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1、电源学会第二十一届学术年会集80kV/100kW 高压开关电源的设计，黎明，100039）（无线电测量研究所，80kV/100kW High Voltage Switching Power SupplyZHENG BAOLEI, LI(CUI HENGSHAN, LIN SHUNRONG, WANG HAITAOInstitute of Radio Measurement,100039,)流高压输出。ABSTRACT: This paper introduces a high voltage power supply, This power supply not only achieves s

2、oft switching for the power switches but also makes full use of the transformer's significant parasitics with LCC mode. SiC MOSFETs are used as power switches, which reduces the swiching loss and drivingpower, making it possible to realize high switching frequency.Aanalysis of its operating prin

3、ciple and the designmethod are discussed in this paper, In the end，the computersimulation and experimental results show that the principle of the converter system is correct.图 1 高压电源电路组成框图电路则通过电压和电流采样回路,对高压KEY WORDS: High voltage power supply; High power；LCCseries-parallel resonant; Soft switching输出

4、进行实时和调节。电压采样单元主要由高压电阻和高压电容组成, 其作用是分别对输出的高压直流和交流分量进行取样。电流取样部分则是通过电流互感器检测整个直流高压电源的输出电流。2.2 LCC 谐振变换器谐振变换器是指在传统硬开关电路拓扑中适当增加谐振元件，利用这些谐振元件的作用，使其功率开关的电流或电压波形变为正弦波、准正弦波或局部正弦波, 这样能使功率开关在零电压或零电流条件下导通和关断，减小开关管开通和关断时的损耗，同时提高开关频率，减小开关噪声，降低 EMI 干扰和开关应力。谐振变换器的拓扑主要有三种形式：串联谐振变换器(SRC)、并联谐振变换器(PRC)、串并联谐振变换器(SPRC)。2高压

5、变压器由于匝比很大，呈现出较大的寄生摘要：了一种大功率高压开关电源，该电源采用LCC 串并联谐振模式，在实现开关管软开关的同时也充分利用了高压变压器的寄生参数，简化了设计。该高压电源使用碳化硅(SiC)场效应管作为开关器件，大大降低了开关管的发热量和所需驱动功率，为大功率高压电源的高频化提供了基础。本文简要分析了该高压电源的工作原理及设计步骤, 最后用 与实验结果证明了该变换器原理和理论分析的正确性。：高压电源；高功率；LCC 谐振变换器；软开关1引言目前，大功率高压电源已广泛用于雷达、高能参数，如漏感和分布电容，若直接应用在变物理、激光器、医疗以及工业静电除尘器等设换器中，漏感的会产生较高的

6、电压尖峰，损坏备中，这些对高压电源的性能和可靠性提出了功率器件，分布电容的会使电源空载和轻载时较高的要求。本文设计了一种通用性较强的大功率高压电源，输出电压 0-80kV 连续可调，输出功率100kW，电源过载时自动进入恒流模式，具有抗打火能力，可短路启动。参与主电路的谐振，使谐振电流在一个开关周期存在多次震荡，有可能使开关管的寄生二极管产生硬关断，从而产生的很大的二极管反向恢复电压尖峰，严重时导致开关管因过压而损坏。串并联谐振变换器(SPRC)由于结合了 SRC 和PRC 各自的优点，同时克服了它们的缺点，并且从2技术方案和工作原理2.1 高压电源电路组成高压电源电路组成如图 1 所示：整流

7、滤波电路将三相380V 交流电转化为500V左右的直流电压，该直流电经过由开关管 S1S4 组空载到具有很电压调节能力，本文采用LCC 串并联谐振变换器，它可以避免高压变压器中漏感和分布电容等寄生参数对主电路带来的影响， 并对寄生参数加以利用，在实际应用上可以将变压器漏感并入谐振电感，寄生电容并入并联谐振电 容，以减小外加谐振元件值。高压电源采用变频控制策略，使电感电流工作在连续模式(CCM)，并使成的变换器转化为高频交流方波，该交流方波经过谐振电容C 和谐振电感L 输出至高压变压器初级，通过高压变压器和倍压整流电路得到-80 kV 直1081电源学会第二十一届学术年会集主电路在任意负载下呈感

8、性，使得开关管工作在零电压开关状态，减小了开关损耗，避免了寄生二极管的反向恢复问题。图 2 为 LCC 谐振变换器，其中 S1S4 为四只开关管，D1D4 为它们的反并联二极管，C1C4 为并联电容，Cs 为串联谐振电容，Ls 为串联谐振电感， 它包含了变压器的漏感，Cp 为并联谐振电容，它包电压箝位在 Vo/K。电感电流 iLs 为正，流经 S1、Cs、Ls、T 和 S4，Ls 和 Cs 谐振工作。量。(4) 状态 S4 t3，t4t3 时刻，关断 S1 和 S4，向副边传递能电流 iLs 从 S1 和 S4转移到 C1、C2、C3 和 C4 中，给 C1 和 C4 充电，同时 C2 和 C

