新型軟開(kāi)關(guān)高壓脈沖電容恒流充電技術(shù)分析

摘 要： 介紹了新型軟開(kāi)關(guān)脈沖電容充電技術(shù)， 其基本電路采用串聯(lián)諧振拓?fù)洌?具備零電流開(kāi)關(guān)、恒流充電、內(nèi)在短路保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)出了該基本電路重要參數(shù)的計(jì)算公式。仿真了一個(gè)16kJ/s 充電電源的波形。在重復(fù)頻率較高、負(fù)載電容容量偏小時(shí)的不利情況下， 在基本恒流電路的基礎(chǔ)上， 探討了幾種改善充電電壓穩(wěn)定性的途徑， 同時(shí)保留了恒流源的優(yōu)點(diǎn)。

在粒子加速器、激光脈沖、雷達(dá)發(fā)射等技術(shù)領(lǐng)域中， 廣泛使用功率脈沖調(diào)制器， 脈沖調(diào)制器通常由直流高壓充電電源、高壓儲(chǔ)能電容或脈沖成形網(wǎng)絡(luò)（PFN ） 及負(fù)載組成， 高壓儲(chǔ)能電容或PFN 先被充電至所需電壓， 然后在時(shí)序信號(hào)作用下通過(guò)放電開(kāi)關(guān)向匹配負(fù)載放電而產(chǎn)生一定寬度的功率脈沖， 對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合， 脈沖重復(fù)頻率可能由單次放電到幾千赫茲不等。在某些應(yīng)用場(chǎng)合， 往往要求充電電壓穩(wěn)定性好于1% 甚至0. 1% 。最傳統(tǒng)的充電方式是使用工頻高壓電源和De2Q 電路的LC 諧振充電方式， 儲(chǔ)能電容可獲得兩倍于高壓電源的電壓值，雖然技術(shù)路線較簡(jiǎn)單， 但由于工作于低頻狀態(tài)， 體積、重量大，且紋波、穩(wěn)定性不能令人滿意， 電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)尤其如此。

比較先進(jìn)的技術(shù)路線是采用電力電子學(xué)中的開(kāi)關(guān)變換技術(shù)。由于新型功率開(kāi)關(guān)器件及新電路拓?fù)涞牟粩噙M(jìn)步， 開(kāi)關(guān)變換技術(shù)得到了迅速的發(fā)展， 較之于硬開(kāi)關(guān)電路， 諧振開(kāi)關(guān)電路因工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)， 技術(shù)更先進(jìn)， 具備開(kāi)關(guān)損耗小、諧波分量小、頻率高（如幾十kHz）、儲(chǔ)能元件體積小等優(yōu)點(diǎn)。

1 高壓脈沖電容充電電源的技術(shù)指標(biāo)

圖1 是脈沖電容或PFN 的充放電波形， 其中T c 是充電時(shí)間， T w 是放電等待時(shí)間， T p 是充電重復(fù)周期。則平均充電速率為CV²/2T p , 峰值充電速率為CV²/2T c.充電速率、負(fù)載電容容量范圍、電壓穩(wěn)定度、紋波、功率因數(shù)、效率等都是衡量電源性能的重要指標(biāo)。

圖1　充放電電壓波形

2 基本恒流充電電路分析與計(jì)算

在諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)中最適合脈沖電容充電的電路是串聯(lián)諧振開(kāi)關(guān)電路， 輸出近似為恒流源或稱"等臺(tái)階充電",突出的優(yōu)點(diǎn)是充電效率高且具有固有短路保護(hù)能力。圖2 所示是串聯(lián)諧振開(kāi)關(guān)全橋變換電路， 對(duì)角線上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管和另外一條對(duì)角線上的開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，交替導(dǎo)通一次為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T s, 在半個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)， 諧振電流通過(guò)開(kāi)關(guān)管及續(xù)流二極管完成一次諧振， 負(fù)載電容電壓升高一個(gè)臺(tái)階△V .圖3 給出了開(kāi)關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)脈沖及諧振電流波形關(guān)系圖。

