LCC串并联谐振充电高压脉冲电源设计

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高压大功率场合LCC谐振变换器的分析与设计

高压大功率场合LCC谐振变换器的分析与设计夏冰，阮新波(南京航空航天大学航空电源重点实验室，江苏省南京市 210016)The analysis and design of LCC resonant converterfor high voltage and high power applicationsXia Bing, Ruan Xin-bo(Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: LCC resonant converter with capacitive output filter is suitable for high voltage and high power applications. As it has three resonant elements the converter enters into multi-resonant modes which makes it difficult to analyse and design the converter. This paper proposes a comprehensive design procedure for the LCC resonant converter based on its steady model, aiming to reduce the voltage and current stresses of components, to reduce the range of the switching frequency variation and the input current when the converter operates at light loads. A 100V input, 16.5kV/230mA output prototype is built to verify the design method where soft-switching is preserved over the entire operating range.KEY WORDS: LCC resonant converter; high voltage and high power applications; capacitive output filter; soft-switching摘要：具有电容型滤波器的LCC谐振变换器十分适用于高压大功率场合。

基于lcc谐振的高压充电电源研究与设计

基于lcc谐振的高压充电电源研究与设计近年来，随着能源技术的发展，电力的普及以及对环境的关注，人们越来越关注高效、环保的电力供应方案。

在此背景下，低谐振（LCC）谐振技术受到了广泛关注，为高压充电电源设计提供了新的思路。

LCC谐振技术主要通过降低变压器的系统阻抗和功耗来降低电流噪声和提高变压器的功率因数。

它通过利用特殊的的反馈电路将一个低频电路调节到谐振状态，这种技术可以替代传统设计技术，如PFC （功率因素校正），芯片内置滤波器，等等。

因此，LCC谐振技术可以有效地降低高压变压器的功耗和电流噪声。

首先，在设计高压充电电源时，LCC谐振技术可以提供更高功率因数和更好的电路稳定性。

例如，在设计LCC谐振高压充电电源时，可以有效地降低噪声和滞后，从而提高功率因数。

此外，它还可以提供很高的电压精度，达到±1V以内。

其次，LCC谐振技术可以降低变压器阻抗和功耗。

由于变压器功耗是由变压器电流决定的，因此，可以通过LCC谐振技术降低变压器功耗，从而提高变压器的系统效率。

此外，LCC谐振技术还可以降低系统的成本。

LCC谐振技术比传统PFC技术成熟，技术简单，仅需要电容和电感就可以实现，从而减少了系统的组件成本。

最后，LCC谐振技术还可以提高充电电源的可靠性。

由于LCC谐振技术可以降低噪声和滞后，从而提高充电电源的稳定性。

综上所述，LCC谐振技术是设计高压充电电源的有效方法，它可以提高功率因数和可靠性，同时降低变压器功耗和系统成本。

但是，由于LCC谐振技术目前仍处于发展阶段，因此有必要仔细研究电路的参数以及如何设计出更好的元件组合，以更好地满足高压充电电源的需求。

本文基于LCC谐振的高压充电电源研究与设计，从技术发展、性能特点和可靠性等几方面阐述了LCC谐振技术在高压充电电源的发展过程中的重要地位。

由于LCC谐振技术在高压充电电源设计中的潜在优势，因此未来有望成为主流设计技术。

基于LC串联谐振的高压恒流充电电源设计

基于LC串联谐振的高压恒流充电电源设计
江进波;徐林;罗正;杨文;唐铭;姚延东;陈锐
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2024(36)5
【摘要】LC串联谐振式高压恒流充电电源能够实现电容器的高效快速充电,且具有较好的抗负载短路能力,在高重频脉冲功率系统中具有广阔的应用前景。

充电电源
的效率是决定系统重频运行能力的重要因素,提高效率是目前高压电容器充电电源
设计的首要目标。

根据LC串联谐振电路的工作原理,分析可知电源工作模式、逆变桥的开关频率以及高频变压器的分布参数是影响LC串联谐振电源效率的主要因素。

针对功率为10 kW、输出电压为40 kV的直流电源,计算主电路参数并利用Pspice建立了电路模型验证其准确性,采用软开关技术减小开关损耗,设计了分布参数较小的高频变压器进一步提高效率,并在此基础上完成了电源整体结构设计。

