串联谐振充电电源分析及设计

1、第16卷第12期强激光与粒子束Vol.16,No.122004年12月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Dec.,2004文章编号:100124322(20041221611204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

2、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100Hz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

3、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,

4、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100Hz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S1S4,谐振电容C s和电感L s,变压器TX,高压整流桥D1D4,负载电容C L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

5、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C e为负载电容C L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C e。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C e远远大于谐振电容C s,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7i=(-U1/Zsin(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-U11-cos(t(2U e=U e0-U11-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:200420

6、7220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。=1/L s C s ,Z =L s /C s (4U 1为回路初始电压之和U 1=U 0 +U s0+U e0(5U 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i peak1,充电结束时刻谐振电容和负载电容上的电压U s1,U e1为i peak1=-U 1/Z ,U s1=U s0-2U 1,U e1=U e0-2U 1(6式中 :为谐振电容和负载电容容量之比,=

7、C s /C e 。Fig.1Circuit diagram of series resonant charging power supply 图 1串联谐振充电电源电路原理图Fig.2Resonant current waveform图2谐振电流波形Fig.3Equivalent circuit of series resonant charging power supply图3串联谐振充电电源等效电路模式2:S 1,S 4导通,S 2,S 3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i peak2,充电

8、结束时刻谐振电容和负载电容上的电压U s2,U e2分别为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导通,S 1,S 4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i peak3,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导通,S 1,S 4截止,负载电容上电压方向反向,电压电流方向如图3(

9、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i peak4,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i peak4=-U 4/Z ,U s4=U s3+2U 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C s 和C e 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2161强激光与粒子束第16卷U e =4U 0(

10、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I avg =2U 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I p +=(U 0+U e /Z(16I p -=(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

11、压为直流电源的电压。这时,谐振电流取得最大值I max =2U 0/Z(183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C L ,充电电压为U out ,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C s =nC L U L f r /(4U 0f (19谐振电感为L s =U 0/(n2C L 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P max =I avg U out =2U 0U out /(nZ

12、 (21平均输出功率为P avg =(1/2C L U 2out -(U out -U L 2f r =U 0(2U out -U L /(nZ (22可见,平均输出功率与每次放电电压变化量U L 密切相关,在负载电容电压基本维持恒定的情况下,U L 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,U L U out ,平均功率为最大输出功率的1/2。4设计实例Fig.4Circuit diagram of charging power supply for Tesla 2type accelerator图4Tesla 型加速器充电电源原理图图4是一台Tesla 型加速器初级储能电容充

13、电电源原理图。逆变开关采用带续流二极管的IG B T开关,模式1,3中IG B 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100Hz ,充电电压最高1200V ,每次放电电容电压降低500V ,变压器变比为3,谐振频率选33kHz 。设计中,考虑放电时间,重复频率按120Hz 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

14、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1070V ,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100Hz 条件下运行稳定可靠。3161第12期苏健仓等:串联谐振充电电源分析及设计 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:1Lopincott A C ,Nelms R M ,G arbi M ,et al.A series resonant converter with constant on 2time control for capacitor charging appli

16、cationsA .Ap 2plied Power Electronics Conference and Exposition ,APEC 90,Conference Proceedings 1990C.1990.147154.2Strickland B E ,G arbi M ,Cathell F ,et al.2kJ/sec 25kV high 2frequency capacitor charging power supply using MOSFET switchesA .PowerModulator Symposium ,IEEE Conference Record of the 1

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18、ower supply utilizing a ward converterJ .I EEE Trans on Indust rial Elect ronics ,1992,39(5:421427.5尚雷,王相綦,裴元吉,等.新型软开关高压脉冲电容恒流充电分析J .强激光与粒子束,2001,13(2:240.(Shang L ,Wang X Q ,Pei Y J ,etal.Analysis of new soft switch high 2voltage pulse constant current capacitor charging.High Power L aser and Parti

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20、ion Press ,1990Analysis and design of series resonant charging pow er supplySU Jian 2cang 1,2,WAN G Li 2min 2,DIN G Y ong 2zhong 2,SON G Xiao 2xin 2(1.Xi an Jiaotong U niversity ,Xi an 710049,China ;2.Northwest Institute of N uclear Technology ,P.O.Box 69226,Xi an 710024,China Abstract :This paper firstly derives expressions of current and voltage at various work modes for the series resonant charging pow 2er supply ,gives recursion formulas calculating the value of current and v