9、3 被放电。在这个阶段里，由于谐振电感较大，可以认为 iLs 近似不变，类似于一个恒流源。电容 C1 和 C4 的电压从零开始线性上升，电容 C2 和 C3 的电压从 Vin 开始线性下降，因此 S1 和 S4 是零电压关断。在 t4 时刻，C2 和 C3 的电压降到零，此时可以零电压开通 S2 和 S3。从 t4 时刻起，变换器开始另一半周期的工作， 其工作情况类似于上述的半个周期。3在进行分析之前做如下假设：1）开关管、二极管、电感、电容元器件都为理想器件；2）高频变压器漏感折算到谐振电感 Ls 中,分布电容可计算到并联电容 Cp 中,故变压器为理想变压器； 3）输出电容 Co 容量足够大

10、。为了便于分析计算，首先定义串并联谐振变换器各项参数：串联谐振电容 Cs 与并联谐振电容 Cp 之比值C含了变压器折算至的绕组分布电容，为高压变压器，副边的匝比为 K，D5D8 为整流二极管，Co 是输出滤波电容，RL 为等效负载电阻。变换器采用变频策略，桥臂斜对角的两只开关管几乎同时开通和关断，通过改变开关频率电压。输出图 2 LCC 谐振变换器分析前做以下假设:变流器的所有器件均为理A =p想器件，输出滤波电容 Co 折算到变压器侧的(1)Cs值远远大于串联谐振电容值 Cs 和并联谐振电容 Cp的值。该 LCC 谐振变换器具有 3 种工作模式，本文仅对主模式进行具体分析，即当 S1,S4

11、(或 S2,S3)开通时，寄生电容上的电压己经被箝位到等效输出电压 VO/K。fr 是串联谐振电感 Ls 与串联谐振电容 Cp 的谐振频率定义为1fr =2p(2)L Cs s1图 3 为变频策略CCM 模式下的LCC 谐振wr =(3)LsCs变换器的主要波形图。(1)状态 S1t0，t1t0 时刻之前，D1 和 D4 导通，将 S1 和 S4 的电压箝在零位，t0 时刻开通 S1 和 S4，因此 S1 和 S4 是零品质因数 Q 是表示谐振网络特性的重要参数，它的表为R w CQ = L r r (4)电压开通。电感电流 iLs 为负，流经 D4、iLs Cs 和 D1，Ls 和 Cs 谐

12、振工作。、Ls、K2若选取不同的 A,Q 值,利用计算机得到频整流二极管 D6 和 D7 导通，并联谐振电容 Cp率与增益之间的, 参数选取是一个复杂的过程,两端电压 Vcp 被输出电压箝位在-Vo/K。向副边需要许多指标综合考虑,实际配合电源进传递能量，同时谐振网络的储能回馈给输入电源。t1 时刻，电感电流 iLs 谐振到零，D6 和 D7 自然截止，为零电流关断。(2) 状态 S2 t1，t2在 t1 时刻，电感电流 iLs 由负方向过零，并且向正方向增加，流经 S1、Cs、Ls、Cp 和 S4，Ls、Cs 和 Cp 谐振工作。iLs 给 Cp 充电，Vcp 从-Vo/K 升高。副边整流二

13、极管均截止，变压器原副边脱离，负载由输出滤波电容供电。(3) 状态 S3 t2，t3t2 时刻，Vcp 电压上升到 Vo/K，整流二极管 D5和 D8 导通，并联谐振电容 Cp 两端电压 Vcp 被输出行参数设计，利用 LCC 串并联谐振技术设计一个-80kV/100kW 的高压电源，谐振参数如下：谐振电感 Ls=15H，串联谐振电容 Cs=5F，并联谐振电容Cp =0.15F，开关频率在 20kHz60kHz 之间。图 4 为采用电源满载下Saber 绘制的原理图，图 5 为的主要波形图，由图 5 可以看出在开关管开通之前电压 Vds 已经下降到零，从而实现了 ZVS 软开通，在开关管关断之

14、后电压 Vds 缓慢上升至 Vin，从而实现了 ZVS 软关断。2.3 碳化硅器件的应用高压电源的输出功率高达 100kW，因此开关管1082电源学会第二十一届学术年会集件，并假设以下工作条件：平均电流 Iave=200A，开通电流和关断电流 ION=IOFF=300A ，开关频率f=20kHz，管壳温度 TC=25。经过查阅资料比较计算，两者的导通损耗相差不多，SiC 器件的开关损耗约为 240W，Si 器件的开关损耗达到了 900W， Si 器件的开关损耗将近 SiC 器件的 4 倍，而相同的驱动电压条件下SiC 器件的驱动功率仅为Si 器件的1/4。通过以上对比发现与 Si 器件相比 S

