串联谐振充电电源分析及设计.doc

第 16 卷第 12 期强激光与粒子束Vol. 16 ,No. 122004 年 12 月HIGH POWER LASER AND PARTICL E BEAMSDec. ,2004文章编号 : 100124322 (2004) 1221611204串联谐振充电电源分析及设计X苏建仓1 ,2 ,王利民2 ,丁永忠2 ,宋晓欣2( 1. 西安交通大学 , 陕西 西安 710049 ; 2 . 西北核技术研究所 , 陕西 西安 710024)摘 要 : 推导了串联谐振充电电源不同工作模式下的电流、电压计算公式 ,给出了计算不同周期电流、电压值的递推公式;应用递推公式说明了这种电源的脉动恒流充电特性;给出了负载电容不完全放电情况下电源参数的计算方法。在负载电容完全放电的情况下 ,电源的平均输出功率为最大输出功率的一半 ,在负载电容电压基本维持恒定的情况下 ,电源平均输出功率与最大输出功率相等;最后给出了一台为 Tesla 型加速器初级储能电容充电的谐振电源的设计实例 ,电源的实测结果和计算结果一致 ,在 100 Hz 重复频率下运行稳定可靠。关键词 : 串联谐振; 恒流充电电源; 脉冲功率中图分类号 :TM531. 2文献标识码 : A脉冲功率技术领域通常对电容器慢速充电、快速放电获得高功率输出。单次工作的脉冲功率装置多采用常规的工频直流电源作为电容器的充电电源。电容器是阻抗宽范围变化的负载 ,充电起始阶段接近短路 ,充电到额定值时 ,负载相对较小 ,因此 ,通常在负载和电源之间串联限流电阻 ,这种恒压充电方式的效率不会大于50 %。另外 ,由于电源频率低 ,电源的体积也较大。随着重复频率脉冲功率技术的发展 ,上述低效率、体积庞大的恒压充电方式已很难满足实际应用。近十几年来发展的串联谐振充电电源特别是全桥串联谐振充电电源很好地解决了这一问题 16 ,与传统直流电源相比较 ,具有恒流充电、体积小、效率高、功率密度大、适合宽范围变化的负载等优点 ,是较为理想的电容充电电源。本文首先推导了串联谐振充电电源不同工作模式下的电流、电压计算公式 ,给出了计算不同周期电流电压值的递推公式;其次 ,应用递推公式说明了这种电源的脉动恒流充电等特性;再次 ,给出了负载电容不完全放电情况下电源参数的计算方法 ,在负载电容完全放电的情况下 ,电源的平均功率为最大输出功率的一半 ,在负载电容电压基本维持恒定的情况下 ,电源平均输出功率与最大输出功率相等;文章最后给出了一台应用于 Tesla 型加速器初级储能电容充电电源的设计实例 ,电源的实测结果和计算结果一致 ,在 100 Hz 重复频率下运行稳定可靠。1 全桥串联谐振充电电源电路分析图 1 为全桥串联谐振充电电源的主电路原理图 ,由直流电源 V ,逆变开关 S1 S4 , 谐振电容 Cs 和电感L s ,变压器 TX ,高压整流桥D1D4 ,负载电容 CL 等组成。充电过程中 ,两组逆变开关 S1 , S4 和 S2 , S3 交替导通 ,完成一个开关周期。图 2 是通过电感 L s 的谐振电流波形 ,从电流波形可知 ,一个开关周期可分为两个谐振周期 ,并根据逆变开关和高压整流二极管的导通情况分为 4 种工作模式 2 。4 种模式的等效电路如图 3 所示 , 图中 Ce 为负载电容 CL 折合到变压器初级的等效电容 ,下文中 ,负载电容指等效电容 Ce 。模式 1 : S1 ,S4 导通 ,S2 ,S3 截止 ,电压、电流方向如图 3 (a) 所示 ,由于负载电容 Ce 远远大于谐振电容 Cs ,回路中的电阻也远小于谐振电容、电感的等效阻抗 ,因此回路电流可表示为 7 i = ( - U 1/ Z) sin (t)(1)谐振电容电压 U s 和负载电容电压 U e 可分别表示为U s = U s0 - U 1 1 - cos (t) (2)U e = U e0 - U 1 1 - cos (t) ( 3)式中:谐振频率 ,回路阻抗 Z 分别为X 收稿日期 :2004204213 ;修订日期 :2004207220基金项目 :国家 863 计划项目资助课题作者简介 :苏建仓(1965 ) ,男,博士研究生,主要从事脉冲功率技术研究;陕西西安 69 信箱 26 分箱; E2mail :jcsu mail. xjtu. edu. cn 。