LLC谐振变换型高压脉冲电源技术研究*

梁泽毅,李睿莹,陈息坤

(1.上海梅山工业民用工程设计研究院有限公司,上海 200093;2.上海大学 电气工程系,上海 200093)

0 引言

在激光核聚变、离子束武器、高能微波、电磁发射系统、MARX发生器、雷达发射器等领域,需要大功率脉冲功率电源作为动力源为高压储能单元充电,再通过高压储能单元的快速放电来获得脉冲能量。高动态品质、输出可控的高压脉冲功率电源是实现脉冲能量输出的核心。谐振变换器由于其效率高、功率密度大、EMI小、输入电压范围广等优点得到了越来越广泛的应用。特别是LLC谐振变换器,能够在全负载范围内实现功率开关管的ZVS和整流二极管的ZCS[1-4],从而减小了开关损耗,提高了效率[5-7],优点更为突出。目前,LLC谐振变换器多应用在降压场合中,关于LLC谐振变换器的研究主要集中在稳态控制策略、稳压和降压方面。如:有些文献指出LLC谐振变换器初级绕组和次级绕组上不均衡的漏感值的分布对变换器电压增益存在影响[8];有些文献结合谐振变换器的变频控制和定频控制的特点,研究了一种全桥LLC谐振变换器的混合式控制策略[10];也有一些文献分析了LLC谐振变换器中元件寄生参数的影响[11-12]。综上所述,现有的研究工作很少专注于将谐振变换器应用于升压工作模式。其主要原因是寄生参数对电路的影响使得谐振变换器的运行不稳定,从而造成电路工作状态的不稳定和不可控。

本文深入分析了寄生参数对高升压LLC谐振变换器的影响,通过合理设计高频变压器,最大程度降低了寄生参数对谐振变换器系统的影响。在理论分析的基础上,设计了一种能实现稳定输出高压的LLC谐振变换器,并已经应用于高压脉冲功率系统。

1 主电路拓扑

本文所研究的高压脉冲电源对整机体积、重量和散热面积等有比较高的要求,为了实现高效率的能量变换,减少整机的功率损耗,采用LLC谐振变换器实现功率器件的软开关过程是必然选择,相应的主电路拓扑如图1所示。该电路拓扑与传统的LLC谐振变换器的最大区别在于前者所采用的隔离高频变压器具有较大的升压比。传统的谐振软开关电路拓扑多应用于降压或稳压电路,较少应用于高升压电路,主要原因是高升压比的高频变压器寄生参数对电路的影响较大,从而造成电路的不稳定和不可控。设计一款有稳定高压输出的LLC谐振变换器要保证满足如下条件:首先,要保证在高升压情况下,LLC谐振变换器的开关管可以实现全负载情况下的ZVS;其次,要保证在正常负载和变载情况下电路都可以输出稳定的高压。为了较好地解决高频变压器的磁通平衡问题,采用了H型半桥式LLC谐振软开关主电路拓扑架构。

图1 考虑寄生参数的电路模型

绕组层间以及匝间的静电场作用是形成高频变压器分布电容的重要原因,其大小与变压器的绕组布局和绕法、结构、材质等有关,并且和绕组空间中所存储的电场能量成正比。研究表明,与层间的电场储能相比,同层绕组相邻匝间的电场储能可以忽略,因此一般只考虑绕组层间分布电容。高升压LLC谐振变换器的变压器匝比n>1,且副边的线圈匝数比原边多若干倍,在变压器的原边与副边间存在耦合电容,原边副边也各自存在寄生电容,因为副边线圈匝数多、层数多,因此变压器副边的寄生电容对电路的影响因素更不可忽略,有必要深入分析寄生电容对变压器增益的影响。图1中,C1、C2分别为分压电容,两者的容量基本相等;S1、S2为采用IGBT的谐振开关,T为高升压比的高频变压器;Cr、Lr分别为附加的谐振电容和谐振电感;Cq1、Cq2分别是IGBT功率开关S1、S2的寄生电容;Lm是励磁电感,Cp、Cs分别是高频变压器一次、二次侧的等效寄生电容。

2 寄生参数对开关管ZVS的影响及解决方法

图2 等效电路模型

因为死区时间很短,所以励磁电感可以等效为一个电流源。功率开关管ZVS的实现,是在死区时间内励磁电感Lm对功率开关管的电容进行充放电,把一个电容上的电荷完全转移到另一个电容上,从而实现开关管的零电压开通。现在大部分研究都关注整流侧二极管的寄生电容对死区时间的影响,很少有文献深入分析变压器寄生电容的影响。当变压器存在寄生电容时,励磁电感除了对功率开关管的电容进行充放电外,还要对变压器寄生电容进行充放电,这将影响电路的死区时间。因此我们需要设计合理的死区时间来保证功率开关管的ZVS工作状态。由图2所示的等效电路可得:

(1)

