LCC谐振充电IGBT开关Marx发生器

2007年7月电工技术学报Vol.22No.7第22卷第7期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYJul.2007LCC谐振充电IGBT开关Marx发生器王晓明侯召政方辉孙兆冲（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001）摘要为满足Marx发生器的充放电脉冲工作要求，提出采用恒导通时间-恒频率控制策略的LCC串并联谐振变换器作为IGBT开关Marx发生器的充电电源。利用Pspice软件和等效模型模态方法对断续模式工作的LCC变换器实现软开关的原理进行分析，给出设计原则。仿真结果表明变换器能够以较高效率满足Marx发生器从短路到开路的宽范围变动工作特性的充电要求，实现高达1kHz重复频率变频变脉宽稳定运行。所提出的方法为研发制造紧凑型一体化高重复频率Marx发生器式功率脉冲电源开辟了一条新路。关键词：LCC谐振Marx发生器功率脉冲电源重复频率中图分类号：TM46LCCResonantConverterChargingMarxGeneratorUsingIGBTWangXiaomingHouZhaozhengFangHuiSunZhaochong（HarbinInstituteofTechnologyHarbin150001China）AbstractTomeetthecharginganddischargingrequirementoftheMarxgeneratorinpulseoperation,aLCCseries-parallelresonantconverterunderconstanton-time/constantfrequencycontrolworkedasthechargingpowersupplyofIGBTswitch-basedMarxgeneratorispresented.PspiceandmodeanalysisofequivalentcircuitsareusedtoanalyzetheprincipleoftheLCCconverterindiscontinuousmodetorealizesoftswitching.Thedesignprincipleisalsoproposed.Thesimulationresultindicatesthatwithgoodchargingefficiency,theconvertercanmeetthechargingrequirementoftheoperatingcharacteristicfromshort-circuittoopen-circuitofMarxgeneratorinwideloadrange,andcanoperatesteadilyundervariablefrequencyandvariablepulse-widthpulseswith1kHzrepetitionratetops.TheproposedmethodbringssomenewthoughtsfortheresearchanddevelopmentofpulsepowersupplyusingcompactintegratedMarxgeneratorwithhighrepetitionrates.Keywords：LCCresonant,Marxgenerator,pulsedpowersupply,repetitionrate1引言Marx发生器通过电容并联充电、串联放电的方式实现脉冲压缩和电压放大，不仅广泛应用于高功率脉冲系统中，也在中小功率脉冲应用中获得推广[1-2]，除了输入功率变化范围大之外，这类应用还要求高的重复工作频率和电压重复性，有时还有较高精度放电电压幅值的要求，从而对Marx发生器充电电源提出了较高的要求。20世纪90年代以来，基于高频谐振原理的电源技术获得迅速发展，目前仍然是相关领域的研究热点[3-5]，文献[3-4]介绍了在电容充电领域的应用，但对于功率脉冲电源充放电工作相关分析特别是对具有较高重复频率Marx发生器充电工作的研究鲜见报道。本文提出将串并联谐振变换器（SPRC）用作IGBT开关Marx发生器的充电电源。LCC串并联谐振变换器结合了串联谐振变换器（SRC）抗短路特性和并联谐振变换器（PRC）抗开路特性的优点[5-6]。在输出电压、输出电流强烈变化的场合有着良好的特性和较高的变换效率。文中给出系统结构、LCC充电电源电路原理分析，通过Pspice软件对LCC充电过程和Marx发生器放电输出进行仿真分析。仿真结果表明该方案是一种提高Marx发生器的重复频率及充放电效率的有效方法。2LCC谐振充电Marx发生器系统结构系统结构如图1所示，前级为LCC谐振充电电收稿日期2007-03-06改稿日期2007-05-2888电工技术学报2007年7月路，经高频变压器升压后整流滤波输出，Marx发生器采用IGBT开关和快恢复二极管单向充电的拓扑结构，以及充电电容、IGBT开关和二极管组合模块化的设计，方便增减模块数量构成不同昀大输出脉冲电压的电源。考虑到Marx发生器工作在断续模式之下，为保证负载变化时输出脉冲的稳定，同时隔离高压放电时对前级充电电路的冲击，设置了平波隔离电感L。前级采用工作在断续模式下的LCC串并联谐振电路，通过恒定导通时间-恒频控制策略，实现充电电源开关管零电流/零电压关断、零电流开通，减少开关损耗和电磁噪声，提高充电效率，减小电源体积。整个系统的协调工作由控制器及驱动电路来完成，主要包括LCC电路输出电压的调节、闭环控制、全桥驱动，以及Marx发生器的变频变脉宽输出脉冲控制和IGBT同步触发等。控制器采用16位dsPIC30F3011，内部集成了DSP引擎、9路10位500kspsA/D转换器、6路电源控制PWM及4路标准PWM，实现包括过压、过流保护在内的电源运行控制。