高压静电除尘用电源调压特性分析

为了得到高压静电除尘电源工作于串联谐振断续电流模式下的调压特性及选择一种适宜的控制方式，在分析电路工作原理的基础上，通过数学公式推导出了反映电路输出特性的解析表达式，分析了控制参数对电路调压特性的影响。通过仿真主要研究了调频、调占空比和调输入电压3种控制方式下电路特性的对比，结果表明，采用调节输入电压的控制方式具有较低的谐振电流峰值和有效值，是一种适合于高压静电除尘的控制方式，最后通过样机给出了实验结果。
0 引 言

    工作于断续电流模式下的串联谐振变流器能够在较宽的输出电压范围内因具有平均充电电流恒定、方便的实现功率器件的软开关等特点，而被广泛应用于高压电容器负载充电系统中,但这类应用中输出负载仅为储能电容器。而实际高压应用中很多情况下输出侧存在持续消耗能量的连续负载，如高压静电除尘电源,其负载等效为电容电阻并联电路,且输出电压需要可调节，但目前仅有很少的文章对这一方面稍加提及,且未深入讨论。本文将分析串联谐振电流断续工作模式下静电除尘电源电路的调压特性及存在的问题，并在此基础上提出了几种改进的方法，并通过仿真研究了电路在几种控制方式下的调压特性，最后给出了实验结果。

1 电路工作原理

    带连续负载的串联谐振高压电源的主电路拓扑见图1，变压器变比为行，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，Ts、fs分别为开关周期和开关频率，Tr、fr分别代表谐振周期和谐振频率，it为谐振电流，Uout、Iout分别代表输出电压和输出电流，C0、R0分别为负载电容和电阻，n2C0≥Cr成立。

图1 串联谐振高压电源的主电路拓扑

    为减小开关损耗，电路采用软开关技术，选取Ts＞2Tt，串联谐振电路工作在谐振电流断续模式下，开关管能够实现零电流开通、零电压零电流关断，其工作过程波形图见图2。

图2 串联谐振电流断续工作模式下的波形图

    t0～t1期间，开关管S1、S4导通，ir＞0，电路正向谐振。能量由电源输入传递至谐振环节，同时向负载侧传递。S1、S4零电流开通，此工作过程电路图见图3。

图3 t0～t1期间等效电路图

[!--empirenews.page--]
    t1～t2期间，二极管D1、D4导通，ir＞0，电路反向续流谐振。谐振环节同时向电源侧和负载侧传递能量。在此过程中关断S1、S4，可实现开关管零电压零电流关断，此工作过程电路图见图4。

图4 t1～t2期间等效电路图

    t2～t3期间，ir＝0，电路处于谐振电流断续状态。从t3时刻开始电路进行下一个半周期的谐振过程，因与前面半个周期的工作过程对称，此处不再赘述。

2 电路的数学分析

    假设电路已进入稳态，输出电容足够大，输出电压保持不变；U0和I0分别为等效输出电压和等效输出电流，U0＝Uout/n，I0＝nIout；t0时刻Cr上的电压为Ucr(t0)，t0～t1期间，电路正向谐振过程的简化等效电路见图5，数学分析式如下：
   

图5 t0～t1期间简化等效电路图

    t1～t2期间，电路反向续流谐振过程电路的简化等效电路见图6，数学分析式如下：
   

图6 t0～t1期间简化等效电路图

    根据电路工作的对称性可得
   

    综合式(2)、(4)、(5)可得：
   

    故正向谐振电流和反向续流谐振电流分别为：
   

    半个谐振周期内谐振电流绝对值的积分值为：
  

    又因ir经整流后的平均值为等效输出电流，故

    经整理得到

3 数学分析结果的讨论

    3.1 式(13)成立的条件

    由式(10)可看出，当U0＝Uin时，反向续流谐振电流将消失，故式(13)成立的条件是U0≤Uin。故当电路参数(如谐振电容、负载等)一定的情况下，存在一个临界频率fcn。，即
   

    当fs≥fcn时，U0＝Uin，电路将不具有调压特性。[!--empirenews.page--]