最
后测试了电源的充电特性,结果表明该电源可将0.1μF电容器在37 ms内充电至39.5 kV,其充电效率为87.1%。

【总页数】8页(P42-49)
【作者】江进波;徐林;罗正;杨文;唐铭;姚延东;陈锐
【作者单位】三峡大学电气与新能源学院;三峡大学湖北省输电线路工程技术研究
中心;国网恩施供电公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN78
【相关文献】
1.LC串联谐振恒流充电系统
2.LC谐振式恒流充电电源的研究
3.采用串联结构的高压电容恒流充电电源
4.基于谐振恒流充电的电梯应急电源设计
5.移相串联谐振高压电容器充电电源谐振参数设计方法及其电流控制策略
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串并联谐振高压脉冲电容充电电源的闭环控制

Ｔｅｘｅｍｅｔｌｒｓｌｉｌｓｄｌｏｃｎｒｌｈｗａｔｒｃａｇｎｐｅｃｎｔｎｏｒｈｇｐｗｅｆｃｅｃｈｅｐｒｎａｅｕｔｗｔｃｏｅ－ｐｏｔｓｏｆｓｈｒｉｇｓｅｄ，ｏｓａｔｐｗｅ，ｉｈｏｒｅｆｉｎｙｉｓｈｏｏｅｉ
中图分类号：Ｎ６ｒ８Ｉ＇文献标识码：Ａ文章编号：００１０２１）６０６ — ４１０ — ０Ｘ（０２０ — ０９０
ＣｌｓｄｌｏｎｒｌｏｉｈＶｏｔｇｌｅＣａａｉｒＣｈｒｉｇｏｅ－ｐＣｏｔｏｆＨｇｌａｅＰｕｓｐｃｔａｇｎｏｏ
ＡｂｔａｔＴｉｐｐｒｄｓｒｅｈｅｉｎｏｋＣｓｒｓｒｓｎｎｉｈｖｌｇｕｓａａｉｒｃａｇｎｏｅｓｒｃ：ｈｓａｅｅｃｂｓｔｅｄｓｇｆ３ＷＬｅｉｅｏａｔｈｇ — ｏｔｅｐｌｅｃｐｃｔｈｒｉｇｐｗｒｉｅａｏｓｐｌｔｅｅｐｒｎａｅｕｔｏｈｕｓａａｉｎｅｌａｉｈｏｒｅｐａｎｔａｈｃｕｌｃｒｕｔｉＣｕｐｙ，ｈｘｅｍｅｔｌｒｓｌｆｒｔｅｐｌｅｃｐｃｔｃｏｄｗｔｔｅｐｗｅｘｌｉｈｔｔｅａｔａｉｉｓＬＣｉｓａｈｃｓｒｅａａｌｌｒｓｎｎ，ａｓｈｈｒｉｇｃｒｅｔｄｏｓｃａｇｎｌｗｎｏｒｐｗｒＴｏｖｅｅｐｏｌｍｓｔｅｅｓｐｒｌｅｏａｔｃｕｅｔｅｃａｇｎｕｒｎｒｐ，ｈｒｉｇｓｏａｄｌｗｅｏｅ．ｏｓｌｅｔｓｒｂｅ，ｉｅｈｈｃｒｅｔｐｗｅｎｏｔｇｌｓｄｌｏｏｔｏｔａｅｙｉｒｐｓｄ，ｎｈｏｔａｅｉｌｍｅｔｔｏｒｃｓｓｇｖｎ．ｕｎ，ｏｒａｄｖｌｅｃｏｅ — ｐｃｎｒｌｓｔｇｓｐａｏｒｏｏｅａｄｔｅｓｆｒｍｐｅｎａｉｎｐｏｅｓｉｉｅｗ

基于LCC谐振变换器的高压直流电源设计

基于LCC谐振变换器的高压直流电源设计摘要：为提高高压直流电源效率，降低其体积和重量，这里介绍了一种基于LCC谐振变换器的高压直流电源设计方法。

结合移相脉宽调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)方法，实现变换器在全负载范围内的软开关。

首先分析了LCC电路的工作原理，并采用基波近似法进行数学建模，在此基础上，给出不同负载时频率、占空比与电压增益的关系曲线，为设计LCC谐振变换器提供理论依据。

最后通过一台峰值电压35 kV，额定功率7 kW的电源样机验证了设计的正确性，系统采用闭环控制，提高了输出电压的精度。

关键词：电源；高压直流；谐振变换器；软开关1 引言高频高压变压器是高压直流电源设计的难点，经过分析，如何减小变压器的分布参数是高频高压电源设计的关键。

此处通过引入谐振，将变压器分布参数作为谐振元件的一部分，实现开关管的软开关，减小开关损耗，提高开关频率，从而减小变换器的体积。

谐振变换器有串联、并联和串并联3种拓扑。

串并联谐振变换器，又称LCC谐振变换器，结合了前两种拓扑的优点，在合理设计参数的前提下，可使电源在输入电压范围变化很大，输出空载到满载的条件下，仍然保持很高的效率。

