等离子体点火用高压电源设计方法研究

王 妍，范 威，赵 杨，韩先伟，谭 畅

（1.西安航天动力研究所，陕西西安710100；2.陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室，陕西西安710100）

等离子体点火用高压电源设计方法研究

王 妍1，2，范 威1，2，赵 杨1，2，韩先伟1，2，谭 畅1，2

（1.西安航天动力研究所，陕西西安710100；2.陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室，陕西西安710100）

根据等离子体点火对高压直流电源的要求，选用具有电容型滤波器的LCC串并联谐振变换器为主电路拓扑结构，针对电感电流连续模式下的谐振变换器，在对其工作原理分析的基础上，用基波近似法推导出变换器的稳态模型，建立了变换器的等效电路，并给出了便于工程设计的电路的数学描述。通过研究各参数对电路性能所造成的影响，设计最优化的参数以保证开关管在全负载范围内实现零电压开关，有效降低了开关管的热损耗。详细介绍了电源系统的组成和电路参数的设计方法，针对该设计方案，通过仿真结果证实了理论分析的正确性。

等离子体点火器；串并联谐振；高压电源

0 引言

等离子体点火器是一种能够产生高温的热源设备，利用等离子体炬产生的高温等离子体射流点燃燃料，可将空气加热到5 000～10 000℃。近年来关于等离子体点火的相关研究一直受到国内外专家的广泛关注［1-4］，作为等离子体点火器中的一个重要组成部分，等离子体电源则起到了关键作用，它的性能在很大程度上决定了等离子体点火器的性能。传统的高压电源因体积和重量都很大，且性能不好，满足不了实际应用的需要。随着电力电子技术和开关器件的发展，高压逆变电源的高频化，使得高压电源的性能成倍提高，体积成倍减小，应用范围也越来越广。因此，在此基础上研究并研制结构合理、安全可靠、重复性好、控制品质优良的等离子体点火器电源具有重要的理论价值和意义。

本文介绍了一种等离子点火器电源系统的设计方法，根据设计要求，采用高频技术使高压电源的工作频率达到50 kHz左右，具有原理简单、控制调节性能好、稳定性好等优点，从而大大降低了电源的体积和重量，同时提高了输出特性的品质，通过仿真计算提出了一种系统工作的最佳模式。

1 串并联谐振变换器的主电路拓扑

1.1 串并联谐振变换器的开关模态

主回路采用半桥逆变零电压串并联谐振变换器的方式，该变换器具有短路自保护特性，为实现200 kV输出，采用高频变压器加倍压整流电路。为分析方便起见，倍压整流电路可等效为电容滤波的全桥整流电路。

串并联谐振式DC/DC变换器是由两个功率开关管Q1和Q2组成上下两个桥臂，谐振电感Ls和谐振电容Cs相互串联，并且与负载串联。在输出电压高于1 000 V时，高频高压变压器的分布参数的影响不容忽视，本文将变压器初级漏感作为谐振电感的一部分，变压器次级电容折算到初级，原有的串联谐振变换器被迫变为串并联谐振变换器。半桥串并联谐振变换器原理如图1所示。

图1 高频直流电源谐振电路拓扑Fig.1 Main circuit structure based on resonant converter

图1中L1为串联谐振电感（包含了变压器的漏感），C1为串联谐振电容，C4为并联谐振电容（折算后的变压器分布电容），C5和R1分别为负载电容和电阻，其中C5远大于C4。根据开关频率fs的不同，串并联谐振变换器的工作方式不同，本文选择fo＜fs，变换器工作在电流连续模式［5］下。

