LCC高頻諧振技術及其在大功率X射線源中的應用分析

徐陳勇

（公安部第一研究所，北京100048）

0 引 言

LCC高頻諧振變換器具有軟開關特性，能夠減少開關損耗，具有抗負載開路、短路特性，其在安檢領域高壓X射線源應用中能夠減小由高壓打火放電造成負載劇烈變化對整個X射線源甚至整個設備的損害。本文首先介紹了LCC高頻諧振技術，然后對其在大功率X射線源中的應用做了相關分析。

1 LCC高頻諧振軟開關變換器原理

由于變壓器的制造工藝影響，變壓器會存在一定的寄生參數。在高頻逆變電路中，這些寄生參數如果處理不好就會對電路的正常工作造成較大的影響。LCC高頻諧振變換器合理利用了高頻變壓器的漏感Ls、繞組層間的寄生電容Cp，使得這些寄生參數成為了對變換器工作有利的因素，LCC高頻諧振逆變拓撲是利用電感和電容串并聯諧振特點來實現高效逆變，基本結構如圖1所示。

圖中S1～S4為變換器開關管，D1～D4分別為開關管S1～S4上的反向并聯二極管，Lr、Cs、Cp分別為諧振槽的串聯諧振電感、串聯諧振電容、并聯諧振電容，T為變比是n的高頻變壓器，D11～D14為高頻整流二極管，Co為輸出電容，Ro為負載電阻。

圖1 系統結構圖

其中Lr、Cs、Cp構成整個電路的諧振槽，諧振頻率公式為：

諧振電容Cr由Cs、Cp決定。

LCC高頻諧振逆變器具有諧振電流斷續（DCM）和諧振電流連續（CCM）兩種工作模式。在諧振電流斷續（DCM）狀態下，設計合理的開關頻率和諧振參數可以使逆變器工作在恒流源和軟開關狀態下，保證充電效率和減小開關管的開關損耗［1］。為實現軟開關，一般選擇DCM的狀態，同時設計諧振頻率fr＞2fs開關頻率。在這個頻率下根據開關管S1、S4（S2、S3）開通瞬間，并聯諧振電容Cp上的電壓是否被輸出電壓所鉗位分為兩種工作模式：一是Cp上的電壓在開關管導通前被箝位的諧振電流雙脈沖輸出模式；二是Cp上的電壓在開關管導通前沒有被箝位的諧振電流單脈沖輸出模式［2］。由參考文獻［3］可以知道，雙脈沖模式的開關脈沖寬度更易確定，有利于簡化控制，由文獻［3］［4］可知，模式二的開關脈沖寬度更易確定，利于簡化控制。根據文獻［3］的模式二波形圖得到各個階段的工作狀態并推到輸出電壓Uo公式如下：

從表達式（2）可知，在硬件設計確定后，變壓器變比n，諧振參數Lr、Cs、Cp、負載Ro、輸入電壓Uin全部固定為一個常數，高壓輸出Uo只和逆變頻率fs形成一定關系，所以在LCC逆變控制技術中對Uo的控制一般是采用固定調制脈寬，通過調節頻率的方式來進行的，即PFM技術。

2 X射線源中的應用分析

目前安檢領域X射線源的總體功率都很小，其范圍為100 W～500 W，所以其升壓逆變拓撲形式主要是全橋硬開關高頻逆變。逆變開關管工作在硬開關狀態，其開關損耗很大，另外在大功率輸出時，流過開關管的電流很大，電流拖尾嚴重，容易發生逆變短路故障，設備的可靠性也大大降低。同時X射線源在高壓打火、放電的情況下，就會出現負載瞬間劇烈波動，極限后果就是出現負載短路，若出現X射線管燈絲斷裂損壞則負載直接開路。劇烈的打火、放電會直接導致X射線源內部高壓變壓器、高壓硅堆、高壓電容損壞，嚴重時直接損壞前級的射線源控制板，甚至上級的計算機設備。為了避免由于X射線源高壓打火、放電等情況對功率變換部分及其他電路造成損害，在設計X射線源功率電路時就必須解決好X射線源高壓打火、放電問題。

在特定的工作模式下，LCC高頻諧振變換器具有軟開關特性，在大功率的逆變場合具有大幅度較小逆變開關損耗，提高逆變效率和可靠性等優點，同時其具有天然的抗負載劇烈變化特性，包括負載短路和開路都有很好的抵抗能力。這些優點恰好能夠克服X射線源在高壓打火放電過程中出現的負載劇烈變化對整個X射線源甚至整個設備的損害，同時，針對大功率X射線源的逆變能大幅度減小開關損耗。該拓撲在大功率X射線源中的應用具有一般硬開關拓撲不具有的優勢，在設計中引入LCC高頻諧振逆變器方案完全滿足要求。

3 總 結

本文簡單介紹了LCC高頻諧振變換器的基本技術，根據其軟開關變換、抗負載劇烈變化等優勢與安檢領域中大功率X射線源的設計需求進行分析。通過對比分析得到LCC高頻諧振變換器完全滿足大功率X射線源的設計需求，并且能夠進一步提高X射線源的可靠性，這為后續特大功率X射線源設計提供了參考。

［1］任珊珊.高頻諧振型靜電除塵器負載閃絡識別與處理技術［D］.秦皇島：燕山大學，2012：28-29.

［2］羅廷芳，孟志強.LCC串并聯諧振充電高壓脈沖電源設計［J］.電子技術應用，2010，36（9）：80-82.

［3］劉 軍.LCC-SPRC高壓高頻大功率電除塵電源的理論分析與功率參數設計［D］.杭州：浙江大學，2010.

［4］Batarseh I，Liu R，Lee C Q，Upadhyay A K.Theoretical and experimental studies of the LCC-type parallel resonant converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1990，5（2）：140-150.