ZVZCS变换器在阴极保护电源中的应用

夏泽中，廖小松，罗海峰

(武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070)

在国民经济生产中，使用大量金属管道和金属储罐来输送和存储石油、天然气或其他物质。一般情况下，这些金属管道或金属储罐都是放置于地表或地下，由于长期与地下物质接触因而在接触面形成原电池，发生电化学反应，导致金属件的腐蚀。在所形成的电化学反应中，金属件失去电子成为阳极，在反应过程中被消耗掉。

为了延长金属管道和金属储罐的使用寿命，采用阴极保护方法，可以使金属件减缓或避免腐蚀。阴极保护技术就是通过形成直流电流，对金属表面电化学反应施加干扰，从而改变金属件的相对电位，使金属结构免遭腐蚀[1－3]。阴极保护示意图如图1所示。

图1 阴极保护示意图

目前，国内广泛使用的防腐电源设备恒电位仪，普遍采用传统的以晶闸管为功率元件的相控整流技术。相控整流技术的缺点是效率和功率因数低，装置的体积较大[4]。为了解决这些问题，笔者把软开关技术引入防腐电源系统中，从而提高了开关频率和装置的功率密度，减小了开关损耗。

1 电路结构与原理

针对金属结构防腐阴极保护的应用问题，笔者提出了一种模块化阴极保护设计方案。模块化的DC－DC变换器在零电压零电流(ZVZCS)状态下工作。采用高频变压器隔离，工作频率为20 kHz，使变压器的体积大大减小，同时提高了电源效率。

图2为该设计的系统框图。从图2中可以看出前级整流采用的是二极管不可控整流，DC－DC高频变换器是整个系统的核心。通过采样直流输出电压U、电流i以及参比电位V，建立反馈控制。

图2 系统框图

图3为DC－DC变换器的拓扑结构。通过三相不可控整流得到直流电压Vdc约为515 V，为DC－DC变换器提供稳定的直流电压。模块化的ZVZCS DC－DC变换器由单相全桥逆变器、高频变压器、输出高频整流桥，以及输出LC滤波器组成。DC－DC变换器将输入的515 V电压转换为输出0～50 V连续可调的直流电压。从图3中可以看出，系统负载将作为DC－DC变换器的终端。DC－DC变换器的负载可以等效为纯电阻，这个负载可以是储油罐、油轮船体和输油管道等。

图3 DC－DC变换器拓扑图

ZVZCS移相全桥变换器在传统的移相全桥变换器的基础上增加了两个二极管和一个辅助变压器。辅助变压器的初级与主变压器初级串联，辅助变压器的次级连接在无源支路和滞后臂之间，输出功率由移相角α决定[5]。滞后臂在辅助元件 C2、C4、Llk、Lf作用下实现 ZVS，同时无源支路根据初级侧电流工作。Llk为辅助变压器与主变压器初级侧漏感之和。与C2和C4并联的开关管Q2和Q4在零电压情况下断开。超前臂在辅助变压器作用下实现ZCS，辅助变压器使电压复位，并且吸收漏感Llk上的无功功率，同时使初级侧电流在开关动作之前复位。这种拓扑结构只额外增加了一个体积很小的辅助变压器，大大减少了由磁饱和引起的电路不对称或短路现象。ZVZCS移相全桥变换器滞后臂实现零电压开关，超前臂实现零电流开关，一般来说，在零电压变化的开关间隙Llk+(N1/N2)2Lf的能量远大于并联电容Cr电压VCr上升到最大值的能量，因此，实现滞后臂的零电压开通的条件为:

超前臂的开关器件实现零电流变换的条件为:

其中:Ts为DC－DC变换的开关周期;Dmax为占空比最大值。零电流变换的条件可以很容易地通过选择合适的辅助变压器N3/N4的值来实现。

这种零电压零电流变换可实现高频全桥变换，在输入与负载之间可利用高频隔离变压器，从而减小变压器和输出滤波器的体积和质量[6]。此外，当直流变换器工作在续流模式的时候，辅助变压器和整流二极管使得全桥器件和主变压器上的感性电流减小为零。因此，在减小变压器体积和质量的同时提高了系统的效率[7－9]。主变压器二次测得的LC滤波使输出电压和电流更加平滑。

DC－DC变换器输出电压的控制是通过移相PWM的方法实现的。假设DC－DC变换器在理想的硬开关条件下运行，则超前臂U点的电压VU，滞后臂V点电压VV以及UV之间的电压VUV波形如图4所示。

图4 移相全桥直流变换波形

VUV的电压与VU，VV之间的相位差Φ成正比，而整流输出电压的平均值随零电压/零电流操作而变化，输出电压Vo可以用式(3)表示。

其中:N2/N1为主变压器变比;为平均电压。

阴极保护电源中的DC－DC变换器一般有两种工作模式，分别为手动工作模式和自动工作模式。在手动工作模式中，将基准电压作为系统输入来调节DC－DC变换器的输出，基准电压的大小取决于埋地管道附近的土壤结构、环境条件。在自动模式下，通过检测管道附近Cu/CuSo4参比电极电压来跟踪设定的阴极保护电位Vcp，这个电位参考阳极对阴极保护电源负极的电位差，即:

根据环境因素，维持Vref在－0.85～－1.50 V范围之间，可以实现保护阴极的目的。

2 仿真模型及结果分析

为了验证以上的分析，对ZVZCS DC－DC变换器进行了仿真验证，仿真工具为PSPICE[10]，采用开关模型，设计参数为:输入为三相交流电，fs=20 kHz，主变压器变比 n=4，Lf=0.14 mH，Cf=6.8 μF。主功率电路仿真模型如图5所示。

图6为超前臂的电压电流波形，可以看出当开关管的电流变为零后，过一段时间开关管关断，因此实现了零电流关断。图7为滞后臂的电压电流波形，可以看出当开关管的电压变为零，一段时间之后电流从零开始增大，实现了零电压开通。图8为主变压器原边电压波形和电流波形。

图5 主功率电路仿真模型

图6 超前臂软开关波形

图7 滞后臂软开关波形

图8 主变压器原边电压、电流波形

图9显示了当负载变化时，DC/DC变换器的效率曲线。表明在大电流工作的情况下，系统仍能得到较高的效率。

3 结论

图9 效率曲线

笔者对一种ZVZCS DC－DC变换器的变换条件进行了分析，并且通过PSPICE仿真对该模型进行了仿真验证。软开关技术已广泛应用于开关电源中，如利用饱和电感的 DC－DC变换器、带辅助网络的ZVS(零电压变换)DC－DC变换器等。而笔者利用辅助变压器和辅助二极管实现ZVZCS变换的结构，也能较好地实现软开关。与以上两种拓扑相比，该拓扑在减小占空比丢失上并无显著改进，但引入的变压器体积很小，大大减少了由磁饱和引起的电路不对称或短路现象。这种结构的DC－DC变换器在阴极保护电源中具有较好的应用前景。

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