LCC谐振变换器在大功率高输出电压场合的应用研究

论文摘要

高压直流电源广泛应用于医用X射线机,工业静电除尘器等设备。传统的工频高压直流电源体积大、重量重、变换效率低、动态性能差,这些缺点限制了它的进一步应用。而高频高压直流电源克服了前者的缺点,已成为高压大功率电源的发展趋势。本文对应用在高输出电压大功率场合的开关电源进行研究,对主电路拓扑、控制策略、工艺结构等方面做出详细讨论,提出实现方案。高压变压器由于匝比很大,呈现出较大的寄生参数,如漏感和分布电容,若直接应用在PWM变换器中,漏感的存在会产生较高的电压尖峰,损坏功率器件,分布电容的存在会使变换器有较大的环流,降低了变换器的效率。本文选用具有电容型滤波器的LCC谐振变换器为主电路拓扑,它可以利用高压变压器中漏感和分布电容作为谐振元件,减少了元件的数量,从而减小了变换器的体积。LCC谐振变换器采用变频控制策略,可以工作在电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM),本文对这两种工作模式进行详细讨论。针对CCM下的LCC谐振变换器,本文分析其工作原理,用基波近似法推导出变换器的稳态模型,给出一种详尽的设计方法,可以保证所有开关管在全负载范围内实现零电压开关,减小电流应力和开关频率的变化范围,并进行仿真验证。基于该变换器,研制出输出电压为41kV,功率为23kW的高频高压电源,实验结果验证了分析与设计的正确性。针对DCM下的LCC谐振变换器,本文分析其工作原理,该变换器可以实现零电流开关,有效地减小IGBT拖尾电流造成的关断损耗。论文通过电路状态方程推导出变换器的电压传输比特性,在此基础上对主电路参数进行设计,并进行仿真验证。基于该变换器,研制出输出电压为66kV,功率为72kW的高频高压电源,实验结果表明了方案的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高压直流电源
• 1.1.1 高输出电压的应用场合
• 1.1.2 高压直流电源的发展趋势
• 1.2 适用于高输出电压场合的变换器
• 1.2.1 高压变压器的寄生参数
• 1.2.2 主电路拓扑的选取
• 1.3 高压直流电源研制所面临的挑战
• 1.4 本文的研究内容
• 1.5 本文的研究意义
• 第二章 变频控制CCM 模式下的LCC 谐振变换器
• 2.1 工作原理
• 2.2 等效电路
• 2.2.1 逆变桥的等效电路
• 2.2.2 变压器、整流桥、输出滤波器及负载的等效电路
• 2.2.3 LCC 谐振变换器等效交流电路
• 2.3 数学模型
• 2.3.1 电路参数表达式的推导
• 2.3.2 稳态模型
• 2.4 变换器特性及开关管ZVS 的实现
• 2.4.1 电压传输比曲线
• p 对变换器特性的影响'>2.4.2 电容C_p对变换器特性的影响
• 2.4.3 开关管ZVS 的实现
• 2.5 主电路参数设计
• 2.5.1 设计步骤
• 2.5.2 θ 的选取
• 2.5.3 主要特性曲线
• 2.6 仿真验证
• 2.7 本章小结
• 第三章 变频控制方式DCM 模式下LCC 谐振变换器
• 3.1 工作原理及特性推导
• 3.1.1 DCM1 模式工作原理
• 3.1.2 DCM1 模式下各变量的求导
• 3.1.3 DCM1 模式下电压传输比特性的推导
• 3.1.4 DCM2 模式工作原理
• 3.1.5 DCM2 各变量的求导
• 3.1.6 DCM2 电压传输比特性的推导
• 3.2 DCM1 与DCM2 模式的分界条件
• 3.3 开关管ZCS 的实现
• 3.4 主电路参数设计及变换器特性
• 3.5 仿真验证
• 3.6 本章小结
• 第四章 高输出电压大功率LCC 谐振变换器的实现
• 4.1 原理样机的实现
• 4.1.1 系统结构框图
• 4.1.2 迭层母线
• 4.1.3 驱动电路
• 4.1.4 高频高压变压器
• 4.1.5 信号隔离与调理电路
• 4.1.6 原理样机图
• 4.2 CCM 模式下LCC 谐振变换器实验结果
• 4.2.1 主电路参数
• 4.2.2 实验结果
• 4.3 DCM 模式下LCC 谐振变换器实验结果
• 4.3.1 主电路参数
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 变频控制下CCM 和DCM 的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 下一步要做的工作
• 参考文献
• 致谢
• 发表的论文及参与的科研项目