LCC谐振变换器在大功率高输出电压场合的应用研究

高压直流电源广泛应用于医用X射线机,工业静电除尘器等设备。传统的工频高压直流电源体积大、重量重、变换效率低、动态性能差,这些缺点限制了它的进一步应用。而高频高压直流电源克服了前者的缺点,已成为高压大功率电源的发展趋势。本文对应用在高输出电压大功率场合的开关电源进行研究,对主电路拓扑、控制策略、工艺结构等方面做出详细讨论,提出实现方案。 高压变压器由于匝比很大,呈现出较大的寄生参数,如漏感和分布电容,若直接应用在PWM变换器中,漏感的存在会产生较高的电压尖峰,损坏功率器件,分布电容的存在会使变换器有较大的环流,降低了变换器的效率。本文选用具有电容型滤波器的LCC谐振变换器为主电路拓扑,它可以利用高压变压器中漏感和分布电容作为谐振元件,减少了元件的数量,从而减小了变换器的体积。 LCC谐振变换器采用变频控制策略,可以工作在电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM),本文对这两种工作模式进行详细讨论。针对CCM下的LCC谐振变换器,本文分析其工作原理,用基波近似法推导出变换器的稳态模型,给出一种详尽的设计方法,可以保证所有开关管在全负载范围内实现零电压开关,减小电流应力和开关频率的变化范围,并进行仿真验证。基于该变换器,研制出输出电压为41kV,功率为23kW的高频高压电源,实验结果验证了分析与设计的正确性。 针对DCM下的LCC谐振变换器,本文分析其工作原理,该变换器可以实现零电流开关,有效地减小IGBT拖尾电流造成的关断损耗。论文通过电路状态方程推导出变换器的电压传输比特性,在此基础上对主电路参数进行设计,并进行仿真验证。基于该变换器,研制出输出电压为66kV,功率为72kW的高频高压电源,实验结果表明了方案的可行性。