高壓逆變電源負載阻抗特性分析

在臭氧發(fā)生器、污水處理、煙氣脫硫、高功率激光、等離子體放電等技術(shù)領(lǐng)域，高壓逆變電源正得到越來越多的應(yīng)用。傳統(tǒng)的高壓逆變電源一般由工頻或中頻變壓器直接升壓或LC串聯(lián)諧振獲得，不可避免地存在體積大、效率低的缺點。在目前許多需要高壓電源的場合，采用高頻技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)，可以有效減小高頻電源體積、重量和損耗，所以高頻高壓逆變電源是未來發(fā)展的方向。

由于高壓逆變電源的應(yīng)用領(lǐng)域不同，負載的阻抗也會不同；另外電源在工作時負載阻抗會隨溫度的變化而變化，所以研究負載的變化對逆變電源輸出參數(shù)的影響有著重要的意義，也是設(shè)計一個優(yōu)良電源的關(guān)鍵。本文根據(jù)實際應(yīng)用中的逆變電源，分析了負載阻抗變化的特性。

1 實際電路及其工作原理

高壓逆變電源前級一般采用不控整流、全橋逆變，后級采用串聯(lián)諧振軟開關(guān)結(jié)構(gòu)。本實驗電源也是這種結(jié)構(gòu)。由于電路實際中要求負載在短路時對系統(tǒng)影響很小，所以負載不能直接串聯(lián)在后級諧振回路中，而采用負載部分接入的方式，本實驗電路框圖如圖1所示。

其具體組成如下：1)調(diào)壓器。輸入220V工頻電壓，輸出0~220V可調(diào)；2)整流：全橋整流；濾波：4個450V／470 μ F電容并聯(lián)；3)逆變。全橋逆變電路，由控制電路、驅(qū)動電路、保護電路和MOS管組成的全橋開關(guān)構(gòu)成；控制電路由TL494構(gòu)成，可以通過改變脈沖寬度改變輸出參數(shù)；開關(guān)管采用三菱的MOSFET管，極限參數(shù)為20A／1200V；4)高頻變壓器。采用高頻升壓變壓器，原邊線圈3股50匝，副邊2股80 匝；5)諧振電容。由14個22nf、／1200V電容組成，構(gòu)成諧振軟開關(guān)電路，電路的設(shè)計諧振頻率為100KHz；6)負載和其中四個電容并聯(lián)，采用部分接入形式。此電路負載在試驗測試時用可變電阻代替。

工作原理：交流電經(jīng)調(diào)壓器調(diào)壓后，由整流濾波電路整流成直流電，全橋逆變回路將經(jīng)過的直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流電，再經(jīng)過高頻升壓變壓器和串聯(lián)諧振回路加到負載上，使負載工作，調(diào)節(jié)回路的諧振頻率來調(diào)節(jié)輸出的電流和電壓。

2 負載阻抗變化特性的分析和仿真

簡化的逆變電源系統(tǒng)中諧振負載回路如圖2所示，L為變壓器的漏感，C1、C2為諧振電容，Rp為負載電阻。為便于分析，對于圖2我們可以等效為標準的串聯(lián)諧振形式，如圖3所示。

等效轉(zhuǎn)換后，電路中參數(shù)數(shù)值對應(yīng)關(guān)系如下：

對于全橋結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振逆變器，其輸出電流與負載電阻的對應(yīng)關(guān)系如式(3)所示：

其中Ude為直流母線電壓，R為負載直流電阻，N1、N2分別為變壓器原邊和副邊的匝數(shù)。B為逆變器輸入電壓信號基波分量與輸出電流的相位差。

在串聯(lián)諧振回路中，輸出基波電壓和電流的相位差β南電路的工作頻率f、回路負載阻抗R、諧振電感L和電容C決定，其關(guān)系式為：

實際應(yīng)用中電路工作頻率約為110KHz，Ude和L都為已知量，根據(jù)上面分析的電路工作原理，把式(1)、(2)、(4)式代入式(3)可得輸出電流 10和負載阻抗Rp的函數(shù)式，在Rp取值在100 Ω到10k Ω之間時，我們利用Matlab仿真得Rp與IO的變化曲線如圖4所示。

已知回路的電流，可得負載Rp兩端的輸出電壓UO

由于IO是負載Rp的函數(shù)，所以由式(5)可知U0也是Rp的函數(shù)，在Rp取值在100 Ω到10k Ω之間時，我們利用Matlab仿真得到如圖5所示的Rp與U0的變化曲線。

由仿真曲線可知，在負載在一定范圍變化時，電流電壓基本成線性變化，以后逐漸趨于平緩，電流電壓特性不再受負載阻抗變化的影響。

本文提出的試驗用高壓逆變電源已應(yīng)用于臭氧發(fā)生器電源，放電電壓、電流分別在1600V、4A左右，工作于平緩區(qū)域，電壓電流在負載阻抗的變化范圍內(nèi)基本保持不變。該逆變電源工作穩(wěn)定，并已經(jīng)產(chǎn)品化。

3 結(jié)論

本文根據(jù)實際應(yīng)用的一個逆變電源，對高壓逆變電源負載變化對輸出參數(shù)的影響進行了理論分析和推導(dǎo)；根據(jù)理論分析，對分析結(jié)果進行仿真，給出仿真波形；最后根據(jù)實際應(yīng)用的逆變電源，證明了所給出理論分析、仿真的正確性。因此分析結(jié)果對逆變電源諧振回路的設(shè)計、參數(shù)選擇具有實踐指導(dǎo)價值。