大功率高壓LCC諧振電源重要參數(shù)研究與設(shè)計(jì)

王澤庭，楊旭

（北京市變頻技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京市電力節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100144）

大功率高壓LCC諧振電源重要參數(shù)研究與設(shè)計(jì)

王澤庭，楊旭

（北京市變頻技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京市電力節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100144）

LCC諧振變換器克服了單一的串聯(lián)諧振變換器（SRC）或并聯(lián)諧振變換器（PRC）的缺點(diǎn)，同時(shí)具備二者優(yōu)點(diǎn)。還具有很多傳統(tǒng)諧振變換器以外的優(yōu)點(diǎn)，如較小開關(guān)頻率范圍實(shí)現(xiàn)寬線性和負(fù)載調(diào)制，同時(shí)能保持很好的效率，實(shí)現(xiàn)全調(diào)頻范圍內(nèi)的軟開關(guān)。這些優(yōu)點(diǎn)讓LCC諧振變換器十分適合大功率高壓電源。針對(duì)大功率高壓電源中的LCC諧振變換器參數(shù)提出詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)Saber仿真進(jìn)行驗(yàn)證分析。

LCC諧振變換器；大功率高壓電源；軟開關(guān)

近些年，隨著中國(guó)航天、汽車、船舶等制造業(yè)的快速發(fā)展，這些行業(yè)中出現(xiàn)了一些需要高精度加工焊接的需求。這就給電子束焊機(jī)的發(fā)展提供了很好的發(fā)展契機(jī)和挑戰(zhàn)。電子束焊機(jī)發(fā)展至今，高壓供電電源一直是電子束焊機(jī)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此類高壓電源已經(jīng)從工頻、中頻發(fā)展到高頻，但是隨即又出現(xiàn)了一些效率和功率提升難點(diǎn)。LCC諧振變換器自身的優(yōu)點(diǎn)正好契合此類電源發(fā)展需求，故LCC諧振變換器成為眾多國(guó)內(nèi)外專家研究和探討的熱點(diǎn)問題。

諧振變換器拓?fù)浜芏?，但是單一的串?lián)諧振（SRC）或并聯(lián)諧振（PRC）具有很多限制，如SRC增益總是低于1，輕載時(shí)很難調(diào)制電壓；PRC諧振腔中循環(huán)電流過(guò)大，引起過(guò)多導(dǎo)通損耗。LCC諧振克服了單一的SRC或PRC的缺點(diǎn)，同時(shí)具備二者優(yōu)點(diǎn)，還具有很多傳統(tǒng)諧振變換器以外的優(yōu)點(diǎn)，如較小開關(guān)頻率范圍實(shí)現(xiàn)寬線性和負(fù)載調(diào)制，同時(shí)能保持很好的效率，實(shí)現(xiàn)全調(diào)頻范圍內(nèi)的軟開關(guān)。

通過(guò)查閱大量資料，發(fā)現(xiàn)LCC諧振變換器參數(shù)設(shè)計(jì)相當(dāng)混亂，文獻(xiàn)［1-2］提出方法過(guò)于復(fù)雜和繁瑣，不利于實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)［3-4］方法沒有明確LCC重要參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，造成一些諧振參數(shù)不明確、精度差等問題。本文旨在分析LCC設(shè)計(jì)過(guò)程中重要參數(shù)對(duì)于電源系統(tǒng)的影響，并在此基礎(chǔ)上提出一種相對(duì)簡(jiǎn)單、較精確的LCC諧振參數(shù)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)1臺(tái)60 kV/60 kW的電子束焊機(jī)參數(shù)，通過(guò)Saber仿真進(jìn)行理論驗(yàn)證。

1 LCC諧振變換器數(shù)學(xué)模型

1.1 大功率高壓電源主電路拓?fù)鋱D

大功率高壓電子束焊機(jī)電源主路拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 大功率高壓電子束焊機(jī)電源主電路拓?fù)鋱DFig.1 Power supply main circuit topology of high power high voltage electron beam welding diagram

由圖1可知，大功率高壓電子束焊機(jī)電源主電路系統(tǒng)主要由三相整流、全橋逆變、諧振腔與升壓變壓器和輸出整流濾波電路構(gòu)成。其中諧振腔參數(shù)設(shè)計(jì)是大功率高壓電源系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到電源的品質(zhì)。

