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技術(shù)文章

基于串聯(lián)諧振的直流電源的研究
    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和新型高性能/高耐壓/高頻電力電子器件的出現(xiàn),高壓直流電源開始在**、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和日常生活中應用，例如：雷達發(fā)射器、污水處理、靜電除塵、電子顯微鏡、X射線儀、行波管、臭氧發(fā)生器等。部分產(chǎn)品技術(shù)比較成熟，已被廣泛的應用。
    高壓直流電源國內(nèi)外發(fā)展狀況
    國外研究高壓直流電源的歷史較早。從電源的發(fā)展角度看主要經(jīng)歷了以下四個階段。
    早期的高壓直流電源主要是將工頻交流電經(jīng)升壓變壓器升壓后整流濾波，或升壓后再采用倍壓整流得到高壓。由于工頻變壓器體積大、紋波大，電路不能采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，這類高壓直流電源逐漸被淘汰。
    晶閘管控制階段，此階段由于晶閘管的出現(xiàn)，開始采用半控型器件調(diào)節(jié)電源電壓，而且可以實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。但對電網(wǎng)有很大的污染，由于使用工頻變壓器，因此系統(tǒng)仍存在體積大，效率低，濾波電容大和輸出紋波大的缺點。
    近年來，隨著全控型器件的成熟，人類步入了開關(guān)電源的時代，此時開關(guān)電源開始在高壓直流電源中應用，它以效率高、體積小、重量輕、響應快、儲能少、設計制造周期短等特點，已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源，走進了各個領(lǐng)域。
    高壓直流電源控制技術(shù)
    目前高壓電源多采用開關(guān)電源技術(shù)，大大降低了體積重量，提高了效率，尤其是小功率高壓電源幾乎都是開關(guān)電源結(jié)構(gòu)。開關(guān)電源控制技術(shù)主要有脈寬調(diào)制技術(shù)、調(diào)頻控制技術(shù)以及調(diào)幅控制技術(shù)。對于高壓電源而言，由于輸出電壓較高，很少采用電感電容LC濾波，而是普遍利用電容一階濾波。因此高壓電源中主要有調(diào)頻控制和調(diào)幅控制兩種控制方法。
    PFM控制高壓直流電源
    調(diào)頻控制高壓電源框圖 。
     
   電路工作過程為，輸入電壓經(jīng)過整流濾波后變?yōu)槠交闹绷髁浚缓笸ㄟ^高頻逆變諧振電路產(chǎn)生一個高頻方波電壓加于變壓器原邊，*后通過變壓器和倍壓整流電路雙重升壓產(chǎn)生高壓直流電，調(diào)節(jié)頻率大小控制輸出電壓。
    調(diào)頻控制電路根據(jù)諧振方式的不同，主要分為LC串聯(lián)諧振高壓電源、LC并聯(lián)諧振高壓電源和LCC串并聯(lián)諧振高壓電源。
    (1)LC串聯(lián)諧振高壓電源LC串聯(lián)諧振變換器的拓撲 。
    
    此電路的優(yōu)點是初級串聯(lián)諧振電容rC，它作為隔直電容，可以避免了變壓器的偏磁問題。同時諧振電感可以充分利用寄生電感，減小了變壓器寄生參數(shù)對電路的不利影響。另一個優(yōu)點為當負載電流減小時，流過功率器件的電流減小，因此可以得到較高的負載效率。缺點為高壓電源中變壓器的匝比多，寄生電容不可忽視，由于變壓器寄生電容的充放電，增大了系統(tǒng)的無功功率，大大降低了變壓器的效率。同時，采用LC串聯(lián)諧振當電路工作于輕載條件下時，電路的輸出電壓基本不隨頻率的變化而變化，因此輕載時，調(diào)頻控制不再適用。
    (2)LC并聯(lián)諧振高壓電源LC并聯(lián)諧振變換器 。
  
    此變換器中變壓器的漏感和諧振電感相串聯(lián)，可以消除寄生電感對電路的影響。而其分布電容和諧振電容相并聯(lián)，克服了串聯(lián)諧振變換器的分布電容對電路的影響。而且可以在空載時調(diào)節(jié)輸出電壓，較適合于輕載或空載下運行。此外，并聯(lián)諧振電路還具有抗電路短路的特性。因此在一定條件下并聯(lián)諧振電路更適于高壓電源。但是，對于LC并聯(lián)諧振而言，輸出一般采用LC濾波，但是在高壓電源中由于輸出濾波電感承受較高電壓，因此濾波電感的體積可能比變壓器的體積大，雖然在文獻中證明了輸出濾波電路中，去掉電感，系統(tǒng)性能沒有降低，但是，由于無LC串聯(lián)諧振隔直電容的優(yōu)點，變壓器易飽和成為本拓撲的主要問題。此外，由于電路中工作電流完全獨立于負載，因此當電路工作在輕載時，電路的效率較低。
    (3)LCC串并聯(lián)諧振高壓電源
    為了能夠充分利用串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的優(yōu)點，同時消除二者的缺點串并聯(lián)諧振電路應運而生。
    
    此電路避免了串聯(lián)諧振空載不能調(diào)整，并聯(lián)諧振變換器環(huán)路電流獨立于負載的缺點。它雖然具有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點，但是電路在空載或輕載下輸出電壓在諧振頻率處很高，不利于元器件的選擇，而工作在較低輸出電壓時，工作頻率較低因此調(diào)節(jié)輸出電壓時電路的頻率變化范圍較大，不利于磁性元器件的設計。
    總之，調(diào)頻控制具有拓撲簡單、成本低，而且諧振電路易實現(xiàn)軟開關(guān)和吸收寄生參數(shù)的功能，應用也較廣泛，但對于大范圍可調(diào)輸出電壓，低紋波和穩(wěn)定度高的場合，由于頻率變化范圍太大，輸出紋波變化大，磁性元件設計困難，同時變壓器利用率低。因此，在高壓功率電路中不宜采用調(diào)頻控制。