圖2　串聯(lián)諧振開(kāi)關(guān)全橋變換充電電路

圖3　開(kāi)關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)脈沖及諧振電流波形

忽略回路電阻， 電路的特征阻抗為Z =√ L/C , 諧振周期為T(mén) r = 2π √L/C , 其中C 是諧振電容C r 和折合到原邊的負(fù)載等效電容C'串聯(lián)后形成的總電容， 通常因高壓變壓器變比高， 等效電容C '和C r相比較大， 因此串聯(lián)后的總電容C 和C r 相差不大。完整的充電電流波形包絡(luò)及充電電壓如圖4 所示， 其中t1是轉(zhuǎn)折點(diǎn)， t1 以前是線性等臺(tái)階充電， t1 以前電流波形放大如圖5 （a） 所示， 轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近的電流波形如圖5（b） 所示。

圖4　一個(gè)充電周期的諧振電流包絡(luò)及充電電壓波形

圖5　諧振電流波形

通過(guò)計(jì)算可以得到線性階段每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期（兩次諧振）C'所充的電量為：

正向電流峰值為：

V s 是電源電壓； N 是諧振周期的個(gè)數(shù)。

反向續(xù)流峰值為：

由式（3） 看出反向續(xù)流逐步減小， 當(dāng)N = C'/4C 時(shí)續(xù)流截止， 電路失去線性充電狀態(tài)。此轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)刻為：

圖4 和圖5 中的波形是由PSP ICE8. 0 仿真得到的， 元件取值如下： V s= 500V , C r= 1. 6uF, L r=30uH, T s= 100us, （對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)頻率10kHz） , 變壓器升壓比1∶40, C load= 0. 4uF, 充電功率可達(dá)16kJ/s.

輸出電壓的控制電路相當(dāng)簡(jiǎn)單， 當(dāng)脈沖電容或PFN 充電至所設(shè)定值時(shí)， 通過(guò)取樣檢測(cè)， 關(guān)斷開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)輸出即可， 電壓穩(wěn)定度取決于半個(gè)開(kāi)關(guān)周期（或一個(gè)充電臺(tái)階） 的電量， 可形象地描述電路工作于"bang-bang"模式， 即T c 時(shí)間內(nèi)充電， T w 時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)電路停止工作。

圖6 是某調(diào)制器充電電源波形圖， 該電源充電功率可達(dá)2kJ/s , 工作頻率12. 5kHz, 電壓30kV.測(cè)量用的示波器型號(hào)為泰克TDS3032.V s= 500V , C r= 0. 4uF,L r= 158uH, T s= 80us, 變壓器副邊為雙繞組，每繞組升壓比1∶40, Cload= 0. 66uF.實(shí)際電路中L r 完全利用了變壓器的漏感， 且漏感選擇較大以減小分布電容。圖6 （c） 是該電源諧振開(kāi)關(guān)電流的仿真波形， 和實(shí)測(cè)波形比， 吻合得很好。

