浅谈除尘电源电路拓扑设计

蒋正荣 黎佳慧 张慧岳 刘云波

摘 要：随着对环保的重视以及对健康的要求，静电除尘器被广泛应用于工业以及家庭空气净化中。除尘电源是电除尘系统的心脏，对除尘系统工作效率有重要影响。LCC变换器兼具了SRC和PRC的优点，适用于高电压输出场合。倍压整流电路可以降低变压器的变比，减小其杂散参数，有利于开关电源的高频化和小型化。根据需求选用倍压整流电路和LCC变换电路作为主电路拓扑。

关键词：除尘电源；谐振变换器；倍压整流；拓扑设计

随着人们环保意识日益加强，以及对健康要求的不断提高，大到火力发电、金属冶炼、水泥生产等工业领域，小到家庭油烟除尘等，静电除尘装置的需求越来越大。除尘电源是静电除尘系统的心脏，其性能好坏将直接影响到除尘装置的效率。

一、静电除尘电源的发展现状

随着对除尘装置节能性、经济性、和效率要求的提高，除尘电源向着小型化、高频化不断发展。除尘电源在发展史上主要经历了如下变化：从单相供电到三相供电[1]；从工频调压到高频逆变[2]；从单一供电模式到混合供电模式[3]。供电方式的改变提高了除尘电源的功率因数，减小了供电电压脉动，进而提高了除尘效率，更利于节能环保。同时，三相供电的应用以及混合供电模式的采用使得除尘电源能够更好的适应不同粉尘浓度，不同工况，以保证最大的除尘效率。开关频率的提高使得设备进一步小型化、高效化、经济化成为可能。高频开关电源控制方式的灵活性和系统动态响应的快速性都使输出电压的纹波可以控制的很小，极大的提高了除尘效率，并在不同的除尘工况中适应良好。

二、谐振变换电路拓扑选择

众所周知，在高频情况下，作为核心器件的高压变压器其杂散参数将会对开关电源产生不可忽略的影响。如果直接将变压器接在传统的PWM变换电路中，其漏感将会导致过电压，损坏电路的元器件；其分布电容也会与电路中的杂散电感产生谐振，增加了输出纹波并会产生很大的原边环流，降低了PWM变换器的工作效率。而谐振变换器则很好的规避了这一问题，它利用变压器的分布参数，使其漏感和分布电容参与到电路谐振中，更容易实现全负载情况下的ZVS或ZCS，降低IGBT或MOSFET的损耗，提高变换器的工作效率。根据参与谐振元件的不同，常见的谐振变换器拓扑有三种：（1）串联谐振变换器（SRC）；（2）并联谐振变换器（PRC）；（3）串并联谐振变换器（SPRC）。根据参与谐振元件的差异，串并联谐振变换器又可细分为LCC谐振变换器和LLC谐振变换器。各谐振变换器拓扑如下所示：

（1）串联谐振变换器。谐振电感Lr和Cr构成了谐振腔。其中谐振电容可以同时作为隔直电容使用，防止变压器直流磁化，避免磁路不平衡。在轻载工作下，SRC电路还有输入侧环流小，工作效率高的优点。而且在一定工作频率下，SRC电路会呈现出恒流特性，具有固有的抗短路能力。串联谐振变换器的缺点也十分明显，它的电压调节性能很差，在CCM工作模式PFM电压调制方式下，空载情况时无法控制输出电压。同时在高频变压器匝比为1时，其电压传输比小于1。因此串联谐振变换器多用于诸如恒流充电等要求输出为恒流的场合。

（2）并联谐振变换器。相对于SRC电路，PRC电路的显著优点就是空载情况下，在CCM工作模式中可以通过PFM电压调制的方法控制输出电压。并且相对于SRC电路，PRC电路的电压增益较大，当变压器的变比为1时，电压增益大于1。可是PRC电路回路电流随负载变化较大，尤其在轻载状况下输入侧环流大，变换效率低下，并且需要加入隔直电容来避免磁路的不平衡。因此并联谐振变换器适用于低压大电流且负载变化不大的场合。

