蔣正榮 黎佳慧 張慧岳 劉云波

摘 要：隨著對(duì)環(huán)保的重視以及對(duì)健康的要求，靜電除塵器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)以及家庭空氣凈化中。除塵電源是電除塵系統(tǒng)的心臟，對(duì)除塵系統(tǒng)工作效率有重要影響。LCC變換器兼具了SRC和PRC的優(yōu)點(diǎn)，適用于高電壓輸出場(chǎng)合。倍壓整流電路可以降低變壓器的變比，減小其雜散參數(shù)，有利于開關(guān)電源的高頻化和小型化。根據(jù)需求選用倍壓整流電路和LCC變換電路作為主電路拓?fù)洹?/p>

關(guān)鍵詞：除塵電源；諧振變換器；倍壓整流；拓?fù)湓O(shè)計(jì)

隨著人們環(huán)保意識(shí)日益加強(qiáng)，以及對(duì)健康要求的不斷提高，大到火力發(fā)電、金屬冶煉、水泥生產(chǎn)等工業(yè)領(lǐng)域，小到家庭油煙除塵等，靜電除塵裝置的需求越來(lái)越大。除塵電源是靜電除塵系統(tǒng)的心臟，其性能好壞將直接影響到除塵裝置的效率。

一、靜電除塵電源的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著對(duì)除塵裝置節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、和效率要求的提高，除塵電源向著小型化、高頻化不斷發(fā)展。除塵電源在發(fā)展史上主要經(jīng)歷了如下變化：從單相供電到三相供電[1]；從工頻調(diào)壓到高頻逆變[2]；從單一供電模式到混合供電模式[3]。供電方式的改變提高了除塵電源的功率因數(shù)，減小了供電電壓脈動(dòng)，進(jìn)而提高了除塵效率，更利于節(jié)能環(huán)保。同時(shí)，三相供電的應(yīng)用以及混合供電模式的采用使得除塵電源能夠更好的適應(yīng)不同粉塵濃度，不同工況，以保證最大的除塵效率。開關(guān)頻率的提高使得設(shè)備進(jìn)一步小型化、高效化、經(jīng)濟(jì)化成為可能。高頻開關(guān)電源控制方式的靈活性和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性都使輸出電壓的紋波可以控制的很小，極大的提高了除塵效率，并在不同的除塵工況中適應(yīng)良好。

二、諧振變換電路拓?fù)溥x擇

眾所周知，在高頻情況下，作為核心器件的高壓變壓器其雜散參數(shù)將會(huì)對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生不可忽略的影響。如果直接將變壓器接在傳統(tǒng)的PWM變換電路中，其漏感將會(huì)導(dǎo)致過(guò)電壓，損壞電路的元器件；其分布電容也會(huì)與電路中的雜散電感產(chǎn)生諧振，增加了輸出紋波并會(huì)產(chǎn)生很大的原邊環(huán)流，降低了PWM變換器的工作效率。而諧振變換器則很好的規(guī)避了這一問題，它利用變壓器的分布參數(shù)，使其漏感和分布電容參與到電路諧振中，更容易實(shí)現(xiàn)全負(fù)載情況下的ZVS或ZCS，降低IGBT或MOSFET的損耗，提高變換器的工作效率。根據(jù)參與諧振元件的不同，常見的諧振變換器拓?fù)溆腥N：（1）串聯(lián)諧振變換器（SRC）；（2）并聯(lián)諧振變換器（PRC）；（3）串并聯(lián)諧振變換器（SPRC）。根據(jù)參與諧振元件的差異，串并聯(lián)諧振變換器又可細(xì)分為L(zhǎng)CC諧振變換器和LLC諧振變換器。各諧振變換器拓?fù)淙缦滤荆?/p>

（1）串聯(lián)諧振變換器。諧振電感Lr和Cr構(gòu)成了諧振腔。其中諧振電容可以同時(shí)作為隔直電容使用，防止變壓器直流磁化，避免磁路不平衡。在輕載工作下，SRC電路還有輸入側(cè)環(huán)流小，工作效率高的優(yōu)點(diǎn)。而且在一定工作頻率下，SRC電路會(huì)呈現(xiàn)出恒流特性，具有固有的抗短路能力。串聯(lián)諧振變換器的缺點(diǎn)也十分明顯，它的電壓調(diào)節(jié)性能很差，在CCM工作模式PFM電壓調(diào)制方式下，空載情況時(shí)無(wú)法控制輸出電壓。同時(shí)在高頻變壓器匝比為1時(shí)，其電壓傳輸比小于1。因此串聯(lián)諧振變換器多用于諸如恒流充電等要求輸出為恒流的場(chǎng)合。

（2）并聯(lián)諧振變換器。相對(duì)于SRC電路，PRC電路的顯著優(yōu)點(diǎn)就是空載情況下，在CCM工作模式中可以通過(guò)PFM電壓調(diào)制的方法控制輸出電壓。并且相對(duì)于SRC電路，PRC電路的電壓增益較大，當(dāng)變壓器的變比為1時(shí)，電壓增益大于1?？墒荘RC電路回路電流隨負(fù)載變化較大，尤其在輕載狀況下輸入側(cè)環(huán)流大，變換效率低下，并且需要加入隔直電容來(lái)避免磁路的不平衡。因此并聯(lián)諧振變換器適用于低壓大電流且負(fù)載變化不大的場(chǎng)合。