圖6　某充電電源實(shí)測(cè)及仿真波形圖。(a) 充電電壓測(cè)量波形; (b) 諧振電流測(cè)量波形; (c) 諧振電流仿真波形

3 高重復(fù)頻率及小電容負(fù)載情況下的高穩(wěn)定度充電技術(shù)問(wèn)題

3. 1 問(wèn)題的提出

在很多場(chǎng)合下， 串聯(lián)諧振開(kāi)關(guān)電路配合上述簡(jiǎn)單的控制電路即能達(dá)到較高的充電穩(wěn)定度， 如國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室800M eV 儲(chǔ)存環(huán)新研制的注入沖擊磁鐵調(diào)制器， 因重復(fù)頻率較低（0. 5Hz）、負(fù)載儲(chǔ)能電容較大（0. 66uF） , 通過(guò)對(duì)具體參數(shù)進(jìn)行的設(shè)計(jì)即可達(dá)到0. 1% 的穩(wěn)定度。但某些應(yīng)用場(chǎng)合重復(fù)頻率較高、電容小且要求充電功率大時(shí)， 這種方式將不能滿足高穩(wěn)定度的充電要求， 原因是充電時(shí)間短、一個(gè)充電臺(tái)階的電量太大。例如某速調(diào)管調(diào)制器的重復(fù)頻率100Hz, PFN 總電容0. 22uF, 充電功率9kJ/s, 充電時(shí)間最多只有10ms, 若采用15kHz 諧振開(kāi)關(guān)， 則只有300 個(gè)充電臺(tái)階， 若穩(wěn)定度和一個(gè)臺(tái)階的充電電壓相當(dāng)， 則難以達(dá)到0. 1% 的充電穩(wěn)定性， 某些激光脈沖調(diào)制器也要求充電穩(wěn)定性好于0. 1%.

針對(duì)以上問(wèn)題， 可以在常規(guī)串聯(lián)諧振開(kāi)關(guān)電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)， 使其適應(yīng)大范圍的重復(fù)頻率及儲(chǔ)能電容容量變化， 在保持原電路恒流源充電優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度充電。

3. 2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

美國(guó)的M axw ell 公司及EM I 公司均研制了開(kāi)關(guān)模式的適合脈沖電容充電的系列高壓電源， 都是串聯(lián)諧振開(kāi)關(guān)的改進(jìn)型， 并擁有各自的技術(shù)專利， 如EM I 的商業(yè)產(chǎn)品平均充電功率達(dá)到了30kJ/s （DC狀態(tài)50kW ） , 電壓為50kV , 整體尺寸為480×310×560, 重量84kg, 功率密度為0. 6W/ cm ³, 效率85% ,功率因數(shù)0. 9.阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、DESY 實(shí)驗(yàn)室的直線加速器調(diào)制器使用了EM I 和M axw ell 的產(chǎn)品。

而國(guó)內(nèi)的大多數(shù)較大功率的脈沖調(diào)制器多采用傳統(tǒng)的低頻LC 諧振充電模式， 采用大功率充電電源開(kāi)關(guān)模式的不多， 或是用的充電效率低的電壓源。文獻(xiàn)[7 ]報(bào)導(dǎo)了采用晶閘管的中頻大功率恒流高壓電源，是一個(gè)較好的嘗試。

3. 3 幾種改進(jìn)的技術(shù)路線

當(dāng)負(fù)載電容容量小且重復(fù)頻率高時(shí)， 一種設(shè)計(jì)思想是改進(jìn)控制電路， 使其達(dá)到的效果相當(dāng)于： 在每一個(gè)充電周期開(kāi)始階段， 使用諧振電流大的主電源快速充電至預(yù)設(shè)電壓， 隨后轉(zhuǎn)為小電流電源充電， 在T w 階段向負(fù)載提供很小的電量以減小波動(dòng)； 另一種技術(shù)路線采用雙橋路的移相控制電路， 如圖7 所示，這種電路非常適合大功率充電的應(yīng)用場(chǎng)合。EM I 公司的30kJ/s , 50kV 電源采用了此項(xiàng)技術(shù)。

圖7　雙橋路的移相控制充電電路原理圖

4 小 結(jié)

串聯(lián)諧振開(kāi)關(guān)電路工作于恒流源狀態(tài)， 綜合考慮充電效率、電路實(shí)現(xiàn)難易程度、體積等， 該電路是最適合電容器充電的。在基本電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)革新， 提高充電穩(wěn)定度， 能使其適應(yīng)大范圍的重復(fù)頻率及儲(chǔ)能電容的容量變化， 應(yīng)用前景將更加廣泛， 是傳統(tǒng)充電電源的升級(jí)換代品。