學霸的科技帝國 第232章 發生器【文科生勿點】

本發明涉及的是一種開關電源，具體是采用多電平逆變器的、高頻的、基于諧振軟開關的高壓直流電源。

背景技術

高壓直流電源在靜電除塵、高壓電容充電和醫療影像等設備中有著廣泛的應用。傳統的高壓直流電源通常采用晶閘管相控整流后用工頻變壓器升壓的供電方案。但這種低頻的供電方式使得變壓器和濾波器件的體積、重量比較大，而且電源的輸入、輸出端都含有大量難以濾除的低次諧波。近年來，隨著新一代功率器件(如igbt、mosfet等)的廣泛應用，微處理器的速度進一步提高，高頻逆變技術也越來越成熟，為研制一種高性能的大功率高壓直流電源創造了條件。

高頻化可以使得高壓電源裝置小型化、輕量化，但同時開關損耗也會隨之增加，電能效率嚴重下降，電磁干擾也增大了，所以簡單的提高開關頻率是不行的。在大功率高壓直流電源應用場合，由于常規pwm(pulsewidthmodulation，脈寬調制)時，開關管工作于硬開關的狀態，電磁干擾較大，開關管損耗和損壞幾率較大，不利于進一步提高開關頻率，同時也影響了電源的穩定性和效率。針對這些問題，提出了軟開關技術，它利用諧振為主的輔助換流手段，解決了電路中的開關損耗和開關噪聲問題，使開關頻率可以大幅度提高。

經對現有的技術文獻檢索發現，《基于諧振軟開關的大功率高壓直流電源》利用功率主回路中高頻變壓器的漏感和外加電容構成串聯諧振電路，可以改善開關管的開關環境，采用pam(脈幅調制)和pfm(脈頻調制)相結合的調制方式。pam控制利用晶閘管相控整流電路調節直流母線電壓來調節輸出功率，pfm控制通過改變逆變電路的工作頻率來調節輸出功率。pam控制晶閘管相位，會產生開關損耗，而且晶閘管的開關頻率較低，也就決定了pam無法快速響應；pfm只能消除開關管開通時或關斷時的單一損耗，開關頻率較高時。開關損耗仍然較高，對開關頻率仍有一定的限制。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種基于諧振軟開關技術的高壓直流電源，可完全消除逆變器的開關損耗和高頻不可控整流電路的整流損耗。整個電源系統控制策略簡單、效率高，輸出的電壓波動小、響應快。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括：工頻不可控整流器，該整流器被配置來給逆變器穩定的輸入電壓；逆變器將輸入的穩定直流電壓轉換為多種脈沖電平輸出，用來對串聯諧振的幅度進行調整；串聯諧振電路由外加電容與變壓器的漏感組成。如果變壓器的漏感不足，可外加電感，將逆變器輸出的脈沖電平轉換為正弦波形，以便于變壓器升壓；高頻不可控整流器對高頻高壓正弦電壓整流，n級整流器的串聯作用可使輸出直流電壓升高n倍。

所述的工頻不可控整流器是對電網電壓整流，包含的整流器數量由逆變器的輸出電平數量決定。整流器以串聯連接，低頻變壓器的次級雙繞組保證各整流器中的電流、電壓相位相同，相應的二極管同時導通，使得串聯電容組均壓充電。

所述逆變器的開關頻率高，采用軟開關控制以消除高頻開關損耗。逆變器增加一個開關管。輸入直流電壓有兩種。根據開關管不同的導通方式，逆變器的輸出有5種狀態，分別為2正向諧振、1正向諧振、自由諧振、1反向諧振和2反向諧振。逆變器輸出狀態概括為正向諧振、自由諧振和反向諧振。正向諧振是逆變器輸出的脈沖電壓方向與諧振電流方向相同，對諧振電流起到加強作用；自由諧振是逆變器輸出脈沖電壓為零，對諧振電流無影響；反向諧振是逆變器輸出的脈沖電壓方向與諧振電流方向相反，使得諧振電流減弱。同一狀態，諧振電流的不同方向對應不同的開關導通方式。在諧振電流的過零點切換開關管的狀態，以使得開關損耗為零，且開關頻率與串聯諧振頻率始終保持相同。根據檢測的電容電壓、諧振電流和輸出電壓，逆變器的5種狀態按照仿真得到的決策曲線決定下一時刻的輸出狀態。每種狀態的作用周期設置為串聯諧振周期一半的整數倍。

所述串聯諧振電路由外加電容器和變壓器的漏感串聯組成。.如果變壓器的漏感不足，可外加電感。電容器與電感的容量確定，串聯諧振頻率和逆變器的開關頻率也確定。電容器與電感的容量選取由逆變器的開關管的耐電壓和耐電流情況和不可控整流器所要求的電容器充電速度決定。電感值與諧振電流峰值反比例，與整流器的電容器充電速度反比例。電容器電壓只與諧振頻率有關。

所述高頻不可控整流器對高頻變壓器輸出的高壓交流電整流，輸出高壓直流電壓。輸出電壓提高的倍數由高頻變壓器初、次級匝數比，次級繞組數量和每個次級繞組連接的整流器級數決定。變壓器每個次級繞組連接多級整流器，不同次級繞組連接的整流器之間串聯。次級繞組連接的多級整流器增加電容器，且連接到各級整流器的電容器容量相同，所流過的電流為零時。各整流器的相應二極管同時導通，保證各串聯電容器均壓充電，且無整流損耗。

