由图5(b)分析,并联谐振电路的电压增益为

(1)

当变换器工作在谐振点附近时,其输出电压增益Gain如图8所示。其中Fn=f/fr(开关频率与谐振频率之比)。当开关频率偏移谐振频率时,输出增益明显减小。因此,可以通过调整开关频率控制输出电压大小,为了保证逆变器工作在感性负载下,开关频率必须沿着大于谐振频率方向变化,如图中A、B、C方向。

图6  容性和感性负载变换器输出电流与电压波形

图7  感性负载时的换流过程

2   系统控制方案

系统控制任务是对Buck电路的占空比和并联谐振逆变器工作频率进行控制。高压输出端的电压经过采样电路,将采样信号反馈到系统控制器,形成一个闭环控制系统,通过PID调节器,调节Buck电路的占空比,控制Buck电路的输出电压,当占空比低于某一个值时,Buck电路会出现电流断续情况,影响输出电压,此时系统控制转向谐振逆变器频率的调整,使开关频率慢慢偏移谐振频率点,输出电压进一步降低。为使谐振逆变器始终工作在感性负载,必须使偏移的方向在高于谐振频率的频段(见图8),应该沿着谐振曲线的A、B、C方向,这两种方式是通过PID控制器输出电压的阈值来控制,如图9所示。

图8  并联谐振逆变器输出电压的频率特性曲线

图9中,ui是电压设定值,uo是高压输出端电压值,uc是PID控制器输出量,ub为阈值量。

图9  系统控制方案结构图

3   系统仿真实验

使用MATLAB/Simulink仿真软件对高压电源系统进行仿真实验,其仿真结果如图10所示。输出电压能够快速准确地达到设定值160kV。另外,在0.2s处加入一个干扰信号,控制系统通过闭环调节能快速准确的调整输出电压在160kV,并且输出电压纹波系数为0.1%,满足设计要求。证明了该电源系统拥有良好的稳定性和抗干扰性。

图10  高压电源系统仿真图

另一重点是调压方式的改进,利用直流斩波变换器和谐振逆变器相结合的方式实现,以及逆变器在感性负载情况下实现零电压(ZVS)导通。在充分考虑变压器漏电感和分布电容的情况下,设计谐振逆变器等效电感和电容值,得到电路谐振频率fr=25kHz。通过MATLAB/Simulink仿真软件,分别对开关频率f=25kHz和f=30kHz进行仿真实验,得到如图11所示结果。从图中结果分析,当开关频率高于谐振频率时,输出增益减小,同时电流波形滞后电压波形,说明逆变器工作在感性负载下,满足设计要求,实现了零电压开关。

图11  谐振逆变器感性负载仿真图

4   结束语

所设计的基于调压调频的X射线电源系统,由于变压器存在寄生参数的影响,使高压开关电源的高频化遇到瓶颈,利用谐振逆变技术,合理设计谐振电感、电容值,实现软开关技术,进而提高开关频率。在调压控制方案中,通过调节前级Buck变换器占空比和调节谐振逆变器工作频率相结合的控制策略,提高了系统的稳定性和安全性,扩大了电源电压的输出分辨率和输出范围。仿真结果证明,所设计的高压电源系统满足设计要求,同时谐振逆变器实现了软开关技术。

作者简介

邹昭武 (1987-),男。四川资阳人,硕士研究生,主要从事智能控制和自适应控制研究。

（御风）