LCC諧振式微波應用器高效連續電源研究*

陳正標，楊 彪，2，王世禮

（1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明650500；2.昆明理工大學教育部非常規冶金重點實驗室，昆明650093）

LCC諧振式微波應用器高效連續電源研究*

陳正標1，楊 彪1，2，王世禮1

（1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明650500；2.昆明理工大學教育部非常規冶金重點實驗室，昆明650093）

驅動微波應用器磁控管需要直流高電壓大功率電源，傳統中通過電源變壓器升壓、整流、濾波處理的過程具有效率低，設備體積大等不足。開關電源技術的應用克服了這些缺點，但在實際應用中，開關管的導通與關斷過程會產生功率損耗，為了降低損耗，提高工作效率，提出一種采用串并聯結構的LCC諧振型全橋變換器的微波應用器驅動電源設計方案。實驗表明，該方案能顯著提高微波應用器驅動電源的效能和降低電磁干擾。采用該方案設計的驅動電源可有效改進微波應用器中微波功率控制的連續性，實現微波應用器腔體內溫度的連續控制。

微波應用器；開關電源；功率損耗；軟開關；LCC諧振；連續控制

1 引言

微波應用器使用220伏交流電進行供電，但磁控管需要幾千伏的直流電壓進行驅動，這一變換過程由電源變換電路來實現，但傳統的采用變壓器升壓和整流的電源變換電路效率非常低，同時系統體積也非常大[1]。為了提高系統電源驅動效率，減小電源體積，采用了開關電源技術實現對磁控管的驅動，利用開關電源技術不僅可以大大提高電源轉換效率，同時也可以減小電源體積。但是，在使用開關電源后，輸出電壓信號的紋波和電磁干擾都比較大，這將影響系統中信號轉換、信號處理等電路的穩定工作，這需要電源變換電路在實現高效率的同時還要實現低電磁干擾，以保證整個系統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結構的LCC諧振型全橋變換器的微波應用器驅動電源設計方案。該方案結合了串聯諧振變換器和并聯諧振變換器的優點，實現了在諧振腔內沒有較大能量的循環流動，并且在輕載時也能輸出穩定電壓的電氣特性。

2 軟開關技術

在理想狀態下，開關電源中的開關管是沒有損耗的，因為當開關管導通時，開關管兩端的電壓為零，當開關管關斷時，流過開關管的電流為零。但在實際情況下，開關管導通過程中，電流緩慢上升，電壓緩慢下降；在開關管關斷過程中，電流緩慢下降，電壓緩慢上升。在這一升一降的過程中，開關管中既有電流通過，兩端又有電壓，這就在開關管上產生了功率損耗，電源功率越大，這種損耗就越大；開關頻率越高，累計損耗就越多[2]。并且在開關管開關過程中，由于di/dt和dv/dt都很大，將產生很強的電磁干擾，這些問題都嚴重影響了電源穩定性，阻礙了開關電源的廣泛使用，因此必須將開關電源的開關損耗降低。通過上面分析，開關損耗主要集中在導通和關斷的瞬間，可分別稱之為開通損耗和關斷損耗[3]。對于開通損耗，降低的方式有：①在開關管開通前先將其電壓降至零，即零電壓開通；②在開通過程中，保持其電流始終為零，或者限制其電流的上升率，即零電流開通；③同時做到零電壓開通和零電流開通。同理，對于關斷損耗也可以采用同樣的方式：①在關斷前使其電流降低到零，即零電流關斷；②在開關管關斷過程中，始終保持電壓為零，或者限制電壓的上升率，即零電壓關斷；③同時做到零電壓關斷和零電流關斷。將這些降低開關損耗的方式統稱為軟開關技術[4]。

3 串并聯LCC諧振型全橋移相變換器原理分析

采用基于串并聯結構的LCC諧振型全橋變換器,電路如圖1所示，由開關管Q1、Q2、Q3、Q4構成諧振橋，開關管內部集成有反向二極管，起到續流作用，同時在每個開關管兩端都并上一個小電容，用于限制開關過程中開關兩端電壓的突變。諧振回路由一個電感、兩個電容串聯而成，高頻升壓變壓器的初級和Crp并聯，次級通過一個二極管整流器和負載相連，同時整流輸出由一個耐高壓電容Co對電壓信號進行濾波[5]。開關管的控制信號通過微控制器產生，4路控制信號頻率都相同，并且都是占空比為50%的方波信號。其中Q1和Q2、Q3和Q4的控制信號為互補關系，兩組信號之間有一定的相位差，微控制器就是通過控制輸出信號的相位差來實現對輸出電壓的控制。

