中心議題:
- 高壓脈沖電容充電電源的技術(shù)指標(biāo)
- 基本恒流充電電路的分析與計(jì)算
- 高重復(fù)頻率及小電容負(fù)載的高穩(wěn)定度充電技術(shù)問(wèn)題
解決方案:
- 改進(jìn)控制電路
- 采用雙橋路的移相控制電路
本文介紹了新型軟開(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
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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(chēng)"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
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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。
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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(zhuān)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。