LLC諧振恒流恒壓高壓充電電源技術(shù)研究

黃毛毛，李 瑞，李德明，魏居魁，武萬鋒

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201064；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201210；4.南京博蘭得電子科技有限公司，江蘇 南京 210014)

高壓脈沖調(diào)制器是電子加速器升能的主要設(shè)備，其脈沖電場(chǎng)在速調(diào)管[1]的作用下轉(zhuǎn)換為微波電磁場(chǎng)，通過波導(dǎo)與耦合裝置，能量被饋入直線加速器的加速腔內(nèi)加速電子。為得到穩(wěn)定微波輸出功率，脈沖電壓幅度的漂移需盡可能地小，才能提高直線加速器的電子束流穩(wěn)定度。高壓充電電源輸出電壓的穩(wěn)定性直接決定了脈沖電壓幅度的穩(wěn)定性，因此，本文擬對(duì)激磁電感、諧振電感、諧振電容(LLC)諧振電路的高壓充電電源技術(shù)進(jìn)行研究，以提高高壓充電電源輸出電壓的穩(wěn)定性。

1 恒流恒壓高壓充電電源

恒流高壓充電電源的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)電源結(jié)構(gòu)分為2部分：第1部分是AC/DC，將三相交流電整流變成直流電；第2部分由Buck變換器[2]、LLC諧振變換器和平面變壓器構(gòu)成。

圖1 高壓充電電源原理示意圖Fig.1 Principle diagram of high voltage charging power supply

電流反饋信號(hào)通過高精度直流電流互感器(DCCT)獲得，DCCT電流精度可達(dá)到額定電流10 ppm[3]。輸出反饋電壓通過高壓分壓器(ROSS工程公司)得到[4]。分壓器內(nèi)部充有絕緣氣體，壓力為6 MPa，分壓器電壓分辨率為0.01%。所有反饋器件的采樣精度均能滿足高壓充電電源的需要。

2 LLC諧振變換電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)變壓器實(shí)際測(cè)量的電感參數(shù)設(shè)計(jì)LLC變換器[5]，變換器由直流輸入電源、LLC變換網(wǎng)絡(luò)以及輸出部分組成，如圖2所示。根據(jù)基波分析原理可得到LLC變換器的等效電路，如圖3所示[6]。根據(jù)等效電路推導(dǎo)出等效電路電壓增益函數(shù)G(jω)，如式(1)所示：

(1)

其中：Lm為變壓器激磁電感；Lr為L(zhǎng)LC變換器諧振電感；Re為負(fù)載折算到原邊的等效電阻；Cr為L(zhǎng)LC變換器的諧振電容；ω為工作開關(guān)頻率的角頻率；j為虛數(shù)單位。

圖2 LLC變換器框圖Fig.2 LLC converter block diagram

圖3 LLC等效電路Fig.3 LLC converter equivalent circuit

根據(jù)LLC諧振電路分析，電路具有2個(gè)諧振頻率點(diǎn)fr1和fr2，其表達(dá)式如下：

(2)

LLC諧振電路電壓增益函數(shù)展開為式(3)：

G(jω)=

(3)

|G(jω)|=

(4)

根據(jù)傳遞函數(shù)可得到LLC變換輸入輸出的直流增益特性函數(shù)以及增益曲線(k=6.7)，如圖4所示。

圖4 LLC變換器增益曲線Fig.4 LLC converter gain curve

根據(jù)LLC諧振變換器的2個(gè)固有諧振頻率fr1和fr2與開關(guān)工作頻率fs的關(guān)系，LLC諧振電路可分為3個(gè)工作區(qū)間[7]。

1)fs≥fr1，電源處于電流連續(xù)工作模式，此時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗特性呈感性，電路功率管工作在零電壓導(dǎo)通(ZVS)狀態(tài)，此區(qū)間諧振電容Cr上的電壓基本等于輸入電壓，電路器件也易選擇；被動(dòng)態(tài)短路Lm不參與整個(gè)諧振過程，此區(qū)間電路工作在降壓模式，適合于電源負(fù)載重的工作模式。

