LCC諧振式微波應(yīng)用器高效連續(xù)電源研究*

陳正標(biāo)，楊 彪，2，王世禮

（1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明650500；2.昆明理工大學(xué)教育部非常規(guī)冶金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650093）

LCC諧振式微波應(yīng)用器高效連續(xù)電源研究*

陳正標(biāo)1，楊 彪1，2，王世禮1

（1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明650500；2.昆明理工大學(xué)教育部非常規(guī)冶金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650093）

驅(qū)動(dòng)微波應(yīng)用器磁控管需要直流高電壓大功率電源，傳統(tǒng)中通過(guò)電源變壓器升壓、整流、濾波處理的過(guò)程具有效率低，設(shè)備體積大等不足。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用克服了這些缺點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷過(guò)程會(huì)產(chǎn)生功率損耗，為了降低損耗，提高工作效率，提出一種采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的LCC諧振型全橋變換器的微波應(yīng)用器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)表明，該方案能顯著提高微波應(yīng)用器驅(qū)動(dòng)電源的效能和降低電磁干擾。采用該方案設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源可有效改進(jìn)微波應(yīng)用器中微波功率控制的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)微波應(yīng)用器腔體內(nèi)溫度的連續(xù)控制。

微波應(yīng)用器；開(kāi)關(guān)電源；功率損耗；軟開(kāi)關(guān)；LCC諧振；連續(xù)控制

1 引言

微波應(yīng)用器使用220伏交流電進(jìn)行供電，但磁控管需要幾千伏的直流電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這一變換過(guò)程由電源變換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但傳統(tǒng)的采用變壓器升壓和整流的電源變換電路效率非常低，同時(shí)系統(tǒng)體積也非常大[1]。為了提高系統(tǒng)電源驅(qū)動(dòng)效率，減小電源體積，采用了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁控管的驅(qū)動(dòng)，利用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)不僅可以大大提高電源轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也可以減小電源體積。但是，在使用開(kāi)關(guān)電源后，輸出電壓信號(hào)的紋波和電磁干擾都比較大，這將影響系統(tǒng)中信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等電路的穩(wěn)定工作，這需要電源變換電路在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)低電磁干擾，以保證整個(gè)系統(tǒng)具有較低的電磁干擾和較高的電磁兼容。

提出一種采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的LCC諧振型全橋變換器的微波應(yīng)用器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案。該方案結(jié)合了串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在諧振腔內(nèi)沒(méi)有較大能量的循環(huán)流動(dòng)，并且在輕載時(shí)也能輸出穩(wěn)定電壓的電氣特性。

2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

在理想狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管是沒(méi)有損耗的，因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管兩端的電壓為零，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為零。但在實(shí)際情況下，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通過(guò)程中，電流緩慢上升，電壓緩慢下降；在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中，電流緩慢下降，電壓緩慢上升。在這一升一降的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管中既有電流通過(guò)，兩端又有電壓，這就在開(kāi)關(guān)管上產(chǎn)生了功率損耗，電源功率越大，這種損耗就越大；開(kāi)關(guān)頻率越高，累計(jì)損耗就越多[2]。并且在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中，由于di/dt和dv/dt都很大，將產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，這些問(wèn)題都嚴(yán)重影響了電源穩(wěn)定性，阻礙了開(kāi)關(guān)電源的廣泛使用，因此必須將開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)損耗降低。通過(guò)上面分析，開(kāi)關(guān)損耗主要集中在導(dǎo)通和關(guān)斷的瞬間，可分別稱之為開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗[3]。對(duì)于開(kāi)通損耗，降低的方式有：①在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前先將其電壓降至零，即零電壓開(kāi)通；②在開(kāi)通過(guò)程中，保持其電流始終為零，或者限制其電流的上升率，即零電流開(kāi)通；③同時(shí)做到零電壓開(kāi)通和零電流開(kāi)通。同理，對(duì)于關(guān)斷損耗也可以采用同樣的方式：①在關(guān)斷前使其電流降低到零，即零電流關(guān)斷；②在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中，始終保持電壓為零，或者限制電壓的上升率，即零電壓關(guān)斷；③同時(shí)做到零電壓關(guān)斷和零電流關(guān)斷。將這些降低開(kāi)關(guān)損耗的方式統(tǒng)稱為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[4]。