为保证功率开关管实现ZVS状态,整理可得到死区时间需满足的约束为:

(2)

式中,im为变压器励磁电流,无寄生电容的高升压LLC谐振变换器电路增益如式(3)所示:

(3)

式中,k为变压器的变比,Fn=f/fr。因为Cr的值远大于Cq1、Cp、Cs,Q=(Lr/Cr)1/2/Rac。依据式(3),可以研究理想状态(无寄生电容条件下)的增益变化规律,在MATLAB里构建系统的仿真模型,并进行仿真分析,得到仿真曲线如图3所示。

图3 无寄生电容的电压增益曲线

在实际电路拓扑条件下,当考虑寄生电容时,可以得到电路电压增益如式(4)所示:

(4)

同理,在MATLAB里构建系统的仿真模型,并进行仿真分析,可以得到此时电压增益变化情况的仿真曲线,如图4所示。

图4 有寄生电容的电压增益曲线

在图3和图4中,横轴是f/fr,纵轴是变压器增益M。高升压LLC谐振变换器要求电路的增益大于1。从图3可以看出,可以选择两种方式:一种是选择f=fr,此时增益为1,电路效率最高,但是不易调节;当需通过调节电路的频率改变电压时,若调节至f>fr,则不能实现开关二极管的ZCS,从图4可以看出,此时变压器的增益发生了变化,因此无法控制输出电压。另一种是选择f

3 高频变压器的绕组设计

在LLC谐振变换器中,高频变压器的设计合理性是有效减少高频变压器分布参数(包括寄生电容)的重要保障。常见高频变压器绕组的绕制方法如图5所示。

(a) C型绕制变压器

(b)Z型绕制变压器

(c)分段绕制变压器图5 高频变压器绕组的绕制方法

本文在研究过程中,采用能最大程度减少寄生电容的绕制方法,即分段式和Z型绕制法混合使用,来绕制高频变压器绕组,分段式和Z型绕组的电压分布如图6所示。

(a)分段式绕制

(b) Z型绕制图6 分段式和Z型绕组的电压分布

将变压器分成若干段,先绕第一段的第一层,然后绕制第二层,绕完第一段后再绕第二段,以此类推。每一小段采用Z型绕制法,这样每一小段上两层的匝间电压差大大减小。这种绕制方法的好处是可以最大限度地减小寄生电容,相应地也减少了寄生参数对LLC谐振变换器工作特性的影响。

4 系统仿真研究

在MATLAB/Simulink仿真环境下对高升压LLC谐振变换器进行不同负载状态下的仿真研究,验证理论设计的正确性。

4.1 固定负载下的仿真结果

图7为在额定负载状态下,进行系统运行稳定性研究的仿真波形。由图7可知,在固定负载条件下,LLC谐振变换器可以输出稳定的2kV电压,并且开关管可以工作在ZVS状态。

(a) 输出电压仿真波形(500v/div, 0.5s/div)

(b)谐振槽电压电流仿真波形(20v/div, 50μs/div)图7 固定负载下的仿真波形

4.2 变载下的仿真结果

进行变载条件下的仿真,可以研究系统的动态响应性能。从图8可以看出,在1.4s左右时从满载突卸到半载,输出电压瞬时有微小的上升,经过控制系统电压调节器的闭环PI控制,LLC谐振变换器的输出迅速恢复到给定值,表明该电路系统有良好的稳定性和可控制性。

(a)突减负载时的输出电压波形(500v/div, 0.5s/div)

(b)突减负载时的输出电压波形(局部放大,200v/div, 0.2s/div)图8 变载下的仿真波形

5 实验验证

整个LLC谐振变换器系统的组成架构如图9所示。

图9 高升压LLC谐振变换器控制系统架构

系统以dsPIC33EP256MU810处理器为核心,由半桥谐振变换器主电路和相应的各种功能单元组成完整的控制系统。

5.1 满载稳态工作实验

电路工作在满载状态下的稳态实验波形如图10所示,由该波形图可知,系统可以稳定输出2kV的电压,且输出电压波形稳定,表明控制系统工作稳定性良好。

图10 满载时输出电压波形(500v/div, 100μs/div)

5.2 不同负载下的动态实验

由满载突卸到半载时的输出电压波形如图11所示,由实验波形可知,系统在突卸负载状态下,输出电压能够快速恢复到设定状态,可以稳定输出2kV电压,且输出电压波形稳定,表明控制系统具有良好的动态性能。

图11 满载到半载输出电压波形(500v/div, 1s/div)

6 结论

本文深入分析了寄生参数对高升压LLC谐振变换器的影响,通过合理设计高频变压器,最大程度降低了寄生参数对谐振变换器系统的影响。在理论分析的基础上,设计了能实现稳定输出高压的LLC谐振变换器,并进行了实验研究,实验结果验证了本文理论分析的合理性,研究成果有较大工程应用价值。