串聯(lián)諧振充電電源分析及設計

1、第16卷第12期強激光與粒子束Vol.16,No.122004年12月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Dec.,2004文章編號:100124322(20041221611204串聯(lián)諧振充電電源分析及設計X蘇建倉1,2,王利民2,丁永忠2,宋曉欣2(1.西安交通大學,陜西西安710049;2.西北核技術研究所,陜西西安710024摘要:推導了串聯(lián)諧振充電電源不同工作模式下的電流、電壓計算公式,給出了計算不同周期電流、電壓值的遞推公式;應用遞推公式說明了這種電源的脈動恒流充電特性;給出了負載電容不完全放電情況下電源參數的計算方法。在負載電容完全放電的

2、情況下,電源的平均輸出功率為最大輸出功率的一半,在負載電容電壓基本維持恒定的情況下,電源平均輸出功率與最大輸出功率相等;最后給出了一臺為Tesla型加速器初級儲能電容充電的諧振電源的設計實例,電源的實測結果和計算結果一致,在100Hz重復頻率下運行穩(wěn)定可靠。關鍵詞:串聯(lián)諧振;恒流充電電源;脈沖功率中圖分類號:TM531.2文獻標識碼:A脈沖功率技術領域通常對電容器慢速充電、快速放電獲得高功率輸出。單次工作的脈沖功率裝置多采用常規(guī)的工頻直流電源作為電容器的充電電源。電容器是阻抗寬范圍變化的負載,充電起始階段接近短路,充電到額定值時,負載相對較小,因此,通常在負載和電源之間串聯(lián)限流電阻,這種恒壓充

3、電方式的效率不會大于50%。另外,由于電源頻率低,電源的體積也較大。隨著重復頻率脈沖功率技術的發(fā)展,上述低效率、體積龐大的恒壓充電方式已很難滿足實際應用。近十幾年來發(fā)展的串聯(lián)諧振充電電源特別是全橋串聯(lián)諧振充電電源很好地解決了這一問題16,與傳統(tǒng)直流電源相比較,具有恒流充電、體積小、效率高、功率密度大、適合寬范圍變化的負載等優(yōu)點,是較為理想的電容充電電源。本文首先推導了串聯(lián)諧振充電電源不同工作模式下的電流、電壓計算公式,給出了計算不同周期電流電壓值的遞推公式;其次,應用遞推公式說明了這種電源的脈動恒流充電等特性;再次,給出了負載電容不完全放電情況下電源參數的計算方法,在負載電容完全放電的情況下,

4、電源的平均功率為最大輸出功率的一半,在負載電容電壓基本維持恒定的情況下,電源平均輸出功率與最大輸出功率相等;文章最后給出了一臺應用于Tesla 型加速器初級儲能電容充電電源的設計實例,電源的實測結果和計算結果一致,在100Hz重復頻率下運行穩(wěn)定可靠。1全橋串聯(lián)諧振充電電源電路分析圖1為全橋串聯(lián)諧振充電電源的主電路原理圖,由直流電源V,逆變開關S1S4,諧振電容C s和電感L s,變壓器TX,高壓整流橋D1D4,負載電容C L等組成。充電過程中,兩組逆變開關S1,S4和S2,S3交替導通,完成一個開關周期。圖2是通過電感L s的諧振電流波形,從電流波形可知,一個開關周期可分為兩個諧振周期,并根據

5、逆變開關和高壓整流二極管的導通情況分為4種工作模式2。4種模式的等效電路如圖3所示,圖中C e為負載電容C L折合到變壓器初級的等效電容,下文中,負載電容指等效電容C e。模式1:S1,S4導通,S2,S3截止,電壓、電流方向如圖3(a所示,由于負載電容C e遠遠大于諧振電容C s,回路中的電阻也遠小于諧振電容、電感的等效阻抗,因此回路電流可表示為7i=(-U1/Zsin(t(1諧振電容電壓U s和負載電容電壓U e可分別表示為U s=U s0-U11-cos(t(2U e=U e0-U11-cos(t(3式中:諧振頻率,回路阻抗Z分別為X收稿日期:2004204213;修訂日期:200420

6、7220基金項目:國家863計劃項目資助課題作者簡介:蘇建倉(1965,男,博士研究生,主要從事脈沖功率技術研究;陜西西安69信箱26分箱;E2mail:jcsu。=1/L s C s ,Z =L s /C s (4U 1為回路初始電壓之和U 1=U 0 +U s0+U e0(5U 0,U s0,U e0分別為直流電源、諧振電容、負載電容上的初始電壓。根據公式(1(3,模式1的充電峰值電流i peak1,充電結束時刻諧振電容和負載電容上的電壓U s1,U e1為i peak1=-U 1/Z ,U s1=U s0-2U 1,U e1=U e0-2U 1(6式中 :為諧振電容和負載電容容量之比,=

7、C s /C e 。Fig.1Circuit diagram of series resonant charging power supply 圖 1串聯(lián)諧振充電電源電路原理圖Fig.2Resonant current waveform圖2諧振電流波形Fig.3Equivalent circuit of series resonant charging power supply圖3串聯(lián)諧振充電電源等效電路模式2:S 1,S 4導通,S 2,S 3截止,負載電容電壓方向反向,電壓電流方向如圖3(b 所示,電壓初值之和為U 2=U 0+U s1-U e1(7模式2的充電峰值電流i peak2,充電

