新型軟開關(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)作用下通過放電開關(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)中的開關(guān)變換技術(shù)。由于新型功率開關(guān)器件及新電路拓?fù)涞牟粩噙M(jìn)步， 開關(guān)變換技術(shù)得到了迅速的發(fā)展， 較之于硬開關(guān)電路， 諧振開關(guān)電路因工作于軟開關(guān)狀態(tài)， 技術(shù)更先進(jìn)， 具備開關(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)諧振開關(guān)全橋變換電路， 對(duì)角線上的兩個(gè)開關(guān)管和另外一條對(duì)角線上的開關(guān)管交替導(dǎo)通，交替導(dǎo)通一次為一個(gè)開關(guān)周期T s, 在半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)， 諧振電流通過開關(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)諧振開關(guān)全橋變換充電電路

圖3　開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)脈沖及諧振電流波形