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1612强激光与粒子束第 16 卷U 1 为回路初始电压之和 = 1/L s Cs ,Z =L s/ Cs(4)U 1 = U 0 + U s0 + U e0( 5)U 0 , U s0 , U e0分别为直流电源、谐振电容、负载电容上的初始电压。根据公式(1) (3) ,模式 1 的充电峰值电流 ipeak1 ,充电结束时刻谐振电容和负载电容上的电压 Us1 , Ue1为ipeak1 = - U 1/ Z ,U s1 = U s0 - 2 U 1 ,U e1 = U e0 - 2U 1( 6)式中:为谐振电容和负载电容容量之比 ,= Cs/ Ce 。Fig. 1 Circuit diagram of series resonant charging power supply图 1 串联谐振充电电源电路原理图Fig. 2 Resonant current waveform图 2 谐振电流波形Fig. 3 Equivalent circuit of series resonant charging power supply图 3 串联谐振充电电源等效电路模式 2 : S1 ,S4 导通 ,S2 ,S3 截止 ,负载电容电压方向反向 ,电压电流方向如图 3 ( b) 所示 ,电压初值之和为U 2 = U 0 + U s1 - U e1( 7)模式 2 的充电峰值电流 ipeak2 ,充电结束时刻谐振电容和负载电容上的电压 U s2 , U e2分别为ipeak2 = U 2/ Z ,U s2 = U s1 - 2 U 2 ,U e2 = U e1 + 2U 2(8)模式 3 : S2 ,S3 导通 ,S1 ,S4 截止 ,谐振电容、负载电容电压方向反向 ,电压电流方向如图 3 (c) 所示 ,电压初值之和为U 3 = U 0 - U s2 + U e2(9)模式 3 的充电峰值电流 ipeak3 ,充电结束时刻谐振电容和负载电容上的电压 U s3 , U e3分别为ipeak3 = - U 3/ Z ,U s3 = U s2 + 2 U 3 ,U e3 = Ue2 - 2U 3(10)模式 4 : S2 ,S3 导通 ,S1 ,S4 截止 ,负载电容上电压方向反向 ,电压电流方向如图 3 ( d) 所示 ,电压初值之和为U 4 = U 0 - U s3 - U e3(11)模式 4 的充电峰值电流 ipeak4 ,充电结束时刻谐振电容和负载电容上的电压 U s4 , U e4分别为ipeak4 = - U 4/ Z ,U s4 = U s3 + 2 U 4 ,U e4 = U e3 + 2U 4(12)公式(5) (12) 为串联谐振充电电压递推公式 ,应用递推公式 ,给定回路参数及初始条件 ,就可计算出不同谐振周期的电压电流值。2 串联谐振充电电源的基本特征一个开关周期 ,负载电容上的电压增量 U e 基本与 Cs 和 Ce 的电压初值无关 ,近似为U e = 8U 0(13)一个振荡周期 ,负载电容上的电压增量为第 12 期苏健仓等:串联谐振充电电源分析及设计1613U e = 4U 0( 14)所以这种充电方式也称为“等台阶充电”,即每个谐振周期负载电容电压增量相等。利用公式(14) 可以推出充电电流的平均值为Iavg = 2 U 0/ (Z)( 15)不难发现 ,平均电流只取决于回路阻抗和直流电源 U 0 的电压 ,所以 ,这种充电方式也被称为脉动恒流充电。只要初始放电电压满足振荡条件 ,即 U 1 , U 3 为负 , U 2 , U 4 为正 ,电源就能维持恒流充电的特性。