高壓逆變電源負(fù)載阻抗特性分析

0 引言

目前，在臭氧發(fā)生器、污水處理、煙氣脫硫、高功率激光、等離子體放電等技術(shù)領(lǐng)域，高壓逆變電源正得到越來(lái)越多的應(yīng)用。傳統(tǒng)的高壓逆變電源一般由工頻或中頻變壓器直接升壓或LC串聯(lián)諧振獲得，不可避免地存在體積大、效率低的缺點(diǎn)。在目前許多需要高壓電源的場(chǎng)合，采用高頻技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)，可以有效減小高頻電源體積、重量和損耗，所以高頻高壓逆變電源是未來(lái)發(fā)展的方向。

由于高壓逆變電源的應(yīng)用領(lǐng)域不同，負(fù)載的阻抗也會(huì)不同；另外電源在工作時(shí)負(fù)載阻抗會(huì)隨溫度的變化而變化，所以研究負(fù)載的變化對(duì)逆變電源輸出參數(shù)的影響有著重要的意義，也是設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)良電源的關(guān)鍵。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的逆變電源，分析了負(fù)載阻抗變化的特性。

1 實(shí)際電路及其工作原理

高壓逆變電源前級(jí)一般采用不控整流、全橋逆變，后級(jí)采用串聯(lián)諧振軟開關(guān)結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)電源也是這種結(jié)構(gòu)。由于電路實(shí)際中要求負(fù)載在短路時(shí)對(duì)系統(tǒng)影響很小，所以負(fù)載不能直接串聯(lián)在后級(jí)諧振回路中，而采用負(fù)載部分接入的方式，本實(shí)驗(yàn)電路框圖如圖1所示。


其具體組成如下：1)調(diào)壓器。輸入220V工頻電壓，輸出0~220V可調(diào)；2)整流：全橋整流；濾波：4個(gè)450V／470 μ F電容并聯(lián)；3)逆變。全橋逆變電路，由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和MOS管組成的全橋開關(guān)構(gòu)成；控制電路由TL494構(gòu)成，可以通過(guò)改變脈沖寬度改變輸出參數(shù)；開關(guān)管采用三菱的MOSFET管，極限參數(shù)為20A／1200V；4)高頻變壓器。采用高頻升壓變壓器，原邊線圈3股50匝，副邊2股80 匝；5)諧振電容。由14個(gè)22nf、／1200V電容組成，構(gòu)成諧振軟開關(guān)電路，電路的設(shè)計(jì)諧振頻率為100KHz；6)負(fù)載和其中四個(gè)電容并聯(lián)，采用部分接入形式。此電路負(fù)載在試驗(yàn)測(cè)試時(shí)用可變電阻代替。

工作原理：交流電經(jīng)調(diào)壓器調(diào)壓后，由整流濾波電路整流成直流電，全橋逆變回路將經(jīng)過(guò)的直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流電，再經(jīng)過(guò)高頻升壓變壓器和串聯(lián)諧振回路加到負(fù)載上，使負(fù)載工作，調(diào)節(jié)回路的諧振頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出的電流和電壓。

2 負(fù)載阻抗變化特性的分析和仿真

簡(jiǎn)化的逆變電源系統(tǒng)中諧振負(fù)載回路如圖2所示，L為變壓器的漏感，C1、C2為諧振電容，Rp為負(fù)載電阻。為便于分析，對(duì)于圖2我們可以等效為標(biāo)準(zhǔn)的串聯(lián)諧振形式，如圖3所示。


等效轉(zhuǎn)換后，電路中參數(shù)數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：


對(duì)于全橋結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振逆變器，其輸出電流與負(fù)載電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式(3)所示：


其中Ude為直流母線電壓，R為負(fù)載直流電阻，N1、N2分別為變壓器原邊和副邊的匝數(shù)。B為逆變器輸入電壓信號(hào)基波分量與輸出電流的相位差。

在串聯(lián)諧振回路中，輸出基波電壓和電流的相位差β南電路的工作頻率f、回路負(fù)載阻抗R、諧振電感L和電容C決定，其關(guān)系式為：


實(shí)際應(yīng)用中電路工作頻率約為110KHz，Ude和L都為已知量，根據(jù)上面分析的電路工作原理，把式(1)、(2)、(4)式代入式(3)可得輸出電流 10和負(fù)載阻抗Rp的函數(shù)式，在Rp取值在100 Ω到10k Ω之間時(shí)，我們利用Matlab仿真得Rp與IO的變化曲線如圖4所示。


已知回路的電流，可得負(fù)載Rp兩端的輸出電壓UO


由于IO是負(fù)載Rp的函數(shù)，所以由式(5)可知U0也是Rp的函數(shù)，在Rp取值在100 Ω到10k Ω之間時(shí)，我們利用Matlab仿真得到如圖5所示的Rp與U0的變化曲線。


由仿真曲線可知，在負(fù)載在一定范圍變化時(shí)，電流電壓基本成線性變化，以后逐漸趨于平緩，電流電壓特性不再受負(fù)載阻抗變化的影響。

本文提出的試驗(yàn)用高壓逆變電源已應(yīng)用于臭氧發(fā)生器電源，放電電壓、電流分別在1600V、4A左右，工作于平緩區(qū)域，電壓電流在負(fù)載阻抗的變化范圍內(nèi)基本保持不變。該逆變電源工作穩(wěn)定，并已經(jīng)產(chǎn)品化。

3 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)逆變電源，對(duì)高壓逆變電源負(fù)載變化對(duì)輸出參數(shù)的影響進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo)；根據(jù)理論分析，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行仿真，給出仿真波形；最后根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的逆變電源，證明了所給出理論分析、仿真的正確性。因此分析結(jié)果對(duì)逆變電源諧振回路的設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇具有實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

編輯：博子