仿真結(jié)果。圖4中第一幅圖為兩端電壓波形，第二幅圖為諧振電流波形，第三和第四幅圖為兩路互補(bǔ)的PWM波。

圖4 仿真波形Fig.4 The simulation waveform

在DCM1模式下，只要保證IGBT的驅(qū)動信號在開關(guān)狀態(tài)3期間內(nèi)關(guān)斷，便可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。從圖4中可以看出，IGBT可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，即驅(qū)動信號在諧振電流正方向過零后至負(fù)向期間內(nèi)關(guān)斷（開關(guān)狀態(tài)3期間內(nèi)）。諧振電流正向的時間為開關(guān)狀態(tài)1和開關(guān)狀態(tài)2所需的時間。向負(fù)載供電的時間為開關(guān)狀態(tài)2所需時間，此階段分布電容兩端的輸出電壓為450 V，而這也滿足A＞1/（1+k），即諧振電路工作在DCM1模式下。在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時諧振電流的峰值可達(dá)到450 A。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)工作在DCM1模式下其參數(shù)CS選擇的合理性，研制了實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究：

三相交流電輸入電壓值為15 V（線電壓），通過三相不控整流器得到20 V左右的直流電，再經(jīng)濾波電容后得到更加穩(wěn)定的直流電。把穩(wěn)定在20 V的直流電接至IGBT逆變橋，輸出得到幅值為17 V左右的交流電，再通過高頻高壓整流變壓器進(jìn)行升壓整流后，得到所需要的輸出電壓2.6 kV。由于諧振電流對于整個系統(tǒng)極為重要，本實(shí)驗(yàn)諧振電流通過傳感器采樣并用示波器顯示，諧振電流的波形如圖5所示，此波形是在開關(guān)頻率為2 kHz下測得的。

圖5 諧振電流Fig.5 Resonance current

從圖5可以很清楚地看出諧振電流工作在所分析的4種工作階段，與仿真的實(shí)驗(yàn)波形吻合。實(shí)驗(yàn)表明了設(shè)計(jì)的LCC諧振電路參數(shù)的正確性，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的零電流開通與關(guān)斷。

5 結(jié) 論

本文研究了一種適用于靜電除塵高頻高壓電源LCC諧振電路，并詳細(xì)介紹了DCM1模式下LCC的工作原理，及系統(tǒng)工作在DCM1模式下參數(shù)的設(shè)定。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)定的有效性。

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