1.2 諧振腔電路分析

根據(jù)電路原理，可以從圖1中得到LCC諧振變換器部分等效原理圖，如圖2所示。以下推導(dǎo)見文獻(xiàn)［5-7］。

圖2 LCC諧振腔等效原理圖Fig.2 LCC resonant cavity equivalent principle diagram

1.2.1 諧振腔電壓增益分析

由圖2可以得到電壓增益為

式中：ω為開關(guān)角頻率，ω=2πf。

歸一化電壓增益函數(shù)為

式中：Cn=Cp/Cr；fn為歸一化頻率，fn=f/fr，fr為串聯(lián)諧振頻率，；Q為品質(zhì)因數(shù)，。

進(jìn)一步有理化推導(dǎo)得到：

根據(jù)式（3），繪制出不同的電壓增益幅頻特性曲線。

圖3a～圖3c分別為Cn=0.5，1，5三種情況下Q值為0.1，0.2，0.5，0.8，1，2，5，8，10的電壓增益幅頻特性曲線族，并且每族曲線中按Q由大變小依次從x軸向上分布。圖3d是Re短路和斷路2種特殊工況下的電壓增益曲線圖。

圖3 不同Cn與特殊工況的電壓增益圖Fig.3 Voltage gain diagram of different Cnand special operating conditions

由圖3可以得出：

1）增益M值不低于0。當(dāng)Cn和Q值固定時(shí)，M表示為在諧振頻率點(diǎn)附近的凸曲線，相應(yīng)的歸一化峰值增益頻率點(diǎn)是根據(jù)負(fù)載和給定量的變化而變化的；

2）改變Cn和Q值，將改變?cè)鲆鍹曲線的形狀，Q是與負(fù)載相關(guān)的函數(shù)，M表示頻率調(diào)制對(duì)負(fù)載變化的曲線。任何Cn和Q值的組合，都會(huì)收斂和經(jīng)過(guò)諧振點(diǎn)M（fn）=1。諧振點(diǎn)上，Lr和Cr發(fā)生諧振，造成二者分壓為零，輸入電壓直接加到負(fù)載上，諧振腔電壓增益為1。諧振點(diǎn)上，諧振電路阻抗趨近于零，沒有寄生功率器件的損耗。并且工作在諧振點(diǎn)或諧振點(diǎn)附近區(qū)域，頻率變化很窄就可以實(shí)現(xiàn)寬輸出電壓調(diào)制；

3）固定Cn值，Q值增加，曲線收縮，導(dǎo)致頻率調(diào)制范圍變窄。隨著整條曲線變低，相應(yīng)的電壓增益峰值變小，對(duì)應(yīng)峰值增益的頻率點(diǎn)向左移動(dòng)并接近諧振點(diǎn)。隨著Q值增加造成的頻率移動(dòng)主要是由于負(fù)載增加造成的。減小Re將會(huì)減小Cp的影響并移動(dòng)開關(guān)頻率向諧振點(diǎn)移動(dòng)；

4）固定Q值，Cn值增加，曲線收縮，峰值增益頻率向諧振頻率點(diǎn)移動(dòng)，導(dǎo)致一個(gè)具有更高增益的頻率調(diào)制區(qū)域。主要有以下2點(diǎn)造成Cn值變化：①Cp的減小造成Cn的減小，使fp接近諧振頻率點(diǎn)；②Cr的增加造成Cn的減小，導(dǎo)致更高的Q值。

由圖3d可以得出，當(dāng)Re短路時(shí)，Q值趨近無(wú)窮大，且Cp被完全短路，讓Cp對(duì)于電壓增益的影響為零，并使峰值增益頻率點(diǎn)與諧振點(diǎn)重合。當(dāng)Re開路時(shí)，Q值趨近于零，峰值增益頻率在諧振頻率右側(cè)遠(yuǎn)端，并且相應(yīng)的電壓增益非常高，理論上能達(dá)到無(wú)窮大。同理可知，有些參數(shù)會(huì)使變換器在輕載或空載工況下較低電壓時(shí)不可調(diào)。

1.2.2 諧振腔阻抗特性分析

由圖2可以得到諧振腔的阻抗為

同電壓增益歸一化曲線一樣，可得阻抗歸一化函數(shù)為

根據(jù)等式（5）可以畫出阻抗歸一化頻率的相位角圖。

圖4分別為Q=1，Cn=5（實(shí)線）；Q=1，Cn=1（點(diǎn)虛線）；Q=5，Cn=1（大虛線）的一族歸一化相位角圖。

在分析圖4之前，我們要討論一下諧振變換器的ZVS條件，這樣可以使我們更深層地理解阻抗分析的意義和重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)ZVS，功率器件Uds兩端電壓通過(guò)外部要減小到零后導(dǎo)通和關(guān)斷。確保這一點(diǎn)的方法是當(dāng)門極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通信號(hào)被施加時(shí)，強(qiáng)行讓逆轉(zhuǎn)電流流過(guò)功率器件的體二極管。只有諧振電路存在著感性阻抗，電路的電流滯后于其施加的電壓才能具備實(shí)現(xiàn)ZVS的條件。

