LCC谐振式微波应用器高效连续电源研究*

陈正标，杨 彪，2，王世礼

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明650500；2.昆明理工大学教育部非常规冶金重点实验室，昆明650093）

LCC谐振式微波应用器高效连续电源研究*

陈正标1，杨 彪1，2，王世礼1

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明650500；2.昆明理工大学教育部非常规冶金重点实验室，昆明650093）

驱动微波应用器磁控管需要直流高电压大功率电源，传统中通过电源变压器升压、整流、滤波处理的过程具有效率低，设备体积大等不足。开关电源技术的应用克服了这些缺点，但在实际应用中，开关管的导通与关断过程会产生功率损耗，为了降低损耗，提高工作效率，提出一种采用串并联结构的LCC谐振型全桥变换器的微波应用器驱动电源设计方案。实验表明，该方案能显著提高微波应用器驱动电源的效能和降低电磁干扰。采用该方案设计的驱动电源可有效改进微波应用器中微波功率控制的连续性，实现微波应用器腔体内温度的连续控制。

微波应用器；开关电源；功率损耗；软开关；LCC谐振；连续控制

1 引言

微波应用器使用220伏交流电进行供电，但磁控管需要几千伏的直流电压进行驱动，这一变换过程由电源变换电路来实现，但传统的采用变压器升压和整流的电源变换电路效率非常低，同时系统体积也非常大[1]。为了提高系统电源驱动效率，减小电源体积，采用了开关电源技术实现对磁控管的驱动，利用开关电源技术不仅可以大大提高电源转换效率，同时也可以减小电源体积。但是，在使用开关电源后，输出电压信号的纹波和电磁干扰都比较大，这将影响系统中信号转换、信号处理等电路的稳定工作，这需要电源变换电路在实现高效率的同时还要实现低电磁干扰，以保证整个系统具有较低的电磁干扰和较高的电磁兼容。

提出一种采用串并联结构的LCC谐振型全桥变换器的微波应用器驱动电源设计方案。该方案结合了串联谐振变换器和并联谐振变换器的优点，实现了在谐振腔内没有较大能量的循环流动，并且在轻载时也能输出稳定电压的电气特性。

2 软开关技术

在理想状态下，开关电源中的开关管是没有损耗的，因为当开关管导通时，开关管两端的电压为零，当开关管关断时，流过开关管的电流为零。但在实际情况下，开关管导通过程中，电流缓慢上升，电压缓慢下降；在开关管关断过程中，电流缓慢下降，电压缓慢上升。在这一升一降的过程中，开关管中既有电流通过，两端又有电压，这就在开关管上产生了功率损耗，电源功率越大，这种损耗就越大；开关频率越高，累计损耗就越多[2]。并且在开关管开关过程中，由于di/dt和dv/dt都很大，将产生很强的电磁干扰，这些问题都严重影响了电源稳定性，阻碍了开关电源的广泛使用，因此必须将开关电源的开关损耗降低。通过上面分析，开关损耗主要集中在导通和关断的瞬间，可分别称之为开通损耗和关断损耗[3]。对于开通损耗，降低的方式有：①在开关管开通前先将其电压降至零，即零电压开通；②在开通过程中，保持其电流始终为零，或者限制其电流的上升率，即零电流开通；③同时做到零电压开通和零电流开通。同理，对于关断损耗也可以采用同样的方式：①在关断前使其电流降低到零，即零电流关断；②在开关管关断过程中，始终保持电压为零，或者限制电压的上升率，即零电压关断；③同时做到零电压关断和零电流关断。将这些降低开关损耗的方式统称为软开关技术[4]。

3 串并联LCC谐振型全桥移相变换器原理分析

采用基于串并联结构的LCC谐振型全桥变换器,电路如图1所示，由开关管Q1、Q2、Q3、Q4构成谐振桥，开关管内部集成有反向二极管，起到续流作用，同时在每个开关管两端都并上一个小电容，用于限制开关过程中开关两端电压的突变。谐振回路由一个电感、两个电容串联而成，高频升压变压器的初级和Crp并联，次级通过一个二极管整流器和负载相连，同时整流输出由一个耐高压电容Co对电压信号进行滤波[5]。开关管的控制信号通过微控制器产生，4路控制信号频率都相同，并且都是占空比为50%的方波信号。其中Q1和Q2、Q3和Q4的控制信号为互补关系，两组信号之间有一定的相位差，微控制器就是通过控制输出信号的相位差来实现对输出电压的控制。

