高壓脈沖電源是高壓電源的一種，其輸出一般是由一定寬度和一定重復(fù)頻率的脈沖組成，高壓脈沖電源的種類有很多，按高壓脈沖電源的實(shí)現(xiàn)的方法其可分為機(jī)械開關(guān)式，高壓固態(tài)開關(guān)式，和Marx網(wǎng)絡(luò)（Marx發(fā)生器）等。其中高壓固態(tài)開關(guān)式，和Marx網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)納秒級的窄脈沖和很高的脈沖頻率。

采用MARX發(fā)生器獲取陡前沿高壓窄脈沖的電路較復(fù)雜，而且陡化前沿有許多設(shè)計(jì)和工藝上的困難；采用電感斷路的方式容易獲取高壓脈沖輸出，但對電感的充電必須迅速，而且儲(chǔ)能時(shí)間不能過長，電源需具備較高的內(nèi)阻和較大的功率，而斷路開關(guān)是其發(fā)展的瓶頸。與電感儲(chǔ)能裝置相比，電容器的穩(wěn)定且可重復(fù)的快速閉合開關(guān)要普及得多，電容器的能量保持時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電感儲(chǔ)能裝置，并且可以小電流充電降低對充電功率的要求。充電電源的高效率和小型化主要由充電電路決定，傳統(tǒng)高壓功率脈沖電源一般采用工頻變壓器升壓，采用磁壓縮開關(guān)或者旋轉(zhuǎn)火花隙來獲取高壓脈沖，因而大都比較笨重，且獲得的脈沖頻率范圍有限，其重復(fù)頻率難以調(diào)節(jié)控制、脈沖波形不穩(wěn)定、可靠性低、成本高。

本文將LCC串并聯(lián)諧振變換器作為高壓脈沖電源的充電電源。LCC串并聯(lián)諧振變換器結(jié)合了串聯(lián)諧振變換器抗短路特性和并聯(lián)諧振變換器抗開路特性的優(yōu)點(diǎn)[1],在輸出電壓、輸出電流強(qiáng)烈變換的場合有著良好的特性和較高的變換效率。本文介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及LCC充電電路原理，以及采用通過仿真軟件PSIM對LCC充電過程和發(fā)生器放電輸出進(jìn)行的仿真分析。

　　1 LCC諧振變換充電高壓脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1.1 電源主電路結(jié)構(gòu)和工作原理

串聯(lián)電路：用電器首尾依次連接在電路中   特點(diǎn)：電路只有一條路徑，任何某處故障都會(huì)出現(xiàn)斷路。故障排除方法之一：用一根導(dǎo)線逐個(gè)跨接開關(guān)、用電器，如果電路形成通路，就說明被短接的那部分接觸不良或損壞。千萬注意：不可用導(dǎo)線將電源短路。串聯(lián)電路電壓規(guī)律：串聯(lián)電路兩端的總電壓等于各用電器兩端電壓之和

電路由工頻整流濾波、功率因數(shù)校正電路PFC（Power Factory Correction）、LCC諧振變換器、高頻整流、電容充電儲(chǔ)能、電感緩沖隔離、IGBT全橋逆變及脈沖升壓變壓器等單元構(gòu)成。電路工作過程：220 V交流通過整流濾波和PFC校正得到輸出連續(xù)可調(diào)的直流，通過LCC串并聯(lián)諧振逆變經(jīng)高頻升壓后向儲(chǔ)能電容C充電，經(jīng)過IGBT全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出。

　　LCC串并聯(lián)諧振變換器由4個(gè)功率開關(guān)管與諧振電感Lr、串聯(lián)諧振電容Cs、并聯(lián)諧振電容Cp組成，工作原理是：利用電感、電容等諧振元件的作用，使功率開關(guān)管的電流或電壓波形變?yōu)檎也ā?zhǔn)正弦波或局部正弦波，這樣能使功率開關(guān)管在零電壓或零電流條件下導(dǎo)通或關(guān)斷，減少開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)的損耗，同時(shí)提高開關(guān)頻率、減小開關(guān)噪聲、降低EMI干擾和開關(guān)應(yīng)力。

（4）開關(guān)模態(tài)4[t3,t4]

在此開關(guān)模態(tài)中，所有開關(guān)管和二極管均關(guān)斷，iLr為零，vCp保持不變。在t4時(shí)刻，開關(guān)管Q2、Q4零電流開通，開始另一半開關(guān)周期，重復(fù)工作過程開始。電路工作波形，設(shè)在t0時(shí)刻，諧振電感的初始電流為

　　1.3  高壓脈沖形成電路

高壓脈沖的形成是通過對前級產(chǎn)生的高電壓（電流）進(jìn)行開關(guān)控制從而輸出脈沖，設(shè)計(jì)中在開關(guān)速度滿足要求的情況下，采用IGBT串聯(lián)形式，利用全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出，當(dāng)開關(guān)Q5、Q7閉合，Q6、Q8斷開時(shí)，輸出電壓為正；當(dāng)開關(guān)Q6、Q8閉合，Q5、Q7斷開時(shí)，輸出電壓為負(fù)，得到雙極性的脈沖輸出。改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率，控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間即可調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，得到脈寬與頻率均可調(diào)的雙極性高壓脈沖波。

整個(gè)系統(tǒng)的控制由控制器和驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，主要完成LCC諧振電路的輸出電壓調(diào)節(jié)、控制和全橋驅(qū)動(dòng)及后級脈沖形成電路的變頻變寬輸出脈沖控制和IGBT同步觸發(fā)等。采用的TMS320F2812開發(fā)板，內(nèi)部集成了16路12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)事件管理器模塊、1個(gè)高性能CPLD器件XC95144XL,可實(shí)現(xiàn)過壓、過流保護(hù)在內(nèi)的電源系統(tǒng)運(yùn)行全數(shù)字控制，提高了輸出電壓的和穩(wěn)定度。采用軟件編程實(shí)現(xiàn)控制算法，使得系統(tǒng)升級、修改更為靈活方便。

　2 電路參數(shù)的選取與仿真分析

令K=Cp/Cs,為不同k值下的充電電壓、充電電流和諧振電流波形。對k分別取1、1/2、1/4、0,可知，k取值越小充電電壓越高；而充電電流在誤差允許的情況下可認(rèn)為是恒定的，即恒流充電。可看出，隨k值的減小，iLr為零的模態(tài)時(shí)間增長，iLr為零時(shí)并不傳輸能量，導(dǎo)致輸出功率減少。因此，根據(jù)上述分析，在滿足諧振軟開關(guān)的前提下，應(yīng)選擇合適的k值使LCC諧振變換器工作在狀態(tài)，以減少諧振停滯時(shí)間，提高電源工作效率。

本文設(shè)計(jì)了一種基于LCC串并聯(lián)諧振逆變充電高壓脈沖電源，分析了LCC電路在DCM模式下的工作模態(tài)，并進(jìn)行了公式推導(dǎo)，說明了k取值的重要性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了LCC串并聯(lián)諧振充電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)恒流充電，提高電源工作效率；該設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，能夠把變壓器的漏感和分布電容納入諧振參數(shù)中，從而消除這些參數(shù)對逆變器的影響，且利用串并聯(lián)諧振逆變充電作為對中間儲(chǔ)能電容充電的結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)裝置的小型化和快速充電。