2)fr2

3)fs≤fr2，電源工作在電流不連續(xù)工作模式，輸入阻抗特性呈容性，功率管不能工作在ZVS狀態(tài)，導(dǎo)致功率管損耗大，且諧振電容Cr電壓會(huì)充得很高，電容存在很大風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)反饋信號(hào)和頻率控制關(guān)系與其他區(qū)間的相反，易造成控制失控。所以一般避免讓電源工作在該區(qū)間。

根據(jù)增益函數(shù)可得到LLC變換器的增益曲線，根據(jù)增益曲線以及LLC變換器原理分析，在區(qū)間2，易因控制參數(shù)和負(fù)載參數(shù)的變化直接轉(zhuǎn)到區(qū)間3從而失去控制調(diào)整能力，所以設(shè)計(jì)變換器固定頻率工作在區(qū)間1[8]，即fs≥fr1區(qū)間。

3 LLC諧振變壓器設(shè)計(jì)

圖5 疊層磁芯變壓器電路Fig.5 Laminated core transformer circuit

LLC諧振高壓變壓器采用疊層磁芯結(jié)構(gòu)[9]，如圖5所示，此變壓器結(jié)構(gòu)在高壓絕緣處理方面較簡(jiǎn)單，如圖6所示，通過絕緣薄膜實(shí)現(xiàn)印刷電路板(PCB)之間的絕緣，每層絕緣薄膜耐壓只需考慮兩塊PCB間的電壓差。

圖6 疊層磁芯絕緣電勢(shì)分布Fig.6 Potential distribution of laminated core

高壓充電電源的最大輸出功率為25 kW，工作頻率設(shè)計(jì)為20 kHz。由于高壓變壓器采用疊層磁芯平面變壓器結(jié)構(gòu)[10]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，高壓變壓器磁芯能滿足面積乘積(AP)法的條件。由于AP法是按照功率選擇最經(jīng)濟(jì)的磁芯尺寸，而高壓變壓器主要考慮的是絕緣安全距離的要求。所以主要按照工作飽和磁通密度Bmax來校核變壓器磁芯尺寸，如式(6)所示：

1.414×380×1.07 = 574.9 V

(5)

(6)

式中：Uin,max為輸入電壓最大值；N1為變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)；kf為波形系數(shù)，輸入方波電壓時(shí)取1；f為工作頻率；Ae為變壓器磁芯截面積；Bmax為最大電壓時(shí)的工作飽和磁通密度。

根據(jù)趨膚效應(yīng)公式，銅導(dǎo)線工作頻率在20 kHz時(shí)，趨膚深度為0.461 mm，所以改用φ0.1 mm的細(xì)銅絲。根據(jù)5 A/mm2的電流密度選擇φ0.1 mm的線繞組需大于2 000根，選2UEW 0.1×2 500規(guī)格電纜。次級(jí)繞組PCB板布線銅箔的選擇：布線寬度選2 mm、布線厚度選0.072 mm。由于75 μm厚的聚酰亞胺薄膜耐受電壓大于15 kV[11]，所以用其進(jìn)行隔離分段磁芯，可輕易滿足PCB板之間和磁芯之間的耐壓。同時(shí)因?yàn)榇判痉侄卧黾恿舜判镜臍庀叮瑫?huì)造成磁芯激磁電感Lm較小，為提升激磁電感、減少激磁電流、增加初級(jí)線圈匝數(shù)，并滿足電壓變比，次級(jí)線圈需相應(yīng)增加匝數(shù)。綜合考慮，為平衡激磁電流和變壓器分布參數(shù)的影響，變壓器初級(jí)線圈取14圈，次級(jí)線圈單元取17匝，84個(gè)單元共1 428匝，總匝比ns=1∶102。磁芯的截面直徑為8 cm，所以磁芯的截面積Ae為50.24 cm2。次級(jí)匝數(shù)的增加，可通過PCB多層布線來彌補(bǔ)單面布線面積不足的問題12]，從而降低LLC諧振電路的工作頻率，功率器件和控制方式即可簡(jiǎn)化，進(jìn)而提高整個(gè)電源的可靠性。

對(duì)于多路氣隙的變壓器，由于通過計(jì)算公式不易得到變壓器的電感參數(shù)，根據(jù)變壓器絕緣薄膜層數(shù)的變化，通過電感電容電阻(LCR)測(cè)試儀器測(cè)量變壓器電感參數(shù)，結(jié)果示于圖7。由圖7可見，在絕緣薄膜層數(shù)為14時(shí)，變壓器的初級(jí)激磁電感Lm為432 μH，漏電感Lr為66 μH。