图1LCC谐振充电Marx发生器系统结构图Fig.1ThestructureofLCCresonantconverterchargingMarxgeneratorsystem3LCC谐振充电电路LCC谐振变换器根据开关频率fs与基本谐振频率rshrs1(2)fLC=π的关系有三种工作方式[7]：①srsh0.5ff为电流断续模式（DCM），开关管工作在零电流/零电压关断、零电流开通状态，反并联二极管自然开通、自然关断；②rshsrsh0.5fff为电流连续模式（CCM），开关管为零电流/零电压关断、硬开通，反并联二极管自然开通但关断时二极管有反向恢复电流，电路开关损耗较大；③fs＞frsh仍然为电流连续模式（CCM），与工作方式②的区别是开关管为零电流/零电压开通、硬关断，电路开关损耗同样较大。选择开关损耗小的DCM工作模式，设各元件为理想的，LCC谐振变换器可简化为图2所示两种等效模型。输出整流桥工作时，输出电容耦合到输入端与谐振电容Cp并联，因为常选取Co＞Cp，且采用升压变压器，于是n2CoCp，电路简化为如图2a所示。输出整流桥截止时电路简化为图2b。（a）模式1（b）模式2图2LCC谐振变换器等效电路Fig.2Equivalentcircuitsofresonantconverter图中e=V⎧⎨⎩o1V⎧=⎨⎩如图2a所示，模式1下rr01rsh01ep01o1rsh01r1seo1eo1s01rsh01r01r1rsh01po1()()cos[()]()sin[()]()[()]cos[()]()sin[()]()LLCCCLCititttVvtVttZvtVVVVvtttitZttvtVωωωω=−+⎧⎪−−⎪−⎪⎪⎨=−−−−−+⎪⎪−⎪=⎪⎩（1）输出电容电压为VBUS;S1,S3导通或VD1，VD3导通−VBUS;S2,S4导通或VD2，VD4导通vCo（t）/n;VD5,VD8导通−vCo（t）/n;VD6,VD7导通第22卷第7期王晓明等LCC谐振充电IGBT开关Marx发生器8901oo01roes01o1r01rsh01rsho01r1o01oo01rshoo011()()()d()()sin[()]{1cos[()]}();()()();tCCLtCLCCCCvtvtinCVvtVitttnCttZvtvtvtnCvtττωωω=+−−−+−−=+∫oo01()()CCvtvt⎧⎪⎪⎨⎪⎪≤⎩（2）其中rshrs1LCω=，特征阻抗rr1sLZC=，t01为模式1初始时刻。如图2b所示，模式2下es02p02rr02ro02ro02r2pes02p02r02ss02ro02ro02s2spr02pp02rop2()()()()cos[()]sin[()][()()]()()()sin[()]{1cos[()]}()()()sin[(CCLLCCLCCLCCVvtvtititttttZCVvtvtitvtvtttttCCCitvtvtttCωωωωωωω−−=−+−−−=+−+−−+=+−ses02p0202ro02sp[()()])]{1cos[()]}CCCVvtvtttCCω⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪−−⎪+−−⎪+⎩（3）输出电容电压及并联谐振电容电压峰值为sBUSoo02pmaxsp2()(),()CCCCVvtvtvtCC==+（4）其中rore1LCω=，特征阻抗rr2eLZC=，spespCCCCC=+，t02为模式2初始时刻。由式（1）～式（4）可得输出电容电压昀大值vComax及谐振电流昀大值ILrmax为BUSspBUSomaxrmaxspr12,1.0CLnVCCVvICCZ==+（5）设计中，由供电电源确定直流母线电压VBUS，然后选取可以安全工作在VBUS下的开关管，并由其运行频率确定DCM模式下的基本谐振频率，选择开关管导通时间Ton略大于0.5/frsh。为了保证开关管零电流/零电压关断、零电流开通，必须使谐振周期Tr在整个充电过程满足Ton＜Tr＜2Ton，此时要求Cs/Cp＜3，因为当Cs/Cp＞3时，在充电接近完成阶段Tr＜Ton，此时开关管硬关断，开关损耗显著增加[8]。在Cs/Cp选定后可通过式（5）得出变压器变比，并根据开关管电流定额选择谐振电感Lr。4仿真分析为验证主电路工作原理及工作特性，利用ORCAD/Pspice9.2对3级Marx发生器变频变脉宽充放电过程进行仿真。根据上述LCC谐振电路参数选取方法，确定VBUS=300V，选择IGBTIKW50T60为主开关管，开关频率25kHz，Ton=10µs，谐振元件参数Lr=18µH、Cs=Cp=0.47µF，谐振电流峰值IPmax=50A，n=2.5，vComax=750V。Marx发生器仿真参数为：输出电容预充电时间20ms，储能电容每级3µF；IGBT开关SKW25N120；充电隔离二极管为快恢复二极管IDP30E120；平波隔离电感L=20mH，Marx发生器负载为200Ω，放电频率分别为100Hz、1000Hz，放电脉宽分别为10µs、100µs。Pspice仿真电路图如图3所示。图3Pspice仿真电路图Fig.3Pspicesimulationschematicdiagram4.1LCC谐振电路仿真分析输出电容为12µF时，在充电起始阶段，输出电容电压为零，相当于短路，并联谐振电容不参与谐振，此时谐振频率为基本谐振频率frsh，特征阻抗及谐振频率昀小，谐振电流昀大，如图4a所示。随着充电电压的不断升高，输出二极管导通时间与输出电容的耦合时间减小，并联谐振电容参与谐振的比例增加，谐振频率、特征阻抗逐渐增加，谐振电流逐渐减小，直至充电完成，此时输出侧二极管截止，输出相当于开路，如图4b所示。仿真结果验证了LCC谐振电源的设计，证明它有很好的抗短路、抗开路特性，开关管实现零电流/零电压关断、零电流开通，反并联二极管自然开通、自然关断情况下≤＞90电工技术学报2007年7月具有较高的变换效率。（a）充电开始阶段波形（b）充电完成阶段波形图4L