圖1 LCC串并聯諧振變換器電路原理圖

針對上面的電路分析，先假設所有元件都為理想的，流過電感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，可以等效為一個電壓源。開關管的開關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、諧振電流ILr等的波形如圖2所示。

圖2 諧振過程主要波形圖

根據圖2，諧振變換器的工作過程分為8個階段，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LCC諧振型全橋移相變換器參數設計

電源驅動電路中需要確定的參數有諧振電感Lr，串聯諧振電容Crs，并聯諧振電容Crp,以及高頻變壓器的變比n等，不同的負載情況確定不同參數。本設計中的負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。根據額定電壓和額定電流可以計算出等效電阻RO。

根據Uout=4650 V，Iout=0.45 A，等效負載電阻10.33K：

根據開關管的開關速率情況確定系統中的開關頻率為20KHz，即Uab為20KHz方波信號，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線接入到高頻變壓器的初級，高頻變壓器的次級通過整流橋，將交流信號變為脈動的直流信號，然后通過電容進行濾波并驅動負載工作。通過觀察變壓器初級兩端的電壓和電流信號，并將它們進行傅里葉變換，得到電壓信號和電流信號的基波，不難發現電壓信號和電流信號存在一定的相位差，并且是電流超前電壓一定角度。若從高頻變壓器初級向負載端看，將其等效為一個二端網絡，那么這個二端網絡呈現容性，可以用一個電容Ce和一個電阻Re的并聯電路進行等效。等效圖如圖11所示，圖中的uAB1為uAB的基波分量，通過傅里葉級數運算，可以得到：

圖11 RC等效電路

設二極管的導通角為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、并聯電容的關系：

并且通過推導可以得出變壓器初級電壓和電源相位差θ和導通角的關系如下：

通過Matlab繪制的圖形如圖12所示。

圖12 相位與導通角關系圖

從圖可以看出，不管高頻變壓器次級的整流橋導通角α為何值，變壓器初級的電壓和電流的相位差始終小于0，即電壓滯后于電流。說明從變壓器初級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諧振電容兩端電壓的關系如下：

假設電路的轉換效率為100%，那么輸出功率應該等于輸入功率，即

可以得到：

設占空比D=0.5，本設計中諧振電感上的電流量最大值為：

又由于只有在并聯諧振電容兩端電壓被鉗位時，整流橋導通，高頻變壓器才能進行能量傳送，那么輸出電流可以表示為：

可以得到：

若假設串聯諧振電容上的電壓為500V,可得：

在將變壓器初級右邊的電路等效為RC網絡后，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的表達式為：

根據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：

根據上式可以求出Lr=250μH。

5 電路仿真和驗證

根據實際需求，對電路中各元件的參數進行設計，根據設計參數用PSIM進行仿真，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定在4.65 KV左右，跟設定的輸出電壓一致，表明電路參數的設計是正確的，這對LCC諧振變換器的參數設計具有指導意義。

根據已知公式可以得到增益表達式：

圖13 輸出電壓曲線

利用上式，通過Matlab可得到占空比和增益的關系曲線圖，如圖14所示。

圖14 占空比與增益關系曲線

6 結束語

運用LCC諧振網絡實現軟開關技術，使開關管在狀態切換過程中實現零電壓開關和零電流開關以降低開關損耗。實驗表明，采用該方案后，具有了串聯諧振變換器和并聯諧振變換器的優點，實現了在諧振腔內沒有較大能量的循環流動，并且在輕載時也能輸出穩定電壓的電氣特性，從而能顯著提高微波應用器驅動電源的效能并降低電磁干擾，可有效改進微波應用器件中微波功率控制的連續性，實現微波應用器腔體內溫度的連續控制。

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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

昆明理工大學引進人才科研啟動基金項目（KKSY201503006）

陳正標（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：冶金多物理場耦合分析及數值計算、多源饋能效能評估、特種場冶金智能控制。

2016-07-01