LCC谐振变换器主要有移相PWM和PFM两种控制方法。

这里采用PWM和PFM结合的控制策略，在频率变化范围不大，负载电压恒定的前提下，保证变换器从空载到满载范围内均能实现软开关。

通过闭环控制，提高输出电压的抗干扰能力。

2 LCC谐振变换器工作原理2．1 LCC谐振电路工作状态分析图1为电容型滤波LCC谐振变换器电路。

Cs，Ls为LCC谐振电路串联谐振电容和谐振电感，Ls包含变压器折算到初级的等效漏感；Cp为并联谐振电容，包含变压器折算到初级的分布电容。

分析前先假设：输出电容很大，Uo保持不变；所有器件都是理想器件；电感电流连续且为理想正弦波。

图2为移相PWM控制稳态时的主要波形。

(1)[t0～t1] t0时刻，电感电流iLs为零，此时VQ4为零电流开通，在前一时段VQ1已经零电压开通，VQ1，VQ4导通，uAB为正，Ls，Cs，Cp发生谐振，输出整流桥关断，uCp从-Uo／n升高，到t1时刻，uCp升高至Uo／n，输出整流桥导通，此阶段结束。

基于lcc谐振的高压充电电源研究与设计

基于lcc谐振的高压充电电源研究与设计现代电力电子技术的快速发展为改善电能质量及提升电力系统能源利用率提供了重要手段，高压充电电源（HVCD）是其中的重要组成部分。

HVCD具有改善电能质量、节约能源和减少噪声的特点，为社会和经济发展提供了重要支持。

基于LCC谐振的高压充电电源的研究及设计，具有极端重要的意义。

首先，对充电电源的零源抖动、噪声低、输出稳定的要求极大。

LCC谐振技术能够有效满足这些要求，以提高电源的效率和质量，从而改善电能质量及提升电力系统能源利用率。

LCC谐振技术有效地提高了电源效率，减少了能量损失，并大大降低了输入电流的噪声，改善了输出电压的稳定性。

其次，在设计过程中，结构的正确选择对于提高电源的效率、准确度和稳定性至关重要。

因此，需要考虑变压器尺寸、回路参数、主要元件及结构等因素，精确设计LCC谐振电源，让其具备良好的动态和稳定性能，满足HVCD的关键要求。

再者，有效降低谐振电源的损耗和噪声非常重要。

可以采用低损耗元件和高效率控制技术，使电源损耗降至最低，噪声降到最低程度。

此外，在设计电路的同时，可以考虑采用合适的EMI滤波器，强化LCC谐振电源的电磁兼容性。

最后，在测试环节，可以综合考虑工作负荷、温度等多个因素，对谐振的特性进行全面评估，确保谐振电源的稳定性。

综上所述，LCC谐振技术对HVCD研究及设计具有重要意义，必须综合考虑电路结构、元件及控制技术等因素，提高效率、减少噪声、改善稳定性和电磁兼容性，才能实现高压充电电源技术的有效研究及设计。