3 串并聯(lián)LCC諧振型全橋移相變換器原理分析

采用基于串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的LCC諧振型全橋變換器,電路如圖1所示，由開(kāi)關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成諧振橋，開(kāi)關(guān)管內(nèi)部集成有反向二極管，起到續(xù)流作用，同時(shí)在每個(gè)開(kāi)關(guān)管兩端都并上一個(gè)小電容，用于限制開(kāi)關(guān)過(guò)程中開(kāi)關(guān)兩端電壓的突變。諧振回路由一個(gè)電感、兩個(gè)電容串聯(lián)而成，高頻升壓變壓器的初級(jí)和Crp并聯(lián)，次級(jí)通過(guò)一個(gè)二極管整流器和負(fù)載相連，同時(shí)整流輸出由一個(gè)耐高壓電容Co對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波[5]。開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)通過(guò)微控制器產(chǎn)生，4路控制信號(hào)頻率都相同，并且都是占空比為50%的方波信號(hào)。其中Q1和Q2、Q3和Q4的控制信號(hào)為互補(bǔ)關(guān)系，兩組信號(hào)之間有一定的相位差，微控制器就是通過(guò)控制輸出信號(hào)的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。

圖1 LCC串并聯(lián)諧振變換器電路原理圖

針對(duì)上面的電路分析，先假設(shè)所有元件都為理想的，流過(guò)電感Lr的電流近似為正弦波，輸出電容及濾波電容足夠大，輸出電壓基本不變，可以等效為一個(gè)電壓源。開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率約大于諧振頻率，使諧振電路呈感性，即電感器Lr上的電流在相位上稍滯后于Uab的基波[6-7]。移相控制信號(hào)、諧振電流ILr等的波形如圖2所示。

圖2 諧振過(guò)程主要波形圖

根據(jù)圖2，諧振變換器的工作過(guò)程分為8個(gè)階段，分別如圖3至圖10所示。

圖3 t0-t1階段

圖4 t1-t2階段

圖5 t2-t3階段

圖6 t3-t4階段

圖7 t4-t5階段

圖8 t5-t6階段

圖9 t6-t7階段

圖10 t7-t8階段

4 串并聯(lián)LCC諧振型全橋移相變換器參數(shù)設(shè)計(jì)

電源驅(qū)動(dòng)電路中需要確定的參數(shù)有諧振電感Lr，串聯(lián)諧振電容Crs，并聯(lián)諧振電容Crp,以及高頻變壓器的變比n等，不同的負(fù)載情況確定不同參數(shù)。本設(shè)計(jì)中的負(fù)載是廣東威特電子制造有限公司的2M343磁控管，它的額定電壓是4.65KV，額定電流是450mA。根據(jù)額定電壓和額定電流可以計(jì)算出等效電阻RO。

根據(jù)Uout=4650 V，Iout=0.45 A，等效負(fù)載電阻10.33K：

根據(jù)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速率情況確定系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)頻率為20KHz，即Uab為20KHz方波信號(hào)，其基波分量Uab1的頻率也為20KHz，可得角頻率：

電路中的直流輸入電源由220V交流整流濾波得到。

輸出端從電容兩端取出信號(hào)線接入到高頻變壓器的初級(jí)，高頻變壓器的次級(jí)通過(guò)整流橋，將交流信號(hào)變?yōu)槊}動(dòng)的直流信號(hào)，然后通過(guò)電容進(jìn)行濾波并驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。通過(guò)觀察變壓器初級(jí)兩端的電壓和電流信號(hào)，并將它們進(jìn)行傅里葉變換，得到電壓信號(hào)和電流信號(hào)的基波，不難發(fā)現(xiàn)電壓信號(hào)和電流信號(hào)存在一定的相位差，并且是電流超前電壓一定角度。若從高頻變壓器初級(jí)向負(fù)載端看，將其等效為一個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)，那么這個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)容性，可以用一個(gè)電容Ce和一個(gè)電阻Re的并聯(lián)電路進(jìn)行等效。等效圖如圖11所示，圖中的uAB1為uAB的基波分量，通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)運(yùn)算，可以得到：

