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高效紧凑的高压脉冲电容器恒流充电电源

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标签: 高效紧凑的高压脉冲电容器恒流充电电源

        基于高频谐振电路研制的高压脉冲电容器充电电源, 采用IGBT 构成电源的软开关电路和闭环变频控制充电电流的方式。对输出端负载大范围变化引起的谐振频率漂移, 采用微调开关时间, 保证了变换器开关零切换, 显着降低了导通、关断时IGBT 的损耗。通过对100uF 高压电容器充电实验, 证明恒流充电电源的恒流效果好、充电重复精度和效率更高, 在短路状态下能安全可靠地工作。

2006 年 3 月 高能量密度物 理 第1期 高效紧凑的高压脉冲电容器恒流充电电源 任青毅, 曹科峰, 黄 斌, 李素江 ( 中国工程物理 研究院流体物理研究所 107 室, 四川绵阳 621900) 摘 要: 基于高频谐振电路研制的高压 脉冲电 容器充 电电源, 采用 IGBT 构成电 源的软开 关 电路和闭环变频控制充电电流的方式。对输出端负载大范围变化 引起的谐 振频率漂移, 采用 微调 开关时间, 保证了变换器开关零切换, 显著降低了导通、关断时 IGBT 的损耗。通 过对 100 F 高压 电容器充电实验, 证明恒流充电电源的恒流效果 好、充电重复精度 和效率更 高, 在短 路状态下 能安 全可靠地工作。 关键词: 恒流充电电源; 串联谐振开关变换器; 零电流 开关控制 1引言 为了使充电电源达到效率和充电重复精度高、功率密度大的要求, 采用了具有串联谐振开 关变换器电路结构, 固定开关导通时间、变频控制以及零电流切换的高压高功率电容器充电电 源( CCPS) 技术。输出特性满足电容器充电电源要求的三阶段: 线性充电- 电压维持- 放电。 但该技术忽略了高压变压器分布电容的影响, 没有根本解决开关频率变化时引起谐振频率漂 移和存在非零电流关断的现象。在本电源研制中, 对 CCPS 不足之处进行了改进, 显著降低了 导通、关断时变换器开关的损耗, 提高了系统的效率。由于要求 CCPS 高效紧凑, 文中详细介 绍了提高效率的方式。 2 工作原理 图 1 是 CCP S 的串联谐振开关变换器电路图。串联谐振变换器由 IGBT ( 绝缘栅双极晶 体管) 组成的功率开关 S1~ S4、二极管 D1~ D4、电感 L 与电容 C、高压变压器 T 、输出整流器 B 以及负载电容 CL 组成。 图 1 串联谐振开关变换器电路 工作时 S1、S3 或 S2、S4 轮流导通, 产生的方波电压加到 L C 组成的谐振电路上。由于谐 振产生一个近似于正弦波的电流, 电流的周期在开关 S 的接通和断开之间, 相当于 零电流 时 第1期 任青毅等: 高效紧凑的 高压脉冲电容器恒流充电电源 7 开关动作。二极管 D 只允许定向的能量传输, 使振荡电流第二个周期不能出现, 以消除振荡。 谐振电路产生的能量包经升压整流后, 输送给储能电容。因此, 从输入到输出形成的有效能量 几乎无损耗传输, 大大降低了传导和辐射噪声电平。 与普通电源中的串联谐振变换器稳态分析不同 的是, 改进后的储能电容器的电压是一个变量, 随充 电时间迅速变大。当变压器、开关元件是理想状态 时, 变换器电路的完整工作周期分为 4 种模式[ 2] 。 第一种模式的等效电路如图 2 所示, 此时 S2 和 S4 导通, 谐振电流 I R为正。储能电容等效到变压器的 初级为 CL!。V 3 ( t0 ) 为折合初级回路上储能电容的 初始电压。 I R ( t) = V BUS - V 2(t0) Z0 V 3 ( t0 ) sin[ 0 ( t - t0) ] 图 2 等效电路 + I R ( t 0 ) cos[ 0 ( t - t0 ) ] t 0 < t < tx ( 1) 式中: t0 、tx 分别为起始与结束时间; 特性阻抗 Z0 = L / Ceq ; 谐振频率 0 = 1/ LC eq 。Ceq 由 C 与 C L!串联而得, CL!为 CL 与变压器匝数比平方的乘积。在变压器高压输出情况下, CL!