从递推公式可以推出 ,谐振电流的前向和反向电流峰值分别近似为Ip + = ( U 0 + U e) / Z( 16)Ip - = ( U 0 - U e) / Z( 17)当 U e = U 0 时 ,负载电容电压和直流电源电压相等 ,反向不再充电 ,失去恒流充电作用。也就是 ,最大恒流充电电压为直流电源的电压。这时 ,谐振电流取得最大值I max = 2 U 0/ Z(18)3 电源设计重复频率充电时 ,负载电容常常不完全放电 ,设负载电容为 CL ,充电电压为 Uout ,每次放电负载电容电压降低U L ,变压器变比为 n ,谐振频率为 f ,重复频率为 f r ,那么 ,谐振电容为Cs = nCL U L f r/ ( 4 U 0 f )( 19)谐振电感为L s = U 0/ ( n2 CL U L f r f )(20)有了谐振电感、电容参数 ,根据上一节的内容就可确定最大谐振电流、平均电流等数据 ,为电源器件选择及散热设计提供依据。电源最大输出功率为Pmax = Iavg Uout = 2 U 0 Uout / ( nZ)( 21)平均输出功率为ouPavg = (1/ 2) CL U 2 t - ( Uout - U L ) 2 f r = U 0 ( 2 Uout - U L ) / ( nZ)( 22)可见,平均输出功率与每次放电电压变化量UL 密切相关,在负载电容电压基本维持恒定的情况下 ,UL 0 ,平均功率与最大功率相同,在负载电容完全放电的情况下 ,4设计实例图 4 是一台 Tesla 型加速器初级储能电容充电电源原理图。逆变开关采用带续流二极管的 I GB T开关 ,模式 1 , 3 中 I GB T 开关导通通过电流 , 模式 2 ,4 中电流通过续流二极管。图的下半部为触发信号。该电源 的负载电容值为 400F , 重复频率 100 Hz ,充电电压最高 1 200V ,每次放电电容电压降低 500V ,变压器变比为 3 ,谐振频率选 33k Hz 。设计中 ,考虑放电时间 , 重复频率按 120 Hz 设计。直流电源 U 0 由三相市电整流滤波得到 ,电压约 530V 。根据上述要求 , 可以计算出谐振电容值为 11091F ,谐振电感值为 21. 3H 。实际上 , 谐振电容值为 1. 2F ,电感(含变压器漏感) 值为 19. 3H 。为了验证上述计算的合理性 ,在负载电容值为UL Uout ,平均功率为最大输出功率的 1/ 2 。Fig. 4 Circuit diagram of charging power supply for Tesla2type accelerator图 4 Tesla 型加速器充电电源原理图70F 的条件下测试了电源 ,不同时刻谐振电流和负载电容电压波形如图 5 所示。充电起始时刻 ,滤波电容电压约 560V ,结束时刻约 520V ,充电到 1 070V ,需 88 个谐振周期 ,实际用了 90 个谐振周期;起始时刻 ,计算电流幅值为 140A ,实测 145A 。结束时刻 ,计算前、后向电流峰值分别为 219A 和41A ,实测为 219A 和 44A ;整个充电周期计算平均电流为 84. 4A ,实测平均电流为 85. 8A 。计算结果和实测结果相一致。该电源已应用于 Tesla 型加速器 ,在 100 Hz 条件下运行稳定可靠。1614强激光与粒子束第 16 卷Fig. 5 Resonant current and charging voltage waveform at different period.(a) full waveform , ( b) the beginning of charging , (c) the end of charging图 5 不同时刻谐振电流及负载充电电压波形。(a) 整周期, ( b) 充电起始阶段, (c) 充电结束阶段参考文献 : 1 Lopincott A C , Nelms R M , Garbi M ,et al. 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