李　潔，李曉康

(青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0　引　言

目前，小型化高壓電源優(yōu)先選擇具有高效率、低噪聲、小型化等優(yōu)點(diǎn)的諧振式功率變換器。對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)電源而言，僅僅依靠變壓器升壓，變壓器的體積和制作難度會(huì)相應(yīng)加大。為了解決這一問(wèn)題，在變換器整流輸出環(huán)節(jié)采用倍壓整流技術(shù)，得到并聯(lián)諧振倍壓變換器，倍壓電路承擔(dān)部分升壓任務(wù)，從而降低變壓器的升壓倍數(shù)、體積和制作難度。該電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高壓輸出和電壓模塊小型化的要求，在高壓電源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1　基本原理

1.1　PRDVC的基本電路拓?fù)?/h3>

PRDVC有半橋和全橋兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖1(a)、(b)分別是半橋式PRDVC和全橋式PRDVC。圖中Lr為諧振電感，Cr為諧振電容，RL為負(fù)載。

圖1　PRDVC的電路拓?fù)?/p>

1.2　PRDVC工作狀態(tài)分析

本文以半橋式PRDVC為例對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行研究。為了研究方便，變壓器看作理想變壓器，變比取為1，負(fù)載通過(guò)整流電路直接與諧振電路相并聯(lián)，得到圖2所示簡(jiǎn)化的等效電路。該電路具有3種工作模式，現(xiàn)僅分析主模式。

圖2　PRDVC的簡(jiǎn)化電路

PRDVC的主工作模式的一個(gè)諧振周期分為6個(gè)工作模態(tài)。圖3給出了并聯(lián)諧振倍壓變換器的各個(gè)工作模態(tài)的等效電路。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，假設(shè)如下：(1)所有開(kāi)關(guān)管和二極管均為理想器件；(2)在一個(gè)周期內(nèi)，Uin、Uo可認(rèn)為基本保持不變；(3)C1、C2、C3、C4足夠大；(4)電容和電感都為理想儲(chǔ)能元件；(5)忽略線路阻抗值。

圖3　PRDVC的6個(gè)工作模態(tài)

1.2.1開(kāi)關(guān)模態(tài)0

t0時(shí)刻以前，VQ1和VD3導(dǎo)通，其余二極管和開(kāi)關(guān)管均關(guān)斷。在此過(guò)程中，諧振電容Cr兩端的電壓為UCr0保持不變，流過(guò)諧振電感Lr的電流正向線性減小。其等效電路如圖3(f)所示[4]。

1.2.2開(kāi)關(guān)模態(tài)1[t0～t1]

t0時(shí)刻，VQ1關(guān)斷。由于流過(guò)電感Lr的電流不能突變使VD2自然導(dǎo)通為L(zhǎng)r續(xù)流。VD2導(dǎo)通后，將VQ2兩端的電壓箝位在零，并且此時(shí)流過(guò)VQ2的電流為零，所以在此期間開(kāi)通VQ2，實(shí)現(xiàn)零電壓零電流開(kāi)通。在此階段，電路工作在線性狀態(tài)，vCr保持不變，iLr正向線性減小，電源和電感儲(chǔ)能向負(fù)載轉(zhuǎn)移，其等效電路如圖3(a)所示。

1.2.3開(kāi)關(guān)模態(tài)2[t1～t2]

t1時(shí)刻，iLr正向線性減小到零，即iLr(t1)=0。此時(shí)，VD2、VD3自然關(guān)斷；此后，流過(guò)電感Lr的電流反向增大，完成電流換向。在此期間vCr減小，iLr反向增大，電路工作在諧振工作狀態(tài)。此時(shí)電路處于內(nèi)部諧振狀態(tài)，負(fù)載能量從電容Cr儲(chǔ)能獲得，其等效電路如圖3(b)所示。

1.2.4開(kāi)關(guān)模態(tài)3[t2～t3]

t2時(shí)刻，vCr(t2)=-U0/2，VD4導(dǎo)通。電路進(jìn)入線性工作狀態(tài)，電源和電感儲(chǔ)能向負(fù)載轉(zhuǎn)移。在此階段，vCr保持不變，流過(guò)電感Lr的電流反向線性減小，其等效電路如圖3(c)所示。

1.2.5下半個(gè)周期

t3時(shí)刻，iLr(t3)=-ILr0，vCr(t3)=-U0/2，進(jìn)入下半個(gè)周期[t3～t6]，見(jiàn)圖3(d)～(f)。工作過(guò)程跟上半個(gè)周期[t0～t3]類似。圖4為其工作時(shí)序。

各個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

(2)

圖4　PRDVC各開(kāi)關(guān)模態(tài)的工作時(shí)序

2　數(shù)學(xué)模型

采用基波近似法對(duì)該變換器進(jìn)行原理分析，將變壓器副邊折算到一次側(cè)，可以視為一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)。將vAB進(jìn)行傅里葉變換，得到AB點(diǎn)電壓的基波分量為vAB1(s)=2Uinsinωst/π，將變壓器一次側(cè)電壓的基波分量定義為vT1(s)，Ce為等效電容；Re為等效電阻，得到交流等效電路如圖5。

圖5　交流等效電路

從變壓器原邊向負(fù)載側(cè)看去，可以將變壓器原邊右邊的所有部分視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)該二端口網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)口電壓為vCr，輸入電流為iT。vCr1的基波分量幅值UCr1為：

(3)

定義H(s)為vT1與vAB1之間的傳遞函數(shù)，由圖5可知：

(4)

交流等效電路的輸入阻抗為：

(5)

輸入阻抗角φ的表達(dá)式為：

(6)

由圖5可以求得變換器電感電流的峰值為：

(7)

在交流等效電路的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算輸入電流平均值和負(fù)載電流的大小，從而得到如圖6所示PRDVC總的穩(wěn)態(tài)模型。

圖6　穩(wěn)態(tài)模型

由圖6得到變換器的電壓傳輸比為：

(8)

3　結(jié)束語(yǔ)

并聯(lián)諧振倍壓變換器是在并聯(lián)諧振變換器的整流輸出電路采用倍壓整流電路得到的。本文通過(guò)分析該變換器的工作原理得知該變換器實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)通，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗，且具有較高的效率和可靠性。倍壓電路承擔(dān)部分升壓任務(wù)，從而降低變壓器的升壓倍數(shù)、體積和制作難度。該電路拓?fù)溥m合用于行波管電源、大功率發(fā)射機(jī)電源等高壓小電流開(kāi)關(guān)電源。

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