远大 于谐振电容 C, 所以电路中的电容值由 C 决定。这是 CCP S 使用串联谐振结构的重要原因之 一, 正因为这样, CCPS 在对不同值的储能电容进行充电时, 不会影响转换器的特性阻抗和谐 振频率。而如果用并联谐振变换器对电容充电, 负载电容等效到变压器初级后与谐振电容并 联, 谐振频率会随着连接在 CCP S 输出端的负载电容的变化而迅速变化[ 3] 。 ( 1) 式中电流由两个正弦波组成。如果开关 S2 和 S4 导通时间足够, 在导通时间内, 正弦 谐振电流就会衰减到零。故只要开关频率低于谐振频率, 就能实现零电流切换。为保证实现 零电流切换, 开关 S2、S4 与 S1、S3 的导通时间取值相等, 且为谐振周期 T 0的 1/ 2。 其它模式与第一种模式的电流有同样的格式, 唯一的区别是式中电压符号相反。 3 线路分析 3. 1 高压变压器分布电容对谐振频率比的影响 实际的变压器并非理想, 存在分布电容, 且对 CCP S 的变换器等效电路还有一个并联分 量, 文献[ 2] 对此作了忽略处理。CCP S 的负载变化 很大, 又处于变换的高频高压下, 尽管高压变压器的 分布电容很小, 但它以并联的方式存在于电路里, 使 谐振频率随输出电压的升高( 开关频率增高) 而有所 升高[ 4] 。由于开关的导通时间被固定, 不再是谐振 周期 T 0 的 1/ 2, 因此变换器非零电流关断, 影响整 机效率。图 3 充分显示了这一现象。 为解决这个问题, 通常采用变化变压器绕组绕 法[ 1] , 如增大层间距离和增加高压侧绕组层数, 既减 小分布电容, 又使绝缘性能变好; 或增加激磁电感即 图 3 采用零电流控制前的变换器工作波形 增加初级绕组匝数。但这些措施容易增大漏感和体 8 高能量密度物理 2006 年 3 月 积, 且不能完全消除分布电容的影响。 3. 2 谐振特性阻抗与充电电流的关系 电容充电时必须将充电电流限制在安全值的范围内。从( 1) 式看出, 利用 Z0 可以限制电 流。选择较大的 Z0 时, 输出电压在趋向预置电压的过程中会使充电电流减小, 充电时间延长。 选择过小的 Z0 , 输出电压在趋向目标电压时又会使充电电流很大, 造成充电开始时, 电流超出 CCP S 中元件的额定值。 4 控制策略 4. 1 充电电流控制 在谐振频率不变的情况下, 通过改变开关频率与谐振频率的比值来改变流经谐振电路的 电流。该比值可以恒定也可以变化, 可取代对 Z0 的选择。 对于可变比值, 在充电周期初始时改变开关频率得到一个与谐振频率的比值, 该比值限制 电流在安全值内。当输出电压渐渐升高时, 调整开关频率逐渐趋向谐振频率, 充电电流加大, 使充电电流前后一致, 如图 4 所示。这种控制是利用储能电容器上的反馈信号( 该信号反映了 充电电容上的高压或充电电感的电流) , 通过专用控制芯片改变开关频率。 图 4 充电始和末 的电流波形 对固定的开关频率, 需通过选择适当的比值来限制充电初始电流。 4. 2 电流过零检测控制 谐振频率变化时, 为了使变换器开关的导通时间能与之同步调整, 变换器开关 S2、S4 与 图 5 零电流开关 图 6 采用零电流控制后的变换器工作波形 第1期 任青毅等: 高效紧凑的 高压脉冲电容器恒流充电电源 9 S1、S3 的导通时间要始终等于谐振周期 T 0 的 1/ 2。采用电流过零检测、控制开关电路, 消除了 变压器分布电容的影响, 使开关精确地零电流关断[ 5] 。 电流过零测控技术是对变压器初级电流进行监控。在零电流时, 用比较器终止控制芯片 中控制驱动脉冲的锯齿波输出, 从而改变开关驱动脉冲宽度, 使变换器开关时间随谐振电流频 率的改变而改变, 始终跟随在零电流时进行关断。其工作波形如图 5 所示, 可以看出锯齿波在 放电完毕前被截止, 所生成的驱动开关信号宽度被改变。图 3 和图 6 分别为加入零电流开关 测控电路前后的开关电压和谐振电流波形。 5 CCPS 工作过程 5. 1 充电过程 充电开始时, 因输出电压为零, CCP S 向一个几乎短路的负载充电。初始电压为零时, 缓 启动过程限制了由储能电容器引起的电流的涌入。缓启动的方法是在充电中由低到高改变开 关频率。 