淺談除塵電源電路拓撲設計

蔣正榮 黎佳慧 張慧岳 劉云波

摘 要：隨著對環保的重視以及對健康的要求，靜電除塵器被廣泛應用于工業以及家庭空氣凈化中。除塵電源是電除塵系統的心臟，對除塵系統工作效率有重要影響。LCC變換器兼具了SRC和PRC的優點，適用于高電壓輸出場合。倍壓整流電路可以降低變壓器的變比，減小其雜散參數，有利于開關電源的高頻化和小型化。根據需求選用倍壓整流電路和LCC變換電路作為主電路拓撲。

關鍵詞：除塵電源；諧振變換器；倍壓整流；拓撲設計

隨著人們環保意識日益加強，以及對健康要求的不斷提高，大到火力發電、金屬冶煉、水泥生產等工業領域，小到家庭油煙除塵等，靜電除塵裝置的需求越來越大。除塵電源是靜電除塵系統的心臟，其性能好壞將直接影響到除塵裝置的效率。

一、靜電除塵電源的發展現狀

隨著對除塵裝置節能性、經濟性、和效率要求的提高，除塵電源向著小型化、高頻化不斷發展。除塵電源在發展史上主要經歷了如下變化：從單相供電到三相供電[1]；從工頻調壓到高頻逆變[2]；從單一供電模式到混合供電模式[3]。供電方式的改變提高了除塵電源的功率因數，減小了供電電壓脈動，進而提高了除塵效率，更利于節能環保。同時，三相供電的應用以及混合供電模式的采用使得除塵電源能夠更好的適應不同粉塵濃度，不同工況，以保證最大的除塵效率。開關頻率的提高使得設備進一步小型化、高效化、經濟化成為可能。高頻開關電源控制方式的靈活性和系統動態響應的快速性都使輸出電壓的紋波可以控制的很小，極大的提高了除塵效率，并在不同的除塵工況中適應良好。

二、諧振變換電路拓撲選擇

眾所周知，在高頻情況下，作為核心器件的高壓變壓器其雜散參數將會對開關電源產生不可忽略的影響。如果直接將變壓器接在傳統的PWM變換電路中，其漏感將會導致過電壓，損壞電路的元器件；其分布電容也會與電路中的雜散電感產生諧振，增加了輸出紋波并會產生很大的原邊環流，降低了PWM變換器的工作效率。而諧振變換器則很好的規避了這一問題，它利用變壓器的分布參數，使其漏感和分布電容參與到電路諧振中，更容易實現全負載情況下的ZVS或ZCS，降低IGBT或MOSFET的損耗，提高變換器的工作效率。根據參與諧振元件的不同，常見的諧振變換器拓撲有三種：（1）串聯諧振變換器（SRC）；（2）并聯諧振變換器（PRC）；（3）串并聯諧振變換器（SPRC）。根據參與諧振元件的差異，串并聯諧振變換器又可細分為LCC諧振變換器和LLC諧振變換器。各諧振變換器拓撲如下所示：

（1）串聯諧振變換器。諧振電感Lr和Cr構成了諧振腔。其中諧振電容可以同時作為隔直電容使用，防止變壓器直流磁化，避免磁路不平衡。在輕載工作下，SRC電路還有輸入側環流小，工作效率高的優點。而且在一定工作頻率下，SRC電路會呈現出恒流特性，具有固有的抗短路能力。串聯諧振變換器的缺點也十分明顯，它的電壓調節性能很差，在CCM工作模式PFM電壓調制方式下，空載情況時無法控制輸出電壓。同時在高頻變壓器匝比為1時，其電壓傳輸比小于1。因此串聯諧振變換器多用于諸如恒流充電等要求輸出為恒流的場合。

（2）并聯諧振變換器。相對于SRC電路，PRC電路的顯著優點就是空載情況下，在CCM工作模式中可以通過PFM電壓調制的方法控制輸出電壓。并且相對于SRC電路，PRC電路的電壓增益較大，當變壓器的變比為1時，電壓增益大于1。可是PRC電路回路電流隨負載變化較大，尤其在輕載狀況下輸入側環流大，變換效率低下，并且需要加入隔直電容來避免磁路的不平衡。因此并聯諧振變換器適用于低壓大電流且負載變化不大的場合。

