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高压直流电源关于功率因数校正技术介绍

2021-11-26 16:17 公司动态 已读

  基于 LLC 谐振转换器的具有功率因数校正功能的高压直流电源 (HVDCPS) 的分析、设计和实验。为了改善功率因数校正,建议的拓扑具有一个带两个滤波电容器的输入整流器、两个带有总线电容器 (Cbus) 的电感器和一个谐振回路。为了防止反向电流流向源极二极管(D9和D10)。

  高压直流电源广泛应用于粒子加速器、静电沉淀和高压脉冲发生器、束柱聚焦离子、激光、X 射线系统、电子显微镜以及许多其他应用,如工业、在科学研究和测试实验室。一些 HVDCPS 生成模拟输入,可用于控制输出电压

  此外,高压直流发电机在不同领域几乎没有其他应用,例如过滤各种气体和灰尘、静电喷漆或涂层和沉淀。这些类型的机制需要非常大的电平电压才能进行适当的过程。

  描述结构和构造,高压直流电源由带滤波电容器的二极管整流器、更大频率的逆变器、高频高压变压器(HVT)以及与高压整流器一起使用的控制器和滤波电容器组成。在这些元件中,HVT 是非常复杂的部分,它对电源的性能影响巨大。由于它包含更高的匝数比,因此为了在初级绕组和次级绕组之间获得有效的合适绝缘电压,足够的几何距离是必不可少的。这些绝缘要求加剧了变压器的非理想性,包括寄生电容和漏感,这些会导致电流和电压的尖峰,并增加噪声和损耗。

  为了将这些非理想性用作有用的元件,早期的研究人员提出了几种类型的转换器,例如并联谐振转换器 (PRC)、串并联谐振转换器 (SPRC) 和串联谐振转换器 (SRC)。

  这些转换器之一是 LLC 谐振转换器,由于其简单的结构是最有用的转换器拓扑结构,并且还具有许多其他优点。它没有变压器饱和,允许容性输出滤波器,零电压开关,零电流开关,在较高频率下开关损耗较小,还可以吸收变压器的漏电感[ 21 ]。由于 LLC 谐振转换器的正弦特性,与并联谐振转换器 (SRC) 和串并联谐振转换器 (SPRC) 相比,LLC 谐振转换器的损耗大大降低,问题更少。因此,LLC SRC由于其良好的工作特性和较高的工作频率范围在过去几年中受到了极大的关注。

  在建议的谐振拓扑中,LLC 谐振转换器被设计为在谐振以下运行,以便收集零电压开关 (ZVS) 。在该工作区域中,次级桥式整流器的输出二极管在零电流开关 (ZCS) 下导通和关断,从而降低了开关损耗。由于 ZCS 和 ZVS,获得了很好的功率因数,因此所提出的拓扑结构的整体效率得到了提高。为了采用恒定输出电压应用,许多作者一直在分析 LLC 谐振转换器。

  在建议的论文中,提出了一种使用半桥谐振转换器进行功率因数校正的高压直流电源的具体设计,该电源可以产生 1.5KV 的输出电压。通过使用称为 PSPICE 的仿真工具来测试所提出电路的仿真。通过改变脉冲宽度调制 (PWM) 的频率来调节输出电压的幅度,该频率应用于 MOSFET 的栅极端子。

  说明及工作原理

  用于设计具有功率因数校正拓扑的高压直流电源的建议系统可以通过电路图进行详细说明,如图 1所示. 建议的设计由一个输入整流器 (D1-D4) 和两个滤波电容器 (C1 & C2)、两个电感器 (Lf & Lb)、两个二极管 (D9 & D10)、一个总线电容器 (Cbus)、一个更大的频率具有 LLC 谐振回路的逆变器、高频高压变压器 (HVT)、具有输出滤波电容器 Co 的高压次级整流器以及连接在输出端的电阻负载。这里,HVT 的漏电感 Lm 统一为有用的元素。Cds1 和 Cds2 分别是电源开关 S1 和 S2 的输出寄生电容。电源开关 S1 和 S2 连接在一个单腿形式的半桥逆变器中。输入整流器通过两个滤波电容器 (C1 & C2)、一个电感器 Lf 和两个二极管 (D9 & D10) 连接到总线电容器 (Cbus)。功率 MOSFET 通过谐振电容器 Cr、磁化电感器 Lm 和谐振电感器 Lr 跨变压器的初级绕组连接。谐振槽的形成是通过按上述方式排列 Cr、Lr 和 Lm 来实现的。在HVT的二次侧,高压全桥整流器(D5-D8)和输出阻性负载通过滤波电容Co串联。

高压直流电源关于功率因数校正技术介绍

  半桥逆变器通过以大约 50% 的占空比交替进行切换来产生方波电压,这恰好是等效的时间。实际上,在打开和关闭电源开关(Q1 和 Q2)的瞬间之间插入了一个小的死区时间。这个死区时间对于转换器更好的运行是非常必要的。可以肯定的是,功率开关 Q1 和 Q2 之间不会有交叉传导,在下一节中也会对此进行说明。该死区时间允许实现 ZVS。Cbus 电容器用作开关网络的输入直流电源,将直流输入电压转换为方波,幅度等于 Vin 和固定的占空比。
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  稳态分析

  设计的转换器的完整稳态波形如图3所示。建议的转换器的完整操作周期分为八种操作模式。这里只详细阐述前半个周期的操作,因为下半个周期的操作也与第一个周期对称。图 2中所示的等效电路相应地表达了每种操作模式。

高压直流电源关于功率因数校正技术介绍


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