高压逆变电源负载阻抗特性分析

0 引言

目前，在臭氧发生器、污水处理、烟气脱硫、高功率激光、等离子体放电等技术领域，高压逆变电源正得到越来越多的应用。传统的高压逆变电源一般由工频或中频变压器直接升压或LC串联谐振获得，不可避免地存在体积大、效率低的缺点。在目前许多需要高压电源的场合，采用高频技术和软开关技术，可以有效减小高频电源体积、重量和损耗，所以高频高压逆变电源是未来发展的方向。

由于高压逆变电源的应用领域不同，负载的阻抗也会不同；另外电源在工作时负载阻抗会随温度的变化而变化，所以研究负载的变化对逆变电源输出参数的影响有着重要的意义，也是设计一个优良电源的关键。本文根据实际应用中的逆变电源，分析了负载阻抗变化的特性。

1 实际电路及其工作原理

高压逆变电源前级一般采用不控整流、全桥逆变，后级采用串联谐振软开关结构。本实验电源也是这种结构。由于电路实际中要求负载在短路时对系统影响很小，所以负载不能直接串联在后级谐振回路中，而采用负载部分接入的方式，本实验电路框图如图1所示。


其具体组成如下：1)调压器。输入220V工频电压，输出0~220V可调；2)整流：全桥整流；滤波：4个450V／470 μ F电容并联；3)逆变。全桥逆变电路，由控制电路、驱动电路、保护电路和MOS管组成的全桥开关构成；控制电路由TL494构成，可以通过改变脉冲宽度改变输出参数；开关管采用三菱的MOSFET管，极限参数为20A／1200V；4)高频变压器。采用高频升压变压器，原边线圈3股50匝，副边2股80 匝；5)谐振电容。由14个22nf、／1200V电容组成，构成谐振软开关电路，电路的设计谐振频率为100KHz；6)负载和其中四个电容并联，采用部分接入形式。此电路负载在试验测试时用可变电阻代替。

工作原理：交流电经调压器调压后，由整流滤波电路整流成直流电，全桥逆变回路将经过的直流电压转换成高频交流电，再经过高频升压变压器和串联谐振回路加到负载上，使负载工作，调节回路的谐振频率来调节输出的电流和电压。

2 负载阻抗变化特性的分析和仿真

简化的逆变电源系统中谐振负载回路如图2所示，L为变压器的漏感，C1、C2为谐振电容，Rp为负载电阻。为便于分析，对于图2我们可以等效为标准的串联谐振形式，如图3所示。


等效转换后，电路中参数数值对应关系如下：


对于全桥结构的串联谐振逆变器，其输出电流与负载电阻的对应关系如式(3)所示：


其中Ude为直流母线电压，R为负载直流电阻，N1、N2分别为变压器原边和副边的匝数。B为逆变器输入电压信号基波分量与输出电流的相位差。

在串联谐振回路中，输出基波电压和电流的相位差β南电路的工作频率f、回路负载阻抗R、谐振电感L和电容C决定，其关系式为：


实际应用中电路工作频率约为110KHz，Ude和L都为已知量，根据上面分析的电路工作原理，把式(1)、(2)、(4)式代入式(3)可得输出电流 10和负载阻抗Rp的函数式，在Rp取值在100 Ω到10k Ω之间时，我们利用Matlab仿真得Rp与IO的变化曲线如图4所示。


已知回路的电流，可得负载Rp两端的输出电压UO


由于IO是负载Rp的函数，所以由式(5)可知U0也是Rp的函数，在Rp取值在100 Ω到10k Ω之间时，我们利用Matlab仿真得到如图5所示的Rp与U0的变化曲线。


由仿真曲线可知，在负载在一定范围变化时，电流电压基本成线性变化，以后逐渐趋于平缓，电流电压特性不再受负载阻抗变化的影响。

本文提出的试验用高压逆变电源已应用于臭氧发生器电源，放电电压、电流分别在1600V、4A左右，工作于平缓区域，电压电流在负载阻抗的变化范围内基本保持不变。该逆变电源工作稳定，并已经产品化。

3 结论

本文根据实际应用的一个逆变电源，对高压逆变电源负载变化对输出参数的影响进行了理论分析和推导；根据理论分析，对分析结果进行仿真，给出仿真波形；最后根据实际应用的逆变电源，证明了所给出理论分析、仿真的正确性。因此分析结果对逆变电源谐振回路的设计、参数选择具有实践指导价值。

编辑：博子