LCC串并联谐振充电高压脉冲电源设计

罗廷芳，孟志强

(湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082)

采用MARX发生器获取陡前沿高压窄脉冲的电路较复杂，而且陡化前沿有许多设计和工艺上的困难；采用电感断路的方式容易获取高压脉冲输出，但对电感的充电必须迅速，而且储能时间不能过长，电源需具备较高的内阻和较大的功率，而断路开关是其发展的瓶颈。与电感储能装置相比，电容器的稳定且可重复的快速闭合开关要普及得多，电容器的能量保持时间远远大于电感储能装置，并且可以小电流充电降低对充电功率的要求。充电电源的高效率和小型化主要由充电电路决定，传统高压功率脉冲电源一般采用工频变压器升压，采用磁压缩开关或者旋转火花隙来获取高压脉冲，因而大都比较笨重，且获得的脉冲频率范围有限，其重复频率难以调节控制、脉冲波形不稳定、可靠性低、成本高。

本文将LCC串并联谐振变换器作为高压脉冲电源的充电电源。LCC串并联谐振变换器结合了串联谐振变换器抗短路特性和并联谐振变换器抗开路特性的优点[1]，在输出电压、输出电流强烈变换的场合有着良好的特性和较高的变换效率。本文介绍了系统结构及LCC充电电路原理，以及采用通过仿真软件PSIM对LCC充电过程和发生器放电输出进行的仿真分析。

1 LCC谐振变换充电高压脉冲电源系统结构

1.1 电源主电路结构和工作原理

电路由工频整流滤波、功率因数校正电路PFC(Power Factory Correction)、LCC谐振变换器、高频整流、电容充电储能、电感缓冲隔离、IGBT全桥逆变及脉冲升压变压器等单元构成。电路工作过程：220 V交流通过整流滤波和PFC校正得到输出连续可调的直流，通过LCC串并联谐振逆变经高频升压后向储能电容C充电，经过IGBT全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出。系统结构如图1所示。

图中，LCC串并联谐振变换器由4个功率开关管与谐振电感 Lr、串联谐振电容 Cs、并联谐振电容 Cp组成，工作原理是：利用电感、电容等谐振元件的作用，使功率开关管的电流或电压波形变为正弦波、准正弦波或局部正弦波，这样能使功率开关管在零电压或零电流条件下导通或关断，减少开关管开通和关断时的损耗，同时提高开关频率、减小开关噪声、降低EMI干扰和开关应力。

图1 主电路原理图

1.2 LCC谐振逆变器的工作模态分析

对于理想串并联谐振开关电源,假设：(1)所有开关器件和二极管均为理想器件；(2)变压器分布电容为0；(3)n2C＞＞Cs；(4)开关器件工作在全软开关状态[2]。

根据开关频率fs与基本谐振频率fr的关系，LCC谐振变换器有三种工作方式：(1)fs＜0.5fr的电流断续模式（DCM），开关管工作在零电流/零电压关断、零电流开通状态，反并联二极管自然开通、自然关断；(2)fr＞fs＞0.5fr的电流连续模式（CCM），开关管为零电流/零电压关断、硬开通，反并联二极管自然开通,但关断时二极管有反向恢复电流，电路开关损耗较大；(3)fs＞fr仍然为电流连续模式(CCM)，与方式(2)的区别是开关管为零电流/零电压开通、硬关断，电路开关损耗同样较大。谐振频率为：

其中,Lr为谐振电感，Cr为谐振电容,视工作状况不同，由串联电容Cs与并联电容Cp共同决定。

图2为LCC谐振变换器的统一等效电路，选择开关损耗小的DCM工作模式，半个开关周期内，各工作模态分析如下[3，5]。

(1)开关模态1[t0，t1]

在 t0时刻前，谐振电感电流iLr为零，即 ILr(t0)=0。t0时刻开通开关管Q1和Q3，由于此时 iLr为零，Q1和Q3是零电流开通，iLr开始增加，vCp也增加。在 t1时刻 vCp增加到 V0，这段时间内，Lr、Cs、Cp共同谐振，谐振周期为。

(2)开关模态 2[t1，t2]

在 t1时刻,电流 iLr开始减小，t1～t2时间内 vCp被箝位为 V0，电容 Cp上没有电流流过，Lr、Cs参加谐振，则 Cr=Cs，谐振周期为。在t2时刻，iLr减小到零，即ILr(t2)=0，开关模态 2结束。

(3)开关模态 3[t2，t3]