圖4 阻抗相位角圖像Fig.4 Impedance phase angle diagram

由圖4可知，圖像φ值大于零的部分為感性區(qū)域，小于零的部分為容性區(qū)域，等于零的部分為純阻性區(qū)域。當(dāng)Q值或Cn值增大時(shí)，曲線的感性區(qū)域的頻率范圍加寬，但是感性區(qū)域最大臨界頻率要大于諧振電路諧振點(diǎn)頻率。

1.2.3 諧振腔電流傳輸特性分析

由圖2，可以推出電流傳輸特性如下：

四是征管效率。盡管在“國(guó)地稅統(tǒng)一”的前提下，稅務(wù)行政效率與稅收利益分配不因稅務(wù)征管之渠道不同產(chǎn)生差異。但是消費(fèi)稅的稅目復(fù)雜，涉及各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)，且有一定的地方特殊性。因此，消費(fèi)稅的征管離不開地方政府與稅務(wù)機(jī)關(guān)的協(xié)作，地方政府對(duì)本地產(chǎn)業(yè)的認(rèn)知程度和控制程度大于中央政府，能夠?qū)δ稠?xiàng)產(chǎn)業(yè)提出針對(duì)性措施，或者督促地方企業(yè)積極配合征管。因此，消費(fèi)稅的稅制設(shè)計(jì)還應(yīng)當(dāng)考慮到稽征便利的原則，注重調(diào)動(dòng)地方政府協(xié)助稅收征管的積極性。

由式（6）可得，電流傳輸特性可由諧振腔導(dǎo)納決定，同理可以推導(dǎo)出電流傳輸特性的歸一化幅頻公式：

根據(jù)式（7），繪制出諧振腔的電流傳輸特性曲線圖，如圖5所示。

圖5 電流增益曲線圖Fig.5 Current gain curve diagram

圖5a為Cn=1固定，Q=0.1，1，5的一族電流歸一化幅頻特性曲線。圖5b為Q=1固定，Cn=0.1，1，5的一族電流歸一化幅頻特性曲線。由圖5a可得：Cn固定，Q值過(guò)大還是過(guò)小都會(huì)引起電流峰值變大。主要是因?yàn)樨?fù)載太輕引起Q值過(guò)小，導(dǎo)致諧振電路中無(wú)用功電流增加；負(fù)載太重引起Q值過(guò)大，導(dǎo)致電流過(guò)大。由圖5b可得：Q值固定，Cn增加明顯，造成諧振腔內(nèi)電流峰值變大。主要是在諧振點(diǎn)附近對(duì)回路電流影響較大?？傮w上看，當(dāng)開關(guān)頻率偏離諧振點(diǎn)頻率時(shí)，Q值變化，回路電路變化不大，表現(xiàn)為恒流特性。

通過(guò)上述推導(dǎo)和分析，將LCC諧振變換器的電壓增益、電流傳輸特性、阻抗都?xì)w一化成為與品質(zhì)因數(shù)Q和串并聯(lián)電容比Cn相關(guān)的等式。通過(guò)相關(guān)曲線分析，清晰把握住了Q和Cn值對(duì)于設(shè)計(jì)LCC諧振變換器總體影響。總體上可得出：

1）一個(gè)較小的Cn會(huì)使峰值增益較大，導(dǎo)致較高的環(huán)路電流，這有利于ZVS實(shí)現(xiàn)，但會(huì)增加傳導(dǎo)損耗；

2）一個(gè)較小的Q會(huì)使峰值增益較高，相應(yīng)的增益曲線對(duì)于給定的調(diào)制有較大的頻率變化范圍。

1.3 重要參數(shù)設(shè)計(jì)流程

通過(guò)上述總結(jié)和分析，提出了適合本文研究方法的參數(shù)設(shè)計(jì)流程圖（本設(shè)計(jì)流程在輸入電壓、工作頻率、輸出電壓和功率已知條件下設(shè)計(jì)）。如圖6所示。

圖6 參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.6 Parameter design process diagram

2 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：流母線電壓530 V；逆變頻率10～20 kHz；串聯(lián)諧振電感Lr=8.6 μH；串聯(lián)諧振電容Cr=3.4 μF；并聯(lián)諧振電容Cp=0.51 μF；系統(tǒng)輸出電壓60 kV；系統(tǒng)輸出功率60 kW；系統(tǒng)后級(jí)為全橋整流，濾波電容33 nF。