圖11 RC等效電路

設(shè)二極管的導(dǎo)通角為α，那么從0到電容被充電，電壓從可得下面式子：

從上式可以得出電感電流與輸出電壓、并聯(lián)電容的關(guān)系：

并且通過(guò)推導(dǎo)可以得出變壓器初級(jí)電壓和電源相位差θ和導(dǎo)通角的關(guān)系如下：

通過(guò)Matlab繪制的圖形如圖12所示。

圖12 相位與導(dǎo)通角關(guān)系圖

從圖可以看出，不管高頻變壓器次級(jí)的整流橋?qū)ń铅翞楹沃担儔浩鞒跫?jí)的電壓和電流的相位差始終小于0，即電壓滯后于電流。說(shuō)明從變壓器初級(jí)向右看的電路呈容性，這和之前的分析一致。并且可以得到輸出電壓和并聯(lián)諧振電容兩端電壓的關(guān)系如下：

假設(shè)電路的轉(zhuǎn)換效率為100%，那么輸出功率應(yīng)該等于輸入功率，即

可以得到：

設(shè)占空比D=0.5，本設(shè)計(jì)中諧振電感上的電流量最大值為：

又由于只有在并聯(lián)諧振電容兩端電壓被鉗位時(shí)，整流橋?qū)ǎ哳l變壓器才能進(jìn)行能量傳送，那么輸出電流可以表示為：

可以得到：

若假設(shè)串聯(lián)諧振電容上的電壓為500V,可得：

在將變壓器初級(jí)右邊的電路等效為RC網(wǎng)絡(luò)后，等效電路Re上消耗的功率則等于輸出功率，那么可以得到下面式子：

從上式可以推出Re的表達(dá)式為：

根據(jù)等效電路中阻抗角公式可得：

等效交流電路輸入阻抗可以表示為：

根據(jù)上式可以求出Lr=250μH。

5 電路仿真和驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)電路中各元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)用PSIM進(jìn)行仿真，觀察其輸出電壓，可得到圖13所示輸出電壓曲線。從曲線圖可以看出，輸出電壓最后可以穩(wěn)定在4.65 KV左右，跟設(shè)定的輸出電壓一致，表明電路參數(shù)的設(shè)計(jì)是正確的，這對(duì)LCC諧振變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

根據(jù)已知公式可以得到增益表達(dá)式：

圖13 輸出電壓曲線

利用上式，通過(guò)Matlab可得到占空比和增益的關(guān)系曲線圖，如圖14所示。

圖14 占空比與增益關(guān)系曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用LCC諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使開(kāi)關(guān)管在狀態(tài)切換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)以降低開(kāi)關(guān)損耗。實(shí)驗(yàn)表明，采用該方案后，具有了串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在諧振腔內(nèi)沒(méi)有較大能量的循環(huán)流動(dòng)，并且在輕載時(shí)也能輸出穩(wěn)定電壓的電氣特性，從而能顯著提高微波應(yīng)用器驅(qū)動(dòng)電源的效能并降低電磁干擾，可有效改進(jìn)微波應(yīng)用器件中微波功率控制的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)微波應(yīng)用器腔體內(nèi)溫度的連續(xù)控制。

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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

昆明理工大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（KKSY201503006）

陳正標(biāo)（1990-），男，廣東省河源市紫金縣人，碩士研究生在讀，主研方向：微波加熱數(shù)值模擬及控制。楊彪（1974-），男，博士，副教授，主研方向：冶金多物理場(chǎng)耦合分析及數(shù)值計(jì)算、多源饋能效能評(píng)估、特種場(chǎng)冶金智能控制。

2016-07-01