8、結束時刻諧振電容和負載電容上的電壓U s2,U e2分別為i peak2=U 2/Z ,U s2=U s1-2U 2,U e2=U e1+2U 2(8模式3:S 2,S 3導通,S 1,S 4截止,諧振電容、負載電容電壓方向反向,電壓電流方向如圖3(c 所示,電壓初值之和為U 3=U 0-U s2+U e2(9模式3的充電峰值電流i peak3,充電結束時刻諧振電容和負載電容上的電壓U s3,U e3分別為i peak3=-U 3/Z ,U s3=U s2+2U 3,U e3=U e 2-2U 3(10模式4:S 2,S 3導通,S 1,S 4截止,負載電容上電壓方向反向,電壓電流方向如圖3(

9、d 所示,電壓初值之和為U 4=U 0-U s3-U e3(11模式4的充電峰值電流i peak4,充電結束時刻諧振電容和負載電容上的電壓U s4,U e4分別為i peak4=-U 4/Z ,U s4=U s3+2U 4,U e4=U e3+2U 4(12公式(5(12為串聯(lián)諧振充電電壓遞推公式,應用遞推公式,給定回路參數及初始條件,就可計算出不同諧振周期的電壓電流值。2串聯(lián)諧振充電電源的基本特征一個開關周期,負載電容上的電壓增量U e 基本與C s 和C e 的電壓初值無關,近似為U e =8U 0(13一個振蕩周期,負載電容上的電壓增量為2161強激光與粒子束第16卷U e =4U 0(

10、14所以這種充電方式也稱為“等臺階充電”,即每個諧振周期負載電容電壓增量相等。利用公式(14可以推出充電電流的平均值為I avg =2U 0/(Z (15不難發(fā)現,平均電流只取決于回路阻抗和直流電源U 0的電壓,所以,這種充電方式也被稱為脈動恒流充電。只要初始放電電壓滿足振蕩條件,即U 1,U 3為負,U 2,U 4為正,電源就能維持恒流充電的特性。從遞推公式可以推出,諧振電流的前向和反向電流峰值分別近似為I p +=(U 0+U e /Z(16I p -=(U 0-U e /Z (17當U e =U 0時,負載電容電壓和直流電源電壓相等,反向不再充電,失去恒流充電作用。也就是,最大恒流充電電

11、壓為直流電源的電壓。這時,諧振電流取得最大值I max =2U 0/Z(183電源設計重復頻率充電時,負載電容常常不完全放電,設負載電容為C L ,充電電壓為U out ,每次放電負載電容電壓降低U L ,變壓器變比為n ,諧振頻率為f ,重復頻率為f r ,那么,諧振電容為C s =nC L U L f r /(4U 0f (19諧振電感為L s =U 0/(n2C L U L f r f (20有了諧振電感、電容參數,根據上一節(jié)的內容就可確定最大諧振電流、平均電流等數據,為電源器件選擇及散熱設計提供依據。電源最大輸出功率為P max =I avg U out =2U 0U out /(nZ

12、 (21平均輸出功率為P avg =(1/2C L U 2out -(U out -U L 2f r =U 0(2U out -U L /(nZ (22可見,平均輸出功率與每次放電電壓變化量U L 密切相關,在負載電容電壓基本維持恒定的情況下,U L 0,平均功率與最大功率相同,在負載電容完全放電的情況下,U L U out ,平均功率為最大輸出功率的1/2。4設計實例Fig.4Circuit diagram of charging power supply for Tesla 2type accelerator圖4Tesla 型加速器充電電源原理圖圖4是一臺Tesla 型加速器初級儲能電容充

13、電電源原理圖。逆變開關采用帶續(xù)流二極管的IG B T開關,模式1,3中IG B T 開關導通通過電流,模式2,4中電流通過續(xù)流二極管。圖的下半部為觸發(fā)信號。該電源的負載電容值為400F ,重復頻率100Hz ,充電電壓最高1200V ,每次放電電容電壓降低500V ,變壓器變比為3,諧振頻率選33kHz 。設計中,考慮放電時間,重復頻率按120Hz 設計。直流電源U 0由三相市電整流濾波得到,電壓約530V 。根據上述要求,可以計算出諧振電容值為11091F ,諧振電感值為21.3H 。實際上,諧振電容值為1.2F ,電感(含變壓器漏感值為19.3H 。為了驗證上述計算的合理性,在負載電容值為

14、70F 的條件下測試了電源,不同時刻諧振電流和負載電容電壓波形如圖5所示。充電起始時刻,濾波電容電壓約560V ,結束時刻約520V ,充電到1070V ,需88個諧振周期,實際用了90個諧振周期;起始時刻,計算電流幅值為140A ,實測145A 。結束時刻,計算前、后向電流峰值分別為219A 和41A ,實測為219A 和44A ;整個充電周期計算平均電流為84.4A ,實測平均電流為85.8A 。計算結果和實測結果相一致。該電源已應用于Tesla 型加速器,在100Hz 條件下運行穩(wěn)定可靠。3161第12期蘇健倉等:串聯(lián)諧振充電電源分析及設計 Fig.5Resonant current a

15、nd charging voltage waveform at different period.(a full waveform ,(b the beginning of charging ,(c the end of charging圖5不同時刻諧振電流及負載充電電壓波形。(a 整周期,(b 充電起始階段,(c 充電結束階段參考文獻:1Lopincott A C ,Nelms R M ,G arbi M ,et al.A series resonant converter with constant on 2time control for capacitor charging appli

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