图1 LCC串并联谐振变换器电路原理图

针对上面的电路分析，先假设所有元件都为理想的，流过电感Lr的电流近似为正弦波，输出电容及滤波电容足够大，输出电压基本不变，可以等效为一个电压源。开关管的开关频率约大于谐振频率，使谐振电路呈感性，即电感器Lr上的电流在相位上稍滞后于Uab的基波[6-7]。移相控制信号、谐振电流ILr等的波形如图2所示。

图2 谐振过程主要波形图

根据图2，谐振变换器的工作过程分为8个阶段，分别如图3至图10所示。

图3 t0-t1阶段

图4 t1-t2阶段

图5 t2-t3阶段

图6 t3-t4阶段

图7 t4-t5阶段

图8 t5-t6阶段

图9 t6-t7阶段

图10 t7-t8阶段

4 串并联LCC谐振型全桥移相变换器参数设计

电源驱动电路中需要确定的参数有谐振电感Lr，串联谐振电容Crs，并联谐振电容Crp,以及高频变压器的变比n等，不同的负载情况确定不同参数。本设计中的负载是广东威特电子制造有限公司的2M343磁控管，它的额定电压是4.65KV，额定电流是450mA。根据额定电压和额定电流可以计算出等效电阻RO。

根据Uout=4650 V，Iout=0.45 A，等效负载电阻10.33K：

根据开关管的开关速率情况确定系统中的开关频率为20KHz，即Uab为20KHz方波信号，其基波分量Uab1的频率也为20KHz，可得角频率：

电路中的直流输入电源由220V交流整流滤波得到。

输出端从电容两端取出信号线接入到高频变压器的初级，高频变压器的次级通过整流桥，将交流信号变为脉动的直流信号，然后通过电容进行滤波并驱动负载工作。通过观察变压器初级两端的电压和电流信号，并将它们进行傅里叶变换，得到电压信号和电流信号的基波，不难发现电压信号和电流信号存在一定的相位差，并且是电流超前电压一定角度。若从高频变压器初级向负载端看，将其等效为一个二端网络，那么这个二端网络呈现容性，可以用一个电容Ce和一个电阻Re的并联电路进行等效。等效图如图11所示，图中的uAB1为uAB的基波分量，通过傅里叶级数运算，可以得到：

图11 RC等效电路

设二极管的导通角为α，那么从0到电容被充电，电压从可得下面式子：

从上式可以得出电感电流与输出电压、并联电容的关系：

并且通过推导可以得出变压器初级电压和电源相位差θ和导通角的关系如下：

通过Matlab绘制的图形如图12所示。

图12 相位与导通角关系图

从图可以看出，不管高频变压器次级的整流桥导通角α为何值，变压器初级的电压和电流的相位差始终小于0，即电压滞后于电流。说明从变压器初级向右看的电路呈容性，这和之前的分析一致。并且可以得到输出电压和并联谐振电容两端电压的关系如下：

假设电路的转换效率为100%，那么输出功率应该等于输入功率，即

可以得到：

设占空比D=0.5，本设计中谐振电感上的电流量最大值为：

又由于只有在并联谐振电容两端电压被钳位时，整流桥导通，高频变压器才能进行能量传送，那么输出电流可以表示为：

可以得到：

若假设串联谐振电容上的电压为500V,可得：

在将变压器初级右边的电路等效为RC网络后，等效电路Re上消耗的功率则等于输出功率，那么可以得到下面式子：

从上式可以推出Re的表达式为：

根据等效电路中阻抗角公式可得：

等效交流电路输入阻抗可以表示为：

根据上式可以求出Lr=250μH。

5 电路仿真和验证

根据实际需求，对电路中各元件的参数进行设计，根据设计参数用PSIM进行仿真，观察其输出电压，可得到图13所示输出电压曲线。从曲线图可以看出，输出电压最后可以稳定在4.65 KV左右，跟设定的输出电压一致，表明电路参数的设计是正确的，这对LCC谐振变换器的参数设计具有指导意义。