15、iC 器件更适合工作在高频的条件下。该高压电源选用SiC 场效应管作为主功率开关管，在进行 100kW 满载过程中发现管壳仅为 20，如果对散热器进行进一步优化以进一步降低。2.4 变压器及倍压整流电路大功率、高压、高频变压器与普通变压器的设还可计不同，主要表现在：绝缘需求、寄生成分、空载损耗、负载损耗、电晕放电及整流等方面。一次绕组和二次绕组之间需要有效的绝缘厚度或距 离，以避免电场击穿。因此，一次绕组和二次绕组之间的电磁耦合不像传统的低压变压器那样紧凑。对于一次侧来说，这将导致寄生泄漏电感，从而影响变压器的最大功率容量。特别是在设计大功率、高压变压器的时候，如要保证足够的绝缘距离，就图 3

16、 LCC 谐振变换器的主要波形图会有寄生电感产生。高压变压器会有比较大的匝数比，二次绕组的匝数较多，将产生较大的分布电容。对于二次侧来说，分布电容可达到匝数比平方的数倍，导致无效电流通过二次绕组，从而使变压器效率降低。电晕放电会严重地影响变压器的正常运行，任何尖角或凸出的地方易出现强电场，从而产生放电甚至绝缘击穿。4采用 LCC 谐振变换器可以很解决高压变图 4 Saber电路图压器寄生参数带来的问题，对其进行充分利用。变压器采用多次级加倍压整流的方案,从而降低变压器绝缘方面的设计难度。高压变压器采用油浸的方法处理主绝缘问题，在有可能产生高压放电的尖角进行圆滑处理，以防止绝缘击穿。4变压器及倍

17、压整流电路原理图如图 6 所示： 高压电源开关频率在 20kHz60kHz 之间，为了降低初次级线圈的匝数和减小损耗，高压高频变压器采用超微晶磁芯。同时为了使电磁场分布均 匀、漏感更小变压器初级采用铜箔进行绕制。变压器绕组采用分槽结构，高压绕组分别绕在 6 个槽内， 槽与槽之间采用环氧树脂绝缘板进行绝缘，分槽结构不仅减小了绕组的寄生电容，也简化了变压器层间的耐压设计，同时也使各绕组与倍压电路连接更加方便。图 7 和图 8 分别是变压器结构示意图和对图 5波形图，硅（Si）功率器件经过五的选择就显得十多年的长足发展，其性能已趋近其理论极限，难以再大幅度提升。近年来，以碳化硅（SiC）为代表的宽禁

18、带半导体技术迅速发展，与 Si 相比，SiC 半导体具有禁带宽度高、临界电场击穿强度高和热导率高等特征，基于 SiC 的电力器件阻断电压变压器进行建模的电场分布图，由图中可以看高、通态电阻低、开关损耗小且耐高温工作，能大幅降低装置的功耗、缩小装置的体积。特别是在高频、高温和大功率电力 应用领域，SiC 电力电子器件具有 Si 半导体器件难以比拟的巨大应用优势和潜力。通过比较某两款参数相近的 SiC 器件和 Si 器出变压器层间的电场强度在 13kV/mm 以下，但也有些尖端的电场强度接近 19kV/mm，电场强度较高的地方主要集中在高压引出端，尽管引出端已经进行了圆滑处理，但场强仍较高，可以通

19、过其形状进一步其场强分布。1083电源学会第二十一届学术年会集谐振变换器的主要参数为：谐振电感 Ls=15H， 串联谐振电容 Cs=5F，并联谐振电容 Cp =0.15F， 变压器变比 K=90，次级采用 6 组输出，每组输出采用二倍压电路。图 10 为高压满载状态下开关管电压 VDS 波形(黄色)和谐振电流波形(蓝色)，和理论波形和波形比较吻合，从而验证了理论分析和的正确性。图 6 变压器及倍压整流电路原理图图 980kV/100kW 高压电源图 7 高频高压变压器结构示意图图 10 开关管电压和谐振电流波形高压电源输出纹波在 0.5%以内，实测电源在80kV/100kW 满载输出时纹波约为 30V，30V 与80kV 之比约为 0.375%，满足系统的需求。高压电源负载调整率和电压度约为 0.1%， 实测空载 80.00kV 输出在加上 100kW 满负载之后变为 79.93kV，实际电压调整率为 0.0875%。电源输出 80.00kV 时进行满载，4 个小时后电压变为 80.09kV，实际电压度为 0.1125%。图 8 高频高压变压器电场分布图为了保护系统和电源安全可靠工作高压电源采取了多项保护措施保护分为初级过压和过温保护。3实验结果为了验证以上述理论分析和保护和次级高压输出的正确性，设保护，当超过额定负载时高压电源自动进入恒流工作状态，使输出电压