（3）串并联谐振变换器。串并联谐振电路兼具了SRC和PRC谐振变换器的优点，克服了它们的缺陷，并且使高频变压器的杂散参数参与到谐振中，可以减少元件数量，更容易实现IGBT等开关管的ZVS和ZCS，减小了损耗，使进一步提高开关频率成为可能，从而减小设备的体积和成本。常见的三阶SPRC电路可细分为LCC谐振变换器和LLC谐振变换器两种。由于高频变压器变比较大，在高压工作场合，其杂散电容对LLC谐振变换器的影响不可忽视。变压器分布电容的微小改变都会引起LLC谐振电路工作状态的不稳定，因此LLC一般多用于低压场合。相对而言LCC谐振变换器由于直接利用了高频变压器的杂散电容作为谐振参数，参与到谐振工作中来，克服了LLC谐振电路变压器杂散电容过大的问题，降低了变压器设计难度，更适合于高压场合。

三、高压整流电路拓扑选择

高压整流滤波电路影响着整个谐振变换器的纹波系数和升压部分的设计。常见的整流电路有四种：半波整流、全波整流、全桥整流电路以及倍压整流电路。如下图所示。

（1）半波整流电路。半波整流电路直接利用了二极管的正向导通反向截止特性，保留了交流电正半周期波，滤除了负半周期波，利用电容稳压，输出直流电。半波整流电路应用于对电源要求不高的系统，现在已经很少采用。

（2）全波整流电路。全波整流电路是在半波整流电路的基础上改进而来，它在变压器副边多增加了一组绕组，这样就实现了对负半周波的利用。较半波整流电路，其具有纹波小的优势，但是存在变压器副边绕组利用不充分的缺陷，并且变压器需要引出中心抽头，生产麻烦，且整流管承受的最大反向电压大。因此，多用在输出电压要求不高且输出电流较大场合。

（3）全桥整流电路。全桥整流电路同样是利用整流二极管的单向导通性。输出电压相同时，整流管承受的最大反向电压仅为全波整流电路的一半。它具有电路结构简单，变压器副边绕组利用率高，无中间抽头，生产简单等优点。因此全桥整流电路在高电压输出场合得到了广泛的应用。同時，还可以采用多级整流二极管串联的形式来减小对单个二极管的耐压要求，从而降低了电源系统成本。

（4）倍压整流电路。常见的倍压整流方式有两种：格富纳赫尔型倍压整流和安维拉德倍压整流。输出电压相同时，前者电容上承受的电压更小，仅为后者的一半，且前者的电路结构更为简单、维护方便、体积小，更加经济。但是同时前者也具有输出电流较小、电压脉动较大以及电压降落较大的缺点。倍压整流电路是利用电容的储能作用和整流管的正向导通反向截止特性得到较高电压的直流电。倍压整流电路可以减低变压器的变比，从而让变压器参数设计相对放宽，解决了升压变压器原副边匝数比过高所引起的电流、电压峰值问题，对变压器的绝缘设计要求以及整流二极管的耐压要求均大幅度降低。同时因为减小了变压器寄生参数，所以减轻了高频变压器的设计制造难度，以及器件承受的电应力，器件的选择余地也变宽了。更小的变压器杂散参数也为进一步提升开关频率创造条件，有利于开关电源的高频化和小型化。

四、结论

综上所述，结合除尘系统的实际需要，考虑到高电压输出，高工作效率，小体积以及低成本的要求，除尘电源采用LCC谐振变换电路和格富纳赫尔倍压整流电路作为除尘电源的主电路。

参考文献：

[1]谢广润，陈慈萱.高压静电除尘器[M].北京：水力电力出版社，1993.

[2]盛立丞.静电除尘器高频电源控制系统研制[D].杭州：浙江大学，2010.

[3]刘军，石健将.静电除尘电源的发展[J].环境工程， 2008.10，26（15）：44-46.

作者简介：蒋正荣（1967-），男，湖北人，副教授，博士，研究方向为电力电子技术、电能质量与电磁仿真；黎佳慧（1992-），女，陕西人，在读研究生，专业：电气工程。