当储能电容上的电压达到一定值后( 即电流可以被限制在开关管的额定值之下) , 变换器 以设计的最大开关频率工作, 直至负载电容上的电压达到其目标电压的 90% 。此后, 开关频 率以与电容电压的增加成正比的速度逐渐下降, 直至达到目标电压为止。充电快结束时降低 开关频率, 也就降低了电压的过充概率。 由于开关导通时间为谐振周期的一半, 所以当电流为零时, 开关总被断开。在慢启动过程 中, 开关频率很低, 电流不再连续。当开关频率为最大值时, 电流接近正弦波, 开关在零电流时 进行切换, 如图 4 所示。 5. 2 电压的保持 在充电结束、放电之前的电压维持期间, 电容上的电压一直维持在目标电压上。这是由于 零星的能量包补偿了寄生电阻器和电容器的泄漏电, 使电荷保持在电容上。这期间开关频率 低于充电时的频率, 其高低与负载电容的泄漏快慢有关。 5. 3 实验结果 本电源的主要技术指标: ( 1) 恒流输出, 线性充电, 以适应负载各种类型的短路状态; ( 2) 主 机输出电 0~ 20kV 连续可调; ( 3) 工作电压为 15kV; ( 4) 充电时间 ∀ 1min; ( 5) 充电源效率 # 90% ; ( 6) 充电电压重复精度 ∀ ∃ 0. 5% 。 图 7 是在无任何限流元件下, 对 100 F 电容器充电的 电压波形, 可见线性很好。实验证明充电电源的恒流输出 稳定, 效率达 94% , 大大高于以往的充电设备, 重复精度小 于 0. 05% , 超过要求技术指标。这是因为充电电源变换器 的开关真正实现在零电流时切换, 大大减少了开关损耗, 提 高了效率; 同时高频的电流脉冲能量充电使电容器的充电 电压得到精确控制。 图 7 充电电 压波形 6结语 研制的高效紧凑型 CCPS 达到预期目的, 效率、充电精度均大幅提高。与线性充电电源 相比, 体积缩小五分之一以上。该电源不但体积小、效率高, 而且恒流特性好、充电快、精度高、 10 高能量密度物理 2006 年 3 月 干扰小, 值得推广。 参考文献: [ 1] Souda M , Endo F, Y amazaki C, et al. 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P ro tduct & A pplicatio ns H andbook, 1996. %高能量密度物理&征稿简则 %高能量密度物理&是由中国工程物理研究院流体物理研究所主办的内部科技期刊。它的 前身是%爆轰波与冲击波&, 为适应我所研究领域的扩展, 更全面地反映科技人员的研究动态和 成果, 从 2006 年第 1 期起更名为%高能量密度物理&。 征稿内容: 爆炸力学、高压物理、计算力学与计算物理、加速器物理与技术、脉冲功率技术、 强激光效应、光电学及图像处理技术、应用电子学与应用光学、先进常规兵器技术、计算机应用 技术等方面的研究论文、简报、综述。 投稿注意事项: ( 1) 论文格式请参考近期出版的%爆轰波与冲击波&。 ( 2) 稿件内容不得涉密, 投稿时应附作者所在单位进行的保密审查证明。 ( 3) 论文题名要反应文章的主要内容, 用词应简明、恰当、严谨、規范, 避免使用非公知公 用、同行不熟悉的外来语、缩写词、符号、代号、数学式、化学式等, 一般不超过 20 个汉字。 ( 4) 论文摘要应含有目的、方法、结果、结论, 一般不超过 300 字。 ( 5) 参考文献应按顺序编码注录。文献序号请在正文引用处用上角标注明。 ( 6) 插图应清晰, 表格采用三线表, 物理量和单位用国家现行标准表达。 ( 7) 稿件将由编辑部组织同行专家进行评审, 及时向作者转达评审意见。对采用的稿件请 按修改要求进行修改, 并寄送修改后的电子版文档。 ( 8) 本刊已加入%中国期刊全文数据库&, 凡已在国内公开刊物上发表的文稿, 本刊不再受 理。来稿一经刊登, 将赠送样刊 1 册, 并酌致稿酬( 包括网络版稿酬) 。 来稿请寄: 四川绵阳 919 信箱 110 分箱%高能量密度物理&编辑部, 邮政编码: 621900 电 话: ( 0816) 2495407 办公地点: 流体物理研究所办公楼 C 区 3 楼 322 房间 %高能量密度物理&编辑部
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