（3）串并聯(lián)諧振變換器。串并聯(lián)諧振電路兼具了SRC和PRC諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的缺陷，并且使高頻變壓器的雜散參數(shù)參與到諧振中，可以減少元件數(shù)量，更容易實(shí)現(xiàn)IGBT等開關(guān)管的ZVS和ZCS，減小了損耗，使進(jìn)一步提高開關(guān)頻率成為可能，從而減小設(shè)備的體積和成本。常見的三階SPRC電路可細(xì)分為L(zhǎng)CC諧振變換器和LLC諧振變換器兩種。由于高頻變壓器變比較大，在高壓工作場(chǎng)合，其雜散電容對(duì)LLC諧振變換器的影響不可忽視。變壓器分布電容的微小改變都會(huì)引起LLC諧振電路工作狀態(tài)的不穩(wěn)定，因此LLC一般多用于低壓場(chǎng)合。相對(duì)而言LCC諧振變換器由于直接利用了高頻變壓器的雜散電容作為諧振參數(shù)，參與到諧振工作中來(lái)，克服了LLC諧振電路變壓器雜散電容過(guò)大的問題，降低了變壓器設(shè)計(jì)難度，更適合于高壓場(chǎng)合。

三、高壓整流電路拓?fù)溥x擇

高壓整流濾波電路影響著整個(gè)諧振變換器的紋波系數(shù)和升壓部分的設(shè)計(jì)。常見的整流電路有四種：半波整流、全波整流、全橋整流電路以及倍壓整流電路。如下圖所示。

（1）半波整流電路。半波整流電路直接利用了二極管的正向?qū)ǚ聪蚪刂固匦?，保留了交流電正半周期波，濾除了負(fù)半周期波，利用電容穩(wěn)壓，輸出直流電。半波整流電路應(yīng)用于對(duì)電源要求不高的系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。

（2）全波整流電路。全波整流電路是在半波整流電路的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，它在變壓器副邊多增加了一組繞組，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)半周波的利用。較半波整流電路，其具有紋波小的優(yōu)勢(shì)，但是存在變壓器副邊繞組利用不充分的缺陷，并且變壓器需要引出中心抽頭，生產(chǎn)麻煩，且整流管承受的最大反向電壓大。因此，多用在輸出電壓要求不高且輸出電流較大場(chǎng)合。

（3）全橋整流電路。全橋整流電路同樣是利用整流二極管的單向?qū)ㄐ浴］敵鲭妷合嗤瑫r(shí)，整流管承受的最大反向電壓僅為全波整流電路的一半。它具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變壓器副邊繞組利用率高，無(wú)中間抽頭，生產(chǎn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此全橋整流電路在高電壓輸出場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，還可以采用多級(jí)整流二極管串聯(lián)的形式來(lái)減小對(duì)單個(gè)二極管的耐壓要求，從而降低了電源系統(tǒng)成本。

（4）倍壓整流電路。常見的倍壓整流方式有兩種：格富納赫爾型倍壓整流和安維拉德倍壓整流。輸出電壓相同時(shí)，前者電容上承受的電壓更小，僅為后者的一半，且前者的電路結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、體積小，更加經(jīng)濟(jì)。但是同時(shí)前者也具有輸出電流較小、電壓脈動(dòng)較大以及電壓降落較大的缺點(diǎn)。倍壓整流電路是利用電容的儲(chǔ)能作用和整流管的正向?qū)ǚ聪蚪刂固匦缘玫捷^高電壓的直流電。倍壓整流電路可以減低變壓器的變比，從而讓變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)相對(duì)放寬，解決了升壓變壓器原副邊匝數(shù)比過(guò)高所引起的電流、電壓峰值問題，對(duì)變壓器的絕緣設(shè)計(jì)要求以及整流二極管的耐壓要求均大幅度降低。同時(shí)因?yàn)闇p小了變壓器寄生參數(shù)，所以減輕了高頻變壓器的設(shè)計(jì)制造難度，以及器件承受的電應(yīng)力，器件的選擇余地也變寬了。更小的變壓器雜散參數(shù)也為進(jìn)一步提升開關(guān)頻率創(chuàng)造條件，有利于開關(guān)電源的高頻化和小型化。

四、結(jié)論

綜上所述，結(jié)合除塵系統(tǒng)的實(shí)際需要，考慮到高電壓輸出，高工作效率，小體積以及低成本的要求，除塵電源采用LCC諧振變換電路和格富納赫爾倍壓整流電路作為除塵電源的主電路。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝廣潤(rùn)，陳慈萱.高壓靜電除塵器[M].北京：水力電力出版社，1993.

[2]盛立丞.靜電除塵器高頻電源控制系統(tǒng)研制[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[3]劉軍，石健將.靜電除塵電源的發(fā)展[J].環(huán)境工程， 2008.10，26（15）：44-46.

作者簡(jiǎn)介：蔣正榮（1967-），男，湖北人，副教授，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、電能質(zhì)量與電磁仿真；黎佳慧（1992-），女，陜西人，在讀研究生，專業(yè)：電氣工程。