按照?qǐng)D6參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)出如上參數(shù)。并利用Saber軟件進(jìn)行了仿真，下面對(duì)主要波形進(jìn)行分析說(shuō)明。

2.2 仿真相關(guān)參數(shù)說(shuō)明

工作在20 kHz頻率，恒導(dǎo)通時(shí)間為20 μs條件下，輸出電壓60 588.0V；紋波293.8V（0.485%）；諧振腔峰值電流344.1 A。圖7為仿真啟動(dòng)波形，說(shuō)明設(shè)計(jì)方法參數(shù)能達(dá)到電源要求，但是單純PFM控制策略會(huì)造成啟動(dòng)瞬間，諧振腔電路過(guò)大。圖8為諧振電流與ΙGBT功率管控制信號(hào)圖，說(shuō)明設(shè)計(jì)參數(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了功率器件的零電流開啟和零電壓關(guān)斷。圖9為直流高壓部分放大圖，說(shuō)明設(shè)計(jì)參數(shù)紋波很小，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 啟動(dòng)波形Fig.7 Start waveform

圖8 諧振腔相關(guān)波形Fig.8 Related waveform in resonant cavity

圖9 輸出電壓波形Fig.9 Output voltage waveform

由仿真實(shí)驗(yàn)波形可知，此設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的參數(shù)能滿足在全負(fù)載情況下的軟開關(guān)，即實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開啟和零電壓關(guān)斷，并且紋波達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法與實(shí)際仿真結(jié)果的差距，繪制了計(jì)算值與仿真離散值對(duì)比圖，如圖10所示。

圖10 計(jì)算值與仿真離散點(diǎn)對(duì)比圖Fig.10 Comparison diagram of calculated and simulated discrete points

由圖10可知，理論計(jì)算值跟實(shí)際仿真結(jié)果離散點(diǎn)差距不大，充分證明了設(shè)計(jì)方法的精確度較高。但是參數(shù)還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或仿真進(jìn)行優(yōu)化來(lái)更好地體現(xiàn)LCC諧振變換器的軟開關(guān)特性。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)理論和實(shí)際需要，研制了1臺(tái)60 kV，6 kW電子束焊機(jī)電源。給出了電源滿載PFM控制波形圖。圖11是開關(guān)頻率在27.2 kHz時(shí)，電源滿載控制波形圖，體現(xiàn)出PFM控制的軟開關(guān)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了ZCS開啟和ZVS關(guān)斷?？傮w上可知，混合控制策略使電源系統(tǒng)提高了效率，提升了穩(wěn)定性。

圖11 滿載波形Fig.11 Full load waveform

圖11中，iLr為諧振腔電流值，Ug為功率器件ΙGBT門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓值。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大功率LCC諧振變換器的分析，建立了一系列的數(shù)學(xué)模型，分別將這些數(shù)學(xué)模型統(tǒng)一歸一化到幾個(gè)重要參數(shù)的等式上，然后分析這幾個(gè)參數(shù)分別影響系統(tǒng)的哪些性能。這樣使設(shè)計(jì)者對(duì)LCC諧振變換器有一個(gè)總體的認(rèn)知，并提出了適合本方法的一種簡(jiǎn)潔精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思路，使讀者很清晰地進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。仿真驗(yàn)證了采用此法設(shè)計(jì)的參數(shù)能很好地使LCC諧振變換器工作在軟開關(guān)條件下，顯著提高大功率高壓電源的效率和精度。

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Design and Research of Important Parameters for High Power High Voltage LCC Resonant Power Supply

WANG Zeting，YANG Xu
（Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing，Collaborative Innovation Center of Key Power Energy-saving Technologies in Beijing，Inverter Technologies Engineering Research Center of Beijing，Beijing 100144，China）

The LCC resonant converter overcomes the shortcomings of a single series resonant converter（SRC）or parallel resonant converter（PRC），and has both of advantages.Also it has the advantages of many traditional resonant converters，such as achieve wide linear and load modulation in the smaller switching frequency range，while maintaining a good efficiency，and achieving a full range of soft switching.These make that the LCC resonant converter be very suitable for high power and high voltage power supply.A detailed analysis and design process of the LCC resonant converter parameters in high power high voltage power supply was presented，and the analysis was verified by Saber simulation.

LCC resonant converter；high power and high voltage power supply；soft switching

TN46

A

10.19457∕j.1001-2095.20170715

2016-07-31

修改稿日期：2016-10-10

王澤庭（1985-），男，碩士，講師，Email：wangzeting@ncut.edu.cn