LLC谐振恒流恒压高压充电电源技术研究

黄毛毛，李 瑞，李德明，魏居魁，武万锋

(1.中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201064；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院 上海高等研究院，上海 201210；4.南京博兰得电子科技有限公司，江苏 南京 210014)

高压脉冲调制器是电子加速器升能的主要设备，其脉冲电场在速调管[1]的作用下转换为微波电磁场，通过波导与耦合装置，能量被馈入直线加速器的加速腔内加速电子。为得到稳定微波输出功率，脉冲电压幅度的漂移需尽可能地小，才能提高直线加速器的电子束流稳定度。高压充电电源输出电压的稳定性直接决定了脉冲电压幅度的稳定性，因此，本文拟对激磁电感、谐振电感、谐振电容(LLC)谐振电路的高压充电电源技术进行研究，以提高高压充电电源输出电压的稳定性。

1 恒流恒压高压充电电源

恒流高压充电电源的主要结构如图1所示。整个电源结构分为2部分：第1部分是AC/DC，将三相交流电整流变成直流电；第2部分由Buck变换器[2]、LLC谐振变换器和平面变压器构成。

图1 高压充电电源原理示意图Fig.1 Principle diagram of high voltage charging power supply

电流反馈信号通过高精度直流电流互感器(DCCT)获得，DCCT电流精度可达到额定电流10 ppm[3]。输出反馈电压通过高压分压器(ROSS工程公司)得到[4]。分压器内部充有绝缘气体，压力为6 MPa，分压器电压分辨率为0.01%。所有反馈器件的采样精度均能满足高压充电电源的需要。

2 LLC谐振变换电路的设计

根据变压器实际测量的电感参数设计LLC变换器[5]，变换器由直流输入电源、LLC变换网络以及输出部分组成，如图2所示。根据基波分析原理可得到LLC变换器的等效电路，如图3所示[6]。根据等效电路推导出等效电路电压增益函数G(jω)，如式(1)所示：

(1)

其中：Lm为变压器激磁电感；Lr为LLC变换器谐振电感；Re为负载折算到原边的等效电阻；Cr为LLC变换器的谐振电容；ω为工作开关频率的角频率；j为虚数单位。

图2 LLC变换器框图Fig.2 LLC converter block diagram

图3 LLC等效电路Fig.3 LLC converter equivalent circuit

根据LLC谐振电路分析，电路具有2个谐振频率点fr1和fr2，其表达式如下：

(2)

LLC谐振电路电压增益函数展开为式(3)：

G(jω)=

(3)

|G(jω)|=

(4)

根据传递函数可得到LLC变换输入输出的直流增益特性函数以及增益曲线(k=6.7)，如图4所示。

图4 LLC变换器增益曲线Fig.4 LLC converter gain curve

根据LLC谐振变换器的2个固有谐振频率fr1和fr2与开关工作频率fs的关系，LLC谐振电路可分为3个工作区间[7]。

1)fs≥fr1，电源处于电流连续工作模式，此时谐振网络的输入阻抗特性呈感性，电路功率管工作在零电压导通(ZVS)状态，此区间谐振电容Cr上的电压基本等于输入电压，电路器件也易选择；被动态短路Lm不参与整个谐振过程，此区间电路工作在降压模式，适合于电源负载重的工作模式。

2)fr2

3)fs≤fr2，电源工作在电流不连续工作模式，输入阻抗特性呈容性，功率管不能工作在ZVS状态，导致功率管损耗大，且谐振电容Cr电压会充得很高，电容存在很大风险。此时反馈信号和频率控制关系与其他区间的相反，易造成控制失控。所以一般避免让电源工作在该区间。

根据增益函数可得到LLC变换器的增益曲线，根据增益曲线以及LLC变换器原理分析，在区间2，易因控制参数和负载参数的变化直接转到区间3从而失去控制调整能力，所以设计变换器固定频率工作在区间1[8]，即fs≥fr1区间。

3 LLC谐振变压器设计

图5 叠层磁芯变压器电路Fig.5 Laminated core transformer circuit

LLC谐振高压变压器采用叠层磁芯结构[9]，如图5所示，此变压器结构在高压绝缘处理方面较简单，如图6所示，通过绝缘薄膜实现印刷电路板(PCB)之间的绝缘，每层绝缘薄膜耐压只需考虑两块PCB间的电压差。

图6 叠层磁芯绝缘电势分布Fig.6 Potential distribution of laminated core

高压充电电源的最大输出功率为25 kW，工作频率设计为20 kHz。由于高压变压器采用叠层磁芯平面变压器结构[10]，根据经验，高压变压器磁芯能满足面积乘积(AP)法的条件。由于AP法是按照功率选择最经济的磁芯尺寸，而高压变压器主要考虑的是绝缘安全距离的要求。所以主要按照工作饱和磁通密度Bmax来校核变压器磁芯尺寸，如式(6)所示：

1.414×380×1.07 = 574.9 V

(5)

(6)