在此开关模态中，iLr反向流动，Q1、Q3的反并联二极管VD1和 VD3导通，将 Q1、Q3两端的电压箝位在零位，Q1、Q3零电压/零电流关断。在 t3时刻，iLr减小到零，即 ILr(t3)=0，VD1和 VD3自然关断。在这段时间内 vCp从V0开始下降，Lr、Cs、Cp参加谐振，开关模态 3 结束。

(4)开关模态 4[t3，t4]

在此开关模态中，所有开关管和二极管均关断，iLr为零，vCp保持不变。在t4时刻，开关管 Q2、Q4零电流开通，开始另一半开关周期，重复工作过程开始。电路工作波形如图3所示，设在t0时刻，谐振电感的初始电流为ILr(t0)=ILr0,谐振电容的初始电压为VCr(t0)=VCr0。如果不计电路的损耗，从t0时刻开始，谐振电感和谐振电容谐振工作，电路的微分方程为：

解之可得:

1.3 高压脉冲形成电路

高压脉冲的形成是通过对前级产生的高电压 （电流）进行开关控制从而输出脉冲，设计中在开关速度满足要求的情况下，采用IGBT串联形式，利用全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出[4]。如图1所示,当开关Q5、Q7闭合，Q6、Q8断开时，输出电压为正；当开关 Q6、Q8闭合，Q5、Q7断开时，输出电压为负，得到双极性的脉冲输出。改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率，控制开关管的导通与关断时间即可调节输出脉冲的占空比，得到脉宽与频率均可调的双极性高压脉冲波。

整个系统的控制由控制器和驱动电路来实现，主要完成LCC谐振电路的输出电压调节、控制和全桥驱动及后级脉冲形成电路的变频变宽输出脉冲控制和IGBT同步触发等。采用的TMS320F2812开发板，内部集成了16路12位 A/D转换器、2个事件管理器模块、1个高性能CPLD器件XC95144XL，可实现过压、过流保护在内的电源系统运行全数字控制，提高了输出电压的精度和稳定度。采用软件编程实现控制算法，使得系统升级、修改更为灵活方便。

2 电路参数的选取与仿真分析

令K=Cp/Cs，图4为不同 k值下的充电电压、充电电流和谐振电流波形。对 k分别取 1、1/2、1/4、0,从图 4(a)、(b)可知，k取值越小充电电压越高；而充电电流在误差允许的情况下可认为是恒定的，即恒流充电。由图4(c)可看出,随 k值的减小，iLr为零的模态时间增长，iLr为零时并不传输能量，导致输出功率减少。因此，根据上述分析，在满足谐振软开关的前提下，应选择合适的k值使LCC谐振变换器工作在最佳状态,以减少谐振停滞时间，提高电源工作效率。

选择直流母线电压Vin=300 V，开关频率fs=25 kHz，脉宽tw=10 μs，Lr=50 μH，Cs=0.2 μF，取 k=0.25，谐 振 频率≈55 kHz，即满足 fs＜1/2 fr，高频升压变压器变比为1:4。高压脉冲形成电路中，脉冲升压变压器变比为1:12，仿真波形如图5所示。

本文设计了一种基于LCC串并联谐振逆变充电高压脉冲电源，分析了LCC电路在DCM模式下的工作模态，并进行了公式推导，说明了k取值的重要性。仿真结果验证了LCC串并联谐振充电技术可实现恒流充电，提高电源工作效率；该设计容易实现开关管的软开关，能够把变压器的漏感和分布电容纳入谐振参数中，从而消除这些参数对逆变器的影响，且利用串并联谐振逆变充电作为对中间储能电容充电的结构，有利于实现装置的小型化和快速充电。

[1]张军锋.基于电流型LCC谐振变换器的电火花加工电源的研究[D].南京航空航天大学，2006.

[2] 王晓明，侯召政，方辉，等.LCC谐振充电IGBT开关Marx发生器[J].电工技术学报，2007(7):87-92.

[3]BELAGULI V,BHAT A K S.Series-parallel resonant converter operating in discontinuous current mode-analysis,design,simulation,and experimental results[J].IEEE Transaction on Circuits and System.2000(4):433-442.

[4]WANG Chang Jiang.ZHANG Q H,STREAKER C.A 12 kV solid state high voltage pulse generator for a bench top PEF machine[J].Power Electronics and Motion Control Conference,2000(8):1347-1352.

[5]王雪飞，范鹏.串并联谐振高压变换器的分析与设计[J].电力电子技术，2008(9):55-57.