图2 开关模态的等效电路Fig.2 Resonant states of equivalent circuits

根据开关管开关情况以及谐振电流的方向，存在5个开关模态，如图2所示，一个周期的工作状态描述如下：

1）二极管D5导通，将Q1电压箝位在零位，电感电流ir从负到正增加。二极管D2和D3导通，C4电压被箝位，能量经变压器流向负载。

2）开关管Q1零电压导通，L1和C3组成谐振回路给C4正向充电，C4端电压从负到正增加，变压器一次侧没有电流流过，能量不经过变压器流向负载。

3）C4电压上升至最大被箝位，二极管D1和D4导通，L1和C3组成谐振回路，能量经变压器流向负载。

4）Q1硬关断，Q2截止，电感电流ir通过D6续流，Q2两端电压下降。

5）Q2零电压导通，进入下半个周期工作。

1.2 串并联谐振变换器的建模与分析

为方便分析，首先做如下假设： （1）整个变换器中所有的开关元件均为无损耗的开关元件，所有无源元件均为线性元件； （2）谐振槽路的品质因数较高； （3）低通滤波器的转折频率远远小于开关频率。谐振回路电流近似正弦波，在电感电流连续模式下可以采用基波分析法［6］可以获得该电路基波等效电路如图3所示。

图3 串并联谐振电路的基波等效电路Fig.3 Fundamental wave equivalent circuit for LCC resonant converter

变换器的工作过程中，可控的开关网络产生一个方波电压us（t），此方波电压的频率为fs，其中fs=ωs/2π，由傅里叶级数展开us（t）可得：

式中Vg为输入直流电压的一半。其基波分量为

设输入直流电压为Vin，Vin=2Vg。由于谐振网络的滤波效果，对高次谐波分量的响应可以忽略，只对基波分量响应，所以可把开关网络视为一个正弦波电压源us1（t），其有效值记为Us1。

同理，理想情况下，由于谐振网络的滤波效果，所以仅对方波电压uz（t）中的基波成分uz1（t）响应，整流侧的输入电压可表示为：

式中Uo为输出直流电压有效值。整流网络呈现电阻的特性，将这个等效电阻记为Re，则有：

式中：R1为实际负载电阻；k为变压器匝比，k= N2/N1；N为倍压级数。设γ=C4/C3，由图3可得到电压增益：

式中：品质因数Q=ωoL1/Re；F为频率的标幺值，F=fs/fo，fo为谐振频率。

等效电路的输入阻抗为

谐振电感L1电流峰值为

串联谐振电容C3两端电压峰值为

2 主电路的设计

2.1 技术要求

该变换器的预期性能指标如下：

直流输入电压：240～310 V

额定输出电压：200 kV，100～200 kV可调

额定输出电流：5 mA，1～5 mA可调

2.2 主电路参数的设计和选择

1）首先设定电路的谐振频率f0为50 kHz，所以有：

式中：L1为串联谐振电感；C3为串联谐振电容。设计的变换器工作频率高于谐振频率f0，以利用串联谐振式变换器高于谐振频率工作的优点。变换器在工作中最低开关频率fsmin选择为57 kHz。控制方式采用变频控制。

2）变压器匝比k的确定。选取原则为在最重载，输入直流电压最低的条件下，此时输出电压仍能满足设计要求。变压器次级采用倍压整流电路，选择倍压级数为10级，考虑到线路压降等非理想因素的影响，匝比k取为90。

3）针对不同γ=C4/C3，不同品质因数Q下的电压传输特性进行仿真，如图4所示。从上下两图的比较中可以看出，不同的γ（Q）值，谐振电路偏离谐振频率后电压传输比衰减的程度有很大区别，即γ（Q）值大的电路电压传输比衰减程度大，通频带宽度越窄，曲线越尖锐，电路的选择性能越好；不同的Q值，当Q值较大时，电压传输比峰值在谐振频率处，此时对应的负载电阻较小，将负载电阻等效至变压器原边后可认为将并联谐振电容短路，所以呈现串联谐振变换器的特性，而在Q值减小时，曲线峰值偏离较多，呈现并联谐振变换器的特性。通过仿真，最终选择Q=2.5，γ=4。取谐振电感L1=200 μH，谐振电容C3=47nF，C3=210 nF。根据上述参数可得变换器输入阻抗特性曲线，如图5所示。可以看出，在最小开关频率以上，所设计的变换器等效电路的输入阻抗角为正，谐振网络呈感性，开关网络的输出电压是超前于流过谐振网络的谐振电流ir先过零的，可使得开关管能够实现零电压开通。