本文结合实际情况，就基于LCC谐振的高压充电电源的研究及设计进行了较为详细的探讨，从而为实现高效的电能管理及精确的能源运用提供技术支持。

随着社会经济的进一步发展，高压充电电源的技术将会越来越受到重视，尤其是基于LCC谐振的高压充电电源，未来发展前景非常乐观。

未来，研究者可以继续深入研究LCC谐振技术，充分发挥它的优势，并开展大功率、高效率的HVCD的研究及开发，以期实现更高效的电能质量及更精确的电能利用。

基于LC全桥串联谐振的脉冲功率电源设计

基于LC全桥串联谐振的脉冲功率电源设计脉冲功率电源是一种能够提供高电流、高功率脉冲输出的电源设备，广泛应用于激光器、医学成像仪器、电动车充电器等领域。

基于LC全桥串联谐振的设计可以提高电源的效率、减小体积，并且具有较低的功率损耗。

LC全桥串联谐振是一种特殊的谐振方式，通过合理设计电路参数，可以将谐振电路的输出电流进行相间隔提供，从而实现高功率输出。

下面将介绍基于LC全桥串联谐振的脉冲功率电源的主要设计要点。

首先，在设计LC全桥串联谐振脉冲功率电源时，需要确定输出电压和电流的要求。

根据输出要求，可以确定电源的额定功率和负载特性。

同时，还需要确定电源输入电压的范围，并考虑到输入电压的变化对电源输出的影响。

其次，需要设计合适的谐振电路。

LC全桥串联谐振电路由四个开关管、两个电感和两个电容组成。

要保证谐振电路在不同输出功率下仍能工作稳定，并且避免频率过高引起开关管损坏，需要通过合理选择电感和电容的数值，并加入适当的阻尼电阻来调整谐振频率和阻尼比。

接下来，需要设计输出端的脉冲变换器。

脉冲变换器一般采用高频开关管和变压器组成，负责将谐振电路输出的副交流信号变换为适合负载的直流脉冲信号。

变压器的设计需要考虑到负载电流、转换效率和器件的损耗等因素，通过合理选择变压器参数，可以实现高效率的电能转换。

此外，还需要设计电源的控制电路。

控制电路一般采用微处理器或专用控制芯片来实现对开关管的控制和脉冲变换器的输出调节。

通过采用先进的控制策略，可以实现对输出电压和电流的精确控制，并实现过压、过流等保护功能。

最后，在设计完成后，需要进行电路的模拟和实际测试。

通过模拟和测试，可以对设计的参数进行验证，查找潜在的问题并进行调整。

并且，在实际使用中需要注意对电源设备的散热和绝缘等问题，保证电源的安全可靠性。

综上所述，基于LC全桥串联谐振的脉冲功率电源设计，需要考虑输出要求、谐振电路设计、脉冲变换器设计、控制电路设计和电路测试等方面的因素。

串并联谐振高压脉冲电容充电电源的闭环控制

串并联谐振高压脉冲电容充电电源的闭环控制
1 引言
高压脉冲电容能在很短时间内迅速释放其储存的能量，形成强大的冲击电流和冲击功率，因此广泛应用在激光核聚变、X光机、粒子束武器等领域。

脉冲电容器的能量存储主要靠高压直流充电电源来实现。

文献利用LC串联谐振电路研制了一台40 kW／10 kV数字化高频高压脉冲电容充电电源，重点对提高功率密度和安全性能方面进行了研究，但未考虑分布电容。

文献基于移相闭环控制LCC串并联谐振设计了电火花加工电源，克服了传统电火花电源体积、重量大，效率低的问题，但谐振电流连续，开关损坏较大，未考虑功率输出。

这里通过分析，研制了LC串联谐振变换器的实际电路，针对限功率条件下充电电流减小，利用率低，充电速度慢等问题，采用闭环控制策略对等效LCC串并联谐振电路进行控制，提高了充电速度和电源利用率，效果良好。

2 3kWLC串联谐振电容充电电源
交流输入整流后直流侧电压为200 V，电源输出电压7 kV，功率3 kW。

由LC串联谐振特性，根据恒流、峰值限定和输出功率，计算选择电路参数为：开关周期Ts=100μs，谐振电容C1=1μF，谐振电感L=60μH，谐振周期，Ts>2T1，满足软开关条件。

2．1 谐振充电电源系统框图
图1示出充电电源系统框图，系统分为主电路和检测控制电路。

主电路220 V／50 Hz交流电压经过EMI滤波、全桥不控整流和LC滤波后得到直流。

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LCC串并联谐振充电高压脉冲电源设计
摘要：为了获取高重复频率、陡前沿高压脉冲电源，将LCC串并联谐振变换器用作高压脉冲发生器的充电电源。

分析了LCC串并联谐振变换器在电流断续模式下的工作模态,给出了逆变器的参数设计原则。

用PSIM对高压脉冲电源进行仿真分析和实验分析，并验证了设计思想的正确性。

关键词：高压脉冲电源； LCC；谐振软开关；全桥逆变
采用MARX发生器获取陡前沿高压窄脉冲的电路较复杂，而且陡化前沿有许多设计和工艺上的困难；采用电感断路的方式容易获取高压脉冲输出，但对电感的充电必须迅速，而且储能时间不能过长，电源需具备较高的内阻和较大的功率，而断路开关是其发展的瓶颈。