根据已知公式可以得到增益表达式：

图13 输出电压曲线

利用上式，通过Matlab可得到占空比和增益的关系曲线图，如图14所示。

图14 占空比与增益关系曲线

6 结束语

运用LCC谐振网络实现软开关技术，使开关管在状态切换过程中实现零电压开关和零电流开关以降低开关损耗。实验表明，采用该方案后，具有了串联谐振变换器和并联谐振变换器的优点，实现了在谐振腔内没有较大能量的循环流动，并且在轻载时也能输出稳定电压的电气特性，从而能显著提高微波应用器驱动电源的效能并降低电磁干扰，可有效改进微波应用器件中微波功率控制的连续性，实现微波应用器腔体内温度的连续控制。

[1]钟和清,徐至新,邹云屏,等.寄生电容对串联谐振电容器充电电源特性的影响[J].中国电机工程学报,2005,25 (10):40-44. ZhongHeqing1,Xu Zhixin,ZOU Yunping,et al.Effects of parasitical capacitors on charging characteristic of series resonant CCPS[J].Journal of Chinese Electrical Engineering Science,2005,25(10):40-44.

[2]徐勤超，王春芳，李从洋.LLC谐振式磁控管供电电源的研究[J].电力电子技术，2010，44（10）：106-108. Xu Qinchao，Wang Chunfang，Li Congyang,Research on LLC resonant power supply for driving a magnetron[J]. Power Electronics Technology,2010,44(10):106-108.

[3]Batarseh I,Lie R,Lie C Q,el al.Theoretical and experimental studies of the LCC type parallel resonant converter [J].IEEE Transactions on Power Electronics,1990,5(2): 140-150.

[4]张功泽，吴命利，李腾.静电除尘用LCC谐振变换器的设计与仿真[J].电源技术,2013(6)：1040-1042. Zhang Gongze,Wu Mingli,Li Teng.Design and simulation of LCC resonant converter for electrostatic precipitator[J]. Chinese Journal of Power Sources,2013(6):1040-1042.

[5]Youssef M J,Jain P K.Series-parallel resonant converter in self-sustained oscillation mode with the high-frequency transformer-leakage-inductance effect:analysis,modeling, and design[J].IEEE Transactions on Industrial electronics, 2007,54(3):1329-1341.

[6]杨瑞.LCC谐振变换器的解释建模与分析[D].武汉:华中科技大学，2014. Yang Rui.Analysis and modeling of LCC resonant converter[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2014.

[7]孙向东，段龙，钟彦儒，等.高压直流LCC谐振变换器的分析与设计[J].电工技术学报,2002(5)：60-64. Sun Xiangdong,Duan Long,Zhong Yanru,et al.Analysis and design of high voltage DC power supply with LCC resonant circuit[J].Transactions of China Electrotechnical Society.2002(5):60-64.

Study on High-efficiency Continuous Power Supply of Microwave Applicator in LCC Resonant Network

Chen Zhengbiao1,Yang Biao1,2,Wang Shili1
（1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500,China;2.Key Laboratory of Unconventional Metallurgy,Ministry of Education,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China）

Driving magnetron of microwave applications needs large power supply and DC high voltage,and the procedures of traditional process which use transformer of power supply to boost voltage and filtering rectifier have the drawbacks of low efficiency and large volume.But the application of switch power supply overcomes the shortcomings mentioned above.However,in the practical application,the loss will be generated during switch tube on and off.In order to reduce loss and improve work efficiency,this paper presents a power supply design of microwave applicator by LCC series-parallel resonant structure.The experiment shows that it can significantly increase the efficiency and depress electromagnetic interference for the power supply of microwave applicator,and significantly improve the continuity of microwave power control of the microwave applications to continuously control the temperature in the cave.

Microwave applicator；Switch power supply；Power loss；Soft-switching；LCC resonant；Continuous control

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.018

TM4，TN710

A

1002-2279-（2017）01-0071-05

昆明理工大学引进人才科研启动基金项目（KKSY201503006）

陈正标（1990-），男，广东省河源市紫金县人，硕士研究生在读，主研方向：微波加热数值模拟及控制。杨彪（1974-），男，博士，副教授，主研方向：冶金多物理场耦合分析及数值计算、多源馈能效能评估、特种场冶金智能控制。

2016-07-01