基于串联谐振的直流电源研究

??是一家专业研发和生产串联谐振器的公司，该公司的串联谐振器设备在业界得到广泛赞誉，为打造最权威的“串联谐振器”高压设备供应商而努力。随着电力电子技术的发展以及新型高性能/高压/高频电力电子设备的出现，高压直流电源已用于军事，工业，农业，医疗和日常生活等应用中。作为雷达发射器和污水处理，静电除尘，电子显微镜，X射线仪器，行波管，臭氧发生器等。一些产品技术相对成熟并得到了广泛的应用。 ？国内外高压直流输电的发展？国外高压直流输电研究的历史较早。从电源开发的角度来看，它主要经历了以下四个阶段。早期的高压直流电源主要使用工频交流电源进行升压变压器升压后或升压后再利用倍压整流得到高压进行整流滤波。由于工频变压器的体积大，纹波大，电路无法采用闭环调节，这种高压直流电源逐渐被淘汰。 ？晶闸管控制阶段，由于晶闸管的出现，该阶段开始使用半控装置来调节电源电压，并可以实现闭环调节，大大提高了系统的稳定性。但是，它对电网具有很大的污染。由于使用工频变压器，该系统仍然具有体积大，效率低，滤波电容器大和输出纹波大的缺点。近年来，随着完全受控设备的成熟，人类已经进入了开关电源时代。此时，开关电源已开始用于高压DC电源中。它具有高效率，体积小，重量轻，响应速度快和能量存储的特点。设计和制造周期越来越短的特点逐渐取代了传统的高压线性直流电源，并进入了各个领域。 ？高压直流电源控制技术？目前，大多数高压电源使用开关电源技术，大大减小了体积和重量，提高了效率。尤其是小功率高压电源几乎是所有开关电源结构。开关电源控制技术主要包括脉冲宽度调制技术，频率调制控制技术和幅度调制控制技术。对于高压电源，由于输出电压较高，因此很少使用电感电容LC滤波，但通常使用电容一阶滤波。因此，高压电源有两种主要的控制方法：频率控制和幅度控制。 ？ PFM控制高压直流电源？调频控制高压电源的框图如图1-1所示。该电路的工作过程是输入电压经过整流和滤波后变为平滑的直流电，然后由高频逆变器谐振电路产生高频方波电压，并将其加到变压器的初级侧。电压产生高压直流电，调节频率以控制输出电压。调频控制电路根据谐振方式的不同，主要分为LC串联谐振高压电源，LC并联谐振高压电源和LCC并联谐振高压电源。 （1）LC串联谐振高压电源LC串联谐振转换器的拓扑如下图1-2所示。该电路的优点是初级串联谐振电容器rC，它充当隔直电容，可以避免变压器的偏置问题。同时，谐振电感可以充分利用寄生电感，减少了变压器寄生参数对电路的不利影响。另一个优点是，当减小负载电流时，流经功率器件的电流会减小，因此负载效率更高可以获得。缺点是高压电源中的变压器匝数比很多，并且寄生电容不能忽略。由于变压器的寄生电容的充电和放电，系统的无功功率增加，并且变压器的效率大大降低。同时，当电路在轻载条件下工作时使用LC串联谐振，电路的输出电压基本上不会随频率的变化而变化，因此在轻载条件下，频率调制控制不再适用。 （2）LC并联谐振高压电源LC并联谐振转换器如下图1-3所示。 ？该转换器中变压器的漏感与谐振电感串联连接，可以消除寄生电感对电路的影响。分布电容和谐振电容并联连接，以克服串联谐振转换器的分布电容对电路的影响。而且，可以在空载期间调节输出电压，这更适合在轻载或空载条件下运行。另外，并联谐振电路还具有抗短路的特性。因此，在一定条件下，并联谐振电路更适合于高压电源。但是，对于LC并联谐振，输出通常使用LC滤波，但是在高压电源中，由于输出滤波电感器可以承受更高的电压，因此滤波电感器的体积可能大于变压器的体积，尽管输出滤波电路已在文献中得到证明。在消除电感的情况下，系统性能不会降低。但是，由于没有直流串联谐振直流隔直电容器的优点，变压器很容易饱和，成为该拓扑的主要问题。另外，由于电路中的工作电流完全独立于负载，因此当电路在轻负载下工作时，电路效率低。 （3）LCC串联并联谐振高压电源???为了能够充分利用串联谐振和并联谐振的优点，同时消除了出现串联和并联谐振两个电路的缺点，该电路如图1-4所示。该电路避免了无法调节串联谐振空载并且并联谐振转换器的环路电流与负载无关的缺点。尽管它具有串联谐振和并联谐振转换器的优点，但该电路的输出电压在空载或轻载下的谐振频率下较高，这不利于组件的选择。在较低的输出电压下运行时，工作频率较高。因此，当调整输出电压时，电路的频率范围较大，不利于磁性元件的设计。简而言之，FM控制具有简单的拓扑结构和低成本，并且谐振电路易于实现软开关和吸收寄生参数的功能。它也被广泛使用，但在输出电压可调范围广，纹波低且稳定性高的场合，由于频率变化范围太大，输出纹波变化大，磁性元件的设计困难，并且变压器利用率低。因此，高压电源电路中不应使用调频控制。