与电感储能装置相比，电容器的稳定且可重复的快速闭合开关要普及得多，电容器的能量保持时间远远大于电感储能装置，并且可以小电流充电降低对充电功率的要求。

充电电源的高效率和小型化主要由充电电路决定，传统高压功率脉冲电源一般采用工频变压器升压，采用磁压缩开关或者旋转火花隙来获取高压脉冲，因而大都比较笨重，且获得的脉冲频率范围有限，其重复频率难以调节控制、脉冲波形不稳定、可靠性低、成本高。

本文将LCC串并联谐振变换器作为高压脉冲电源的充电电源。

LCC串并联谐振变换器结合了串联谐振变换器抗短路特性和并联谐振变换器抗开路特性的优点[1]，在输出电压、输出电流强烈变换的场合有着良好的特性和较高的变换效率。

本文介绍了系统结构及LCC充电电路原理，以及采用通过仿真软件PSIM对LCC充电过程和发生器放电输出进行的仿真分析。

1 LCC谐振变换充电高压脉冲电源系统结构1.1 电源主电路结构和工作原理电路由工频整流滤波、功率因数校正电路PFC(Power Factory Correction)、LCC谐振变换器、高频整流、电容充电储能、电感缓冲隔离、IGBT全桥逆变及脉冲升压变压器等单元构成。

电路工作过程：220 V交流通过整流滤波和PFC校正得到输出连续可调的直流，通过LCC串并联谐振逆变经高频升压后向储能电容C充电，经过IGBT全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出。

系统结构。

图中，LCC串并联谐振变换器由4个功率开关管与谐振电感Lr、串联谐振电容Cs、并联谐振电容Cp组成，工作原理是：利用电感、电容等谐振元件的作用，使功率开关管的电流或电压波形变为正弦波、准正弦波或局部正弦波，这样能使功率开关管在零电压或零电流条件下导通或关断，减少开关管开通和关断时的损耗，同时提高开关频率、减小开关噪声、降低EMI干扰和开关应力。

(4)开关模态4[t3，t4] 在此开关模态中，所有开关管和二极管均关断，iLr为零，vCp保持不变。

在t4时刻，开关管Q2、Q4零电流开通，开始另一半开关周期，重复工作过程开始。

电路工作波形，设在t0时刻，谐振电感的初始电流为
1.3 高压脉冲形成电路
高压脉冲的形成是通过对前级产生的高电压（电流）进行开关控制从而输出脉冲，设计中在开关速度满足要求的情况下，采用IGBT串联形式，利用全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出[4]。

,当开关Q5、Q7闭合，Q6、Q8断开时，输出电压为正；当开关Q6、Q8闭合，Q5、Q7断开时，输出电压为负，得到双极性的脉冲输出。

改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率，控制开关管的导通与关断时间即可调节输出脉冲的占空比，得到脉宽与频率均可调的双极性高压脉冲波。

整个系统的控制由控制器和驱动电路来实现，主要完成LCC 谐振电路的输出电压调节、控制和全桥驱动及后级脉冲形成电路的变频变宽输出脉冲控制和IGBT同步触发等。

采用的TMS320F2812开发板，内部集成了16路12位A/D转换器、2个事件管理器模块、1个高性能CPLD器件XC95144XL，可实现过压、过流保护在内的电源系统运
行全数字控制，提高了输出电压的精度和稳定度。

采用软件编程实现控制算法，使得系统升级、修改更为灵活方便。

2 电路参数的选取与仿真分析令K=Cp/Cs，图4为不同k值下的充电电压、充电电流和谐振电流波形。

对k分别取1、1/2、1/4、0,从图4(a)、(b)可知，k 取值越小充电电压越高；而充电电流在误差允许的情况下可认为是恒定的，即恒流充电。

由图4(c)可看出,随k值的减小，iLr为零的模态时间增长，iLr为零时并不传输能量，导致输出功率减少。

因此，根据上述分析，在满足谐振软开关的前提下，应选择合适的k值使LCC 谐振变换器工作在最佳状态,以减少谐振停滞时间，提高电源工作效率。

本文设计了一种基于LCC串并联谐振逆变充电高压脉冲电源，分析了LCC电路在DCM模式下的工作模态，并进行了公式推导，说明了k取值的重要性。

仿真结果验证了LCC串并联谐振充电技术可实现恒流充电，提高电源工作效率；该设计容易实现开关管的软开关，能够把变压器的漏感和分布电容纳入谐振参数中，从而消除这些参数对逆变器的影响，且利用串并联谐振逆变充电作为对中间储能电容充电的结构，有利于实现装置的小型化和快速充电。