三電平ZCS充電結構的工作特性研究
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2 工作特性及參數(shù)設計
充電電源有2個重要的指標：充電精度和重復精度。
充電精度是指負載電壓達到額定值、開關管零電流關斷時實際電壓與額定電壓之差與額定電壓的比值，這個比值越小，充電精度越高。充電精度的定義式為：
由前一節(jié)的分析可知：半電壓模式下的充電電流為全電壓模式下的3／4，所以半電壓模式下的階梯電壓較小，在負載電壓達到額定值時等候零電流關斷的這段時間內負載電電壓的增加值較全壓模式為小，所以充電精度有所提高。半電壓模式的充電精度值約為全電壓模式的3／4。
對于充電電源而言，負載從儲能電容中提取的能量在充電初期較小，而在充電末期增加迅速，可以由負載能量公式得出：本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/181403.htm
可以看到：負載提取的能量隨負載電壓的增加而增大。所以，如何才能減小負載在充電末期的能量需求，減小儲能電容上電壓的下降速度，保持其上電壓的穩(wěn)定性?
從上節(jié)的分析可以看到：全電壓模式下的充電電流較大、充電速度快，而半電壓模式下的充電電流較小、充電速度慢，對負載電容而言，半電壓模式下其對能量的提取較全電壓模式下為小，所以應該在充電末期采用半電壓模式充電。但是對于整個充電時間而言，半電壓模式花費的充電時間長，所以為了既保證充電時限，又提高儲能電容電壓的穩(wěn)定性，可以采用先用全電壓模式工作，再半電壓模式工作的方式。為了實現(xiàn)模式轉換，充電電路參數(shù)需要遵守如下設計原則：
(1)變壓器參數(shù)按半電壓模式設計；
(2)諧振參數(shù)按全電壓模式設計。
當變壓器參數(shù)按半電壓模式設計時，變壓器的匝比提高一倍。在這種情況下，充電電源全電壓模式工作時負載達到額定電壓時變壓器的初級電壓為Us／2，這樣，根據(jù)變壓器的伏秒特性e△t=N△BS，當e減小一半時，在其它參數(shù)不變的情況下，變壓器磁芯的截面積減小一半，可以大大減小變壓器磁芯的重量。除此之外，變壓器匝比提高后，負載達到額定電壓后的初級電壓降低，由式(1)和式(2)可以看到：充電末期的正向充電電流并沒有達到最大值(2倍的初期充電電流)，反向續(xù)流也沒有減小到0。階段1的電流峰值減小，實現(xiàn)充電結束時的ZCS(零電流關斷)，可以提高充電精度。
由于半電壓模式下負載需求瞬時功率減小，所以儲能電容也可以減小，這就減小了儲能環(huán)節(jié)的重量和體積。但是儲能電容不能減小太多，因為儲能電容太小，一次充電結束后整流前級為其補電，由于功率因數(shù)校正電路的影響，會使得儲能電容上的電壓波動較大，在充電電源以重復頻率工作時不能保證較高的重復精度。
3 仿真實驗
如圖4為三電平ZCS恒流充電電源仿真模型。
三電平ZCS恒流充電電源的工作參數(shù)如下：
諧振頻率40kHz，開關頻率20kHz，變壓器匝比110或220，儲能電容5 000μF或10 000μF，負載電容0．24μF，負載額定電壓50kV，額定功率30kJ／s，重復頻率1 00Hz。
為了突出三電平變換器的優(yōu)點，分別做以下3個實驗：
(1)變壓器匝比110時，三電平變換器僅采用全電壓模式充電，諧振電感8．64μH，諧振電容1．87μF，儲能電容為5 000μF及10 000μF；
(2)變壓器匝比220時，三電平變換器僅采用全電壓模式充電，諧振電感3．2μH，諧振電容4．96μF，儲能電容為5 000μF及10 000μF；
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