（3）串并聯諧振變換器。串并聯諧振電路兼具了SRC和PRC諧振變換器的優點，克服了它們的缺陷，并且使高頻變壓器的雜散參數參與到諧振中，可以減少元件數量，更容易實現IGBT等開關管的ZVS和ZCS，減小了損耗，使進一步提高開關頻率成為可能，從而減小設備的體積和成本。常見的三階SPRC電路可細分為LCC諧振變換器和LLC諧振變換器兩種。由于高頻變壓器變比較大，在高壓工作場合，其雜散電容對LLC諧振變換器的影響不可忽視。變壓器分布電容的微小改變都會引起LLC諧振電路工作狀態的不穩定，因此LLC一般多用于低壓場合。相對而言LCC諧振變換器由于直接利用了高頻變壓器的雜散電容作為諧振參數，參與到諧振工作中來，克服了LLC諧振電路變壓器雜散電容過大的問題，降低了變壓器設計難度，更適合于高壓場合。

三、高壓整流電路拓撲選擇

高壓整流濾波電路影響著整個諧振變換器的紋波系數和升壓部分的設計。常見的整流電路有四種：半波整流、全波整流、全橋整流電路以及倍壓整流電路。如下圖所示。

（1）半波整流電路。半波整流電路直接利用了二極管的正向導通反向截止特性，保留了交流電正半周期波，濾除了負半周期波，利用電容穩壓，輸出直流電。半波整流電路應用于對電源要求不高的系統，現在已經很少采用。

（2）全波整流電路。全波整流電路是在半波整流電路的基礎上改進而來，它在變壓器副邊多增加了一組繞組，這樣就實現了對負半周波的利用。較半波整流電路，其具有紋波小的優勢，但是存在變壓器副邊繞組利用不充分的缺陷，并且變壓器需要引出中心抽頭，生產麻煩，且整流管承受的最大反向電壓大。因此，多用在輸出電壓要求不高且輸出電流較大場合。

（3）全橋整流電路。全橋整流電路同樣是利用整流二極管的單向導通性。輸出電壓相同時，整流管承受的最大反向電壓僅為全波整流電路的一半。它具有電路結構簡單，變壓器副邊繞組利用率高，無中間抽頭，生產簡單等優點。因此全橋整流電路在高電壓輸出場合得到了廣泛的應用。同時，還可以采用多級整流二極管串聯的形式來減小對單個二極管的耐壓要求，從而降低了電源系統成本。

（4）倍壓整流電路。常見的倍壓整流方式有兩種：格富納赫爾型倍壓整流和安維拉德倍壓整流。輸出電壓相同時，前者電容上承受的電壓更小，僅為后者的一半，且前者的電路結構更為簡單、維護方便、體積小，更加經濟。但是同時前者也具有輸出電流較小、電壓脈動較大以及電壓降落較大的缺點。倍壓整流電路是利用電容的儲能作用和整流管的正向導通反向截止特性得到較高電壓的直流電。倍壓整流電路可以減低變壓器的變比，從而讓變壓器參數設計相對放寬，解決了升壓變壓器原副邊匝數比過高所引起的電流、電壓峰值問題，對變壓器的絕緣設計要求以及整流二極管的耐壓要求均大幅度降低。同時因為減小了變壓器寄生參數，所以減輕了高頻變壓器的設計制造難度，以及器件承受的電應力，器件的選擇余地也變寬了。更小的變壓器雜散參數也為進一步提升開關頻率創造條件，有利于開關電源的高頻化和小型化。

四、結論

綜上所述，結合除塵系統的實際需要，考慮到高電壓輸出，高工作效率，小體積以及低成本的要求，除塵電源采用LCC諧振變換電路和格富納赫爾倍壓整流電路作為除塵電源的主電路。

參考文獻：

[1]謝廣潤，陳慈萱.高壓靜電除塵器[M].北京：水力電力出版社，1993.

[2]盛立丞.靜電除塵器高頻電源控制系統研制[D].杭州：浙江大學，2010.

[3]劉軍，石健將.靜電除塵電源的發展[J].環境工程， 2008.10，26（15）：44-46.

作者簡介：蔣正榮（1967-），男，湖北人，副教授，博士，研究方向為電力電子技術、電能質量與電磁仿真；黎佳慧（1992-），女，陜西人，在讀研究生，專業：電氣工程。