圖7 變壓器電感參數(shù)Fig.7 Inductance parameter of transformer

4 LLC諧振變換器電路計(jì)算

LLC諧振變換器采用IGBT功率管，電路的工作頻率fs選為20 kHz。根據(jù)LLC電路工作模式和諧振頻率，選擇Cr為1.36 μF(2個(gè)0.68 μF的電容并聯(lián))，諧振頻率fr為16.8 kHz；根據(jù)LLC諧振3個(gè)工作區(qū)間分析，工作頻率大于LLC諧振電路的諧振頻率，從而使整個(gè)諧振電路工作在第一區(qū)間，保證LLC諧振變換器工作在ZVS區(qū)域，LLC變換器諧振電流和激磁電流波形示于圖8。

圖8 LLC變換器諧振電流和激磁電流波形Fig.8 Resonant current and excitation current waveforms of LLC converter

(7)

假設(shè)諧振電流波形為：

Ir(t)=Ipsin(2πfrt+θ)

(8)

圖9 高壓輸出電流紋波波形Fig.9 High voltage output current ripple waveform

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 疊層變壓器整體Fig.10 Overall laminated transformer

高壓充電電源結(jié)構(gòu)分為2部分。第1部分是AC/DC，將三相交流通過升壓變壓器整流變成直流電壓；第2部分是Buck變換電路、LLC諧振變換電路和變壓器，整流輸出電壓通過Buck變換器穩(wěn)壓，經(jīng)LLC諧振變換器由升壓變壓器輸出直流高壓。LLC諧振功率管采用FF300R12me4，工作在20 kHz頻率下能滿足電源要求；輸出負(fù)載電容為0.5 μF，2個(gè)22 nF濾波電容并聯(lián)后7組串聯(lián)，均壓并聯(lián)電阻為6.37 MΩ，功率損耗為400 W；全橋電路工作在LLC諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整流碳化硅二極管零電流開通和關(guān)斷[14]，同時(shí)在輸出PCB板上增加二極管焊盤的覆銅面積，有助于改善整流二極管的溫升[15]。高壓充電電源的主電路設(shè)計(jì)和主功率電路的搭建示于圖10，因輸出負(fù)載功率不足，電源實(shí)際輸出為50 kV、電流為331 mA的信號(hào)波形，如圖11所示。在此高壓輸出條件下完成了測(cè)試，采用Keithley2701配合7700多路采集卡(采樣時(shí)間10 ms/次)、分壓電阻為10 000∶1的Metallux.de精密分壓器搭建的測(cè)試平臺(tái)示于圖12。由于脈沖高壓充電電源工作的重復(fù)頻率為2 Hz，所以整個(gè)電源穩(wěn)定性主要關(guān)注恒壓階段500 ms內(nèi)輸出高壓的穩(wěn)定性。50 kV電壓的輸出波形示于圖13。由圖13可知，恒壓時(shí)輸出電壓穩(wěn)定性達(dá)78.5 ppm。

圖11 高壓充電電源50 kV時(shí)的輸出波形Fig.11 Output waveform of high voltage charging power supply at 50 kV

圖12 高壓穩(wěn)定性測(cè)試平臺(tái)Fig.12 Stability test platform of high voltage

圖13 50 kV電壓輸出波形Fig.13 50 kV output voltage waveform

6 結(jié)語(yǔ)

LLC諧振變換電路結(jié)合疊層磁芯變壓器，實(shí)現(xiàn)了高壓充電電源高穩(wěn)定性電壓輸出。但整個(gè)電源結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)繼續(xù)深入研究調(diào)整電源控制方法，采用脈沖調(diào)制(PFM)直接控制LLC諧振電路實(shí)現(xiàn)恒流恒壓控制和不同負(fù)載情況下的高壓穩(wěn)壓輸出，簡(jiǎn)化高壓充電電源結(jié)構(gòu)，提高電源的可靠性。

隨著脈沖高壓電源工作頻率的增加，通過研究提高LLC諧振變換電路開關(guān)頻率來提高充電電源的充電響應(yīng)速度，滿足脈沖高壓充電電源的需求。