    3.2 fs对谐振电流峰值的影响1

    当fs≥fcn时，U0＝Uin谐振过程只存在正向谐振电流，故依据电流守恒，即ir经变压器转换整流后的平均值即为输出电流，可得到谐振电流峰值ir,p为：
   

    因U0＝Uin时电路已不存在反向谐振电流，此时增大fs，ir,p减小，在一定负载条件下，因开关频率的最大值fs,max＝fr，故正向谐振电流峰值的最小值min ir,p为
   

    3.3 fs对谐振电流峰值的影响2

    当fs＜fcn、U0＜Uin时，由U0＝8UmCrfsR0/n2可知，U0∝fs，电路具有线性调压特性。此时睹振电流峰值：
   

    3.4 负载对调压特性的影响

    一般静电除尘器等效电阻的变化范围很大，故轻载下采用调频控制方式时，临界调压频率将非常低，基本上不具有凋压的特性。

4 原有控制方式的改进方案

    通过以上分析可得，传统的串联谐振电流断续工作模式的控制方法存在调压的I临界频率低、轻载调压特性差的缺点，下面将讨论一些改进的方法。

    4.1 减小Cr以提高线性调压的临界频率

    由线性凋压临界频率公式fcn＝n2/(8CrR0)可知，减小Cr可以提高线性调压fcn。但受高压变压器寄生电容、漏感及fs。的限制，Cr允许变化的范围很小，且与静电除尘器等效电阻的变化相比更是微乎其微，故通过减小Cr来改善串联谐振电流断续模式下的调压特性作用很小。

    4.2 脉冲宽度控制

    传统的串联睹振电流断续工作模式下，功率器件驱动的关断时刻在谐振电流反向续流谐振过程中，这样可以实现功率器件的零电流零电压关断，但这也带来一个问题，就是正向谐振处于不控状态，调压特性变差。故可通过改变功率器件驱动的关断时刻处于正向谐振过程中，从而通过改变脉冲宽度来调节输出电压。此方法的缺点是关断电流较大，开关管的关断损耗大。

    4.3 调节直流母线电压

    静电除尘器稳态时需要工作在接近闪络电压处的某一工作点上，但实际中受各种因素的影响，闪络电压会发生变化，故电路需要动态的调整Uout到某一新的工作点上。为了保持串联谐振电流断续工作模式下具有控制简单、能够实现软开关的优点，可采用调节Uin来调节Uout的控制方式，此时高频逆变桥始终工作在其允许的最大频率处，由前述3.2节分析可知，此时谐振电流的峰值最小。因网络电压的变化是一个相对缓慢的过程，故采用传统的三相可控硅相控整流电路就可实现Uin的改变，达到动态调整高压输出电压的目的。

5 仿真研究及分析

    本文通过仿真对调频、改变脉冲宽度以及调节Uin3种调节Uout的调压方式进行了对比研究，图7分别给出了频率、占空比、Uin与Uout的关系曲线，从图中可知频率和占空比与输出电压是非线性关系。

图8 不同控制方式下ir,p及谐振电流有效值的对比曲线

6 实验研究

    一台实验样机已经构建完成并用于实验研究，系统的关键参数如下：Lr＝6μH；Cr＝9μF；变压器变比n＝120；输出负载R0＝47.8 kQ。
    下面给出了采用调节Uin、Uout的控制方式下所得到的实验波形，图9为直流母线电压Uin和Uout的关系，图10为Uin＝290 V时的谐振电流和驱动波形，图中谐振电流正向谐振结束后的反向谐振过程是因高频高压变压器的寄生电容所产生的，实验中利用这一点实现了功率器件的零电压零电流关断。

图9 实验测量Uin与Uout的关系曲线

图10 驱动电压及谐振电流波形

7 结 语

  本文分析了高压静电除尘电源在串联谐振电流断续工作模式下的调压特性，指出了在采用调频控制方式下，当fs＞fcri时电路将不具有调压特性。进而比较了调频控制、调节占空比控制和调节输入电压控制3种控制方式下电路的调压特性，得出了采用调节Uin的方式能够实现线性的调压特性，且谐振电流的峰值及谐振电流有效值小的结论，适合应用于高频大功率静电除尘电源。