高頻變壓器升壓倍數不變的情況下，次級兩個繞組的匝數和不變，即高頻變壓器不會因此增加容量和體積。高頻變壓器輸出的是高壓高頻交流電，高頻不可控整流器中的二極管須采用快速二極管。輸出電壓由多個電容器串聯提供，每個電容器的耐壓值降低了多倍，但電容器的選用仍要遵循容量小、耐壓高的原則，容量小可使輸出電壓升壓更快。

一種無超調且不影響快速性的升壓方法。串聯諧振電路中，電容電壓與諧振電流需進行限制，以保護逆變器和高頻不可控整流器中的開關管和二極管。在升壓階段，輸出電壓給定值并不直接為目標值，而是逐漸升高。收斂于目標值。輸出電壓給定值上升至目標值的95之前，輸出電壓給定值以正向諧振狀態使得輸出電壓升高的幅度上升，使之以最快的速度升高。此時，若是查表判斷下一時刻為反向諧振狀態強制為自由諧振狀態。電容電壓與諧振電流超過限定值，下一狀態也強制為自由諧振狀態。輸出電壓給定值達到目標值的95以后，輸出電壓給定值以較小幅度上升，快速收斂到目標值，判定為自由諧振狀態的情況強制為反向諧振。以保證整個電壓上升過程輸出電壓無超調現象。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：逆變器的結構簡單、控制策略容易實現，基于諧振軟開關控制技術，可完全消除開關損耗，開關頻率進一步提高，由于逆變器輸出電平增加，對輸出電壓調節更加精細，使得輸出電壓波動更小、響應更快；為了適應所設計的逆變器輸入電壓模式，采用的工頻整流器串聯結構對串聯電容組均壓充電，保證了逆變器輸入電壓的穩定。而且工頻整流器不需要對其輸出電壓調整，采用不可控整流器，簡化了整個系統的控制復雜度；高頻不可控整流器采用多級整流器串聯方式，在各級整流器之間增加相同容量的電容，消除了高頻不可控整流器的損耗，提高了整個系統的效率。

附圖說明

當參考閱讀下面的詳細說明時，將更好地理解本發明的特征和優點，其中，在全部附圖內，類似的字符表示類似的部分。其中：

圖1為本領域已知的高壓電源拓撲；

圖2為根據本發明的一個實施例，采用五電平逆變器4的高壓電源拓撲，工頻不可控整流器5采用工頻變壓器42次級兩繞組分別整流，高頻不可控整流6采用高頻變壓器44次級兩繞組分別連接2級整流器。并串聯在一起；

圖3為根據本發明的一個實施例，采用五電平逆變器4的高壓電源拓撲，工頻不可控整流器中的三相交流電壓11轉換為可調節的穩定高壓直流電壓1的三相交流電壓11經可控整流電路3，及較大容量的電解電容52，得到逆變器1的直流母線電壓13。可控整流電路3采用pam控制策略可根據輸出的高壓直流電壓1的頻率較低，因此不可控整流電路7中可選用一般的整流二極管，為了提高輸出直流電壓質量。電容組36和3的容量要足夠大，同時整流電路7也無開關損耗。高頻變壓器26未作改變，采用單個四級整流器，升壓倍數并未改變，四級整流器的結構無整流損耗，各整流器之間連接的電容器容量關系較為復雜。不易選擇。逆變器結構及其控制方式相同，高壓直流電源3可實現高壓直流電源2的相同性能。

如圖5所示，根據高壓直流電源2的升壓過程。逆變器4輸出的5種狀態作用周期固定，通過5種狀態的切換改變輸出電壓17，若輸出電壓給定值直接設置為目標值，這種離散的控制方式必然會導致升壓階段的超調。因此，輸出電壓給定值在升壓階段必須逐漸升高，直到達到目標值。在限制電容電壓32和諧振電流34的條件下，設計了輸出電壓給定值不斷升高的曲線。正向諧振使得輸出電壓升高，自由諧振使得輸出電壓較小降低，反向諧振使得輸出電壓較大幅度降低，給定電壓計劃曲線正基于此點。在輸出電壓未達到目標值的95，給定電壓按照最快的速度上升，即2正向諧振使得輸出電壓升高的幅度。若電容電壓32和諧振電流34超過限制值，接下來的狀態設置為自由諧振，盡量避免反向諧振狀態。輸出電壓達到目標值的95以后，若電容電壓32和諧振電流34超過限制值，接下來的狀態設置為反向諧振，盡量避免2正向諧振，用1正向諧振使得輸出電壓較緩慢上升到目標值。圖5中的曲線2即是輸出電壓上升的理想曲線，輸出電壓的實際上升曲線并沒有較好地跟蹤理想曲線，是因為對電容電壓32和諧振電流34的限制，以避免過高的電壓或電流導致逆變器4的開關管損耗。

雖然已經在此圖解和說明了本發明的特定特征，但是本領域內的技術人員可以進行許多修改和改變。因此，應當明白，所附的權利要求意欲涵蓋落入本發明的真實精神的所有這些修改和改變。(

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