式中：Uin,max为输入电压最大值；N1为变压器初级线圈匝数；kf为波形系数，输入方波电压时取1；f为工作频率；Ae为变压器磁芯截面积；Bmax为最大电压时的工作饱和磁通密度。

根据趋肤效应公式，铜导线工作频率在20 kHz时，趋肤深度为0.461 mm，所以改用φ0.1 mm的细铜丝。根据5 A/mm2的电流密度选择φ0.1 mm的线绕组需大于2 000根，选2UEW 0.1×2 500规格电缆。次级绕组PCB板布线铜箔的选择：布线宽度选2 mm、布线厚度选0.072 mm。由于75 μm厚的聚酰亚胺薄膜耐受电压大于15 kV[11]，所以用其进行隔离分段磁芯，可轻易满足PCB板之间和磁芯之间的耐压。同时因为磁芯分段增加了磁芯的气隙，会造成磁芯激磁电感Lm较小，为提升激磁电感、减少激磁电流、增加初级线圈匝数，并满足电压变比，次级线圈需相应增加匝数。综合考虑，为平衡激磁电流和变压器分布参数的影响，变压器初级线圈取14圈，次级线圈单元取17匝，84个单元共1 428匝，总匝比ns=1∶102。磁芯的截面直径为8 cm，所以磁芯的截面积Ae为50.24 cm2。次级匝数的增加，可通过PCB多层布线来弥补单面布线面积不足的问题12]，从而降低LLC谐振电路的工作频率，功率器件和控制方式即可简化，进而提高整个电源的可靠性。

对于多路气隙的变压器，由于通过计算公式不易得到变压器的电感参数，根据变压器绝缘薄膜层数的变化，通过电感电容电阻(LCR)测试仪器测量变压器电感参数，结果示于图7。由图7可见，在绝缘薄膜层数为14时，变压器的初级激磁电感Lm为432 μH，漏电感Lr为66 μH。

图7 变压器电感参数Fig.7 Inductance parameter of transformer

4 LLC谐振变换器电路计算

LLC谐振变换器采用IGBT功率管，电路的工作频率fs选为20 kHz。根据LLC电路工作模式和谐振频率，选择Cr为1.36 μF(2个0.68 μF的电容并联)，谐振频率fr为16.8 kHz；根据LLC谐振3个工作区间分析，工作频率大于LLC谐振电路的谐振频率，从而使整个谐振电路工作在第一区间，保证LLC谐振变换器工作在ZVS区域，LLC变换器谐振电流和激磁电流波形示于图8。

图8 LLC变换器谐振电流和激磁电流波形Fig.8 Resonant current and excitation current waveforms of LLC converter

(7)

假设谐振电流波形为：

Ir(t)=Ipsin(2πfrt+θ)

(8)

图9 高压输出电流纹波波形Fig.9 High voltage output current ripple waveform

5 实验结果

图10 叠层变压器整体Fig.10 Overall laminated transformer

高压充电电源结构分为2部分。第1部分是AC/DC，将三相交流通过升压变压器整流变成直流电压；第2部分是Buck变换电路、LLC谐振变换电路和变压器，整流输出电压通过Buck变换器稳压，经LLC谐振变换器由升压变压器输出直流高压。LLC谐振功率管采用FF300R12me4，工作在20 kHz频率下能满足电源要求；输出负载电容为0.5 μF，2个22 nF滤波电容并联后7组串联，均压并联电阻为6.37 MΩ，功率损耗为400 W；全桥电路工作在LLC谐振状态，实现整流碳化硅二极管零电流开通和关断[14]，同时在输出PCB板上增加二极管焊盘的覆铜面积，有助于改善整流二极管的温升[15]。高压充电电源的主电路设计和主功率电路的搭建示于图10，因输出负载功率不足，电源实际输出为50 kV、电流为331 mA的信号波形，如图11所示。在此高压输出条件下完成了测试，采用Keithley2701配合7700多路采集卡(采样时间10 ms/次)、分压电阻为10 000∶1的Metallux.de精密分压器搭建的测试平台示于图12。由于脉冲高压充电电源工作的重复频率为2 Hz，所以整个电源稳定性主要关注恒压阶段500 ms内输出高压的稳定性。50 kV电压的输出波形示于图13。由图13可知，恒压时输出电压稳定性达78.5 ppm。

图11 高压充电电源50 kV时的输出波形Fig.11 Output waveform of high voltage charging power supply at 50 kV

图12 高压稳定性测试平台Fig.12 Stability test platform of high voltage

图13 50 kV电压输出波形Fig.13 50 kV output voltage waveform

6 结语

LLC谐振变换电路结合叠层磁芯变压器，实现了高压充电电源高稳定性电压输出。但整个电源结构相对复杂，应继续深入研究调整电源控制方法，采用脉冲调制(PFM)直接控制LLC谐振电路实现恒流恒压控制和不同负载情况下的高压稳压输出，简化高压充电电源结构，提高电源的可靠性。

随着脉冲高压电源工作频率的增加，通过研究提高LLC谐振变换电路开关频率来提高充电电源的充电响应速度，满足脉冲高压充电电源的需求。