图4 不同参数下的电压传输特性曲线Fig.4 Voltage transfer characteristic curves of different parameters

图5 输入阻抗特性曲线Fig.5 Input impedance characteristic curves

4）根据式 （7）、式 （8）计算谐振电感L1电流峰值和串联谐振电容C3两端电压峰值分别为Im= 24.228 A，VCsm=1 312 V。

5）根据技术要求中所提的输出电压电流调节范围，对变换器电压增益进行仿真，确定开关频率的最大值为fsmax=70k Hz。

3 主电路工作过程仿真

为了验证以上分析的正确性，将以上所确定的电路参数进行仿真分析，图6给出了变换器额定负载条件下的输出电压波形和电感电流波形。

图6 主电路仿真电路图（额定负载40 MΩ）Fig.6 Simulation of main circuit for 40 MΩ load

从图6中可看出，在额定状态下，输出电压可达到设计值200 kV，电感电流峰值24 A左右，同时可看出所设计的变换器开关网络的输出电压是超前于流过谐振网络的谐振电流ir先过零的，保证了开关管的零电压导通，与设计要求相吻合。

4 结论

分析了工作在电流连续模式下串并联谐振电路的工作原理，提出了一种变频控制下适用于谐振变换器的近似分析方法，在谐振电流为正弦波的基础上得到谐振变换器的等效电路，其数学模型简单、直观；建立了等效电路反映了谐振槽元件参数的选择与系统特性之间的关系。采用高频逆变开关电源技术研制的等离子体点火高压电源具有结构紧凑和响应速度快等优点。

［1］MATVEEV Igor.Multi-mode plasma igniters and pilots for aerospace and industrial applications［R］.Falls Church，VA，USA：Applied Plasma Technologies，2006.

［2］ZHILINESKII O V，LAKTYUSHINA T V，LAKTYUSHIN A N.Multicriterial optimization of the operation and design parameters of electric-arc plasmatrons of linear circuits［J］.Engineering physics and thermophysics，2002，75（6）：1278-1282.

［3］GLAZKOV V V，ISAKAEV M E K，SINKEVICH O A，et al.Calculation of laminar flows of plasma in the channel of a plasmatron with the self-adjusting length of the electric arc［J］.High temperature，2002，40（6）：787-794.

［4］王飞，韩先伟，张蒙正.低功率非冷却等离子体炬试验研究［J］.火箭推进，2016，42（1）：33-36. WANG F，HAN X W，ZHANG M Z.Experimental studies of low-power uncooled plasma torch［J］.Journal of rocket propulsion，2016，42（1）：33-36.

［5］CASANUEVA R，AZCONDO F J，BRACHO S.Series parallelresonantconverter for electricaldischarge machining power supply［J］.Journal of materials processingtechnology，2004（149）：172-177.

（编辑：陈红霞）

Design method of high-voltage DC power supply for plasma ignitor

WANG Yan1，2，FAN Wei1，2，ZHAO Yang1，2，HAN Xianwei1，2，TAN Chang1，2
（1.Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Plasma Physics and Applied Technology，Xi'an 710100，China）

According to the plasma ignition requirements for high-voltage DC power supply，the LCC series-parallel resonant converter with capacitive output filter was selected as the main circuit topological structure.Based on the working principle analysis of resonant converter in the continuous inductive current mode，the steady-state model of the converter was deduced with the fundamental harmonic approximation method，the equivalent circuit of the converter was established，and the circuit mathematic module convenient for engineering design.In consideration of the influence of each parameter on circuit performance，the optimized parameters were designed to ensure the switching tube can realize zero-voltage switching in the entire load range，which reduced the loss of MOSFETS effectively.The composition of the power supply system and the design method of circuit parameters was elaborated in detail.The result of simulation in allusion to this design scheme had verified the validityofthe proposed design and optimization method.

plasma ignitor；series-parallel resonant；high-voltage power supply

V439-34

A

1672-9374（2016）05-0012-05

2016-04-13；

2016-05-03

国家863项目（2013AA7023028）

王妍（1988—），女，硕士，工程师，研究领域为高压电源技术