大功率全橋串聯諧振充電電源理論設計

摘要：為了對電容重復頻率且高能量轉換效率地充電，開展了全橋串聯諧振充電電源的理論設計。通過數值解析的方法獲得諧振電感、電容、功率器件耐壓與通流、電源功率、脈沖變壓器伏秒數等參數，通過數值模擬的方法獲得脈沖變壓器勵磁電感參數，以基于Pspice的全電路仿真驗證設計參數的合理性。仿真結果表明為了實現對110 nF電容1 kHz重頻充電，在初級電壓為1．2 kV和諧振參數為33 kHz時，諧振電感、電容應分別為625 nH，37μF，脈沖變壓器伏秒數、勵磁電感至少分別應為45 mVs、1 mH，功率器件峰值電流約300 A。
關鍵詞：全橋串聯諧振充電；恒流充電；脈沖變壓器；勵磁電感

在脈沖功率技術領域，對初級儲能電容常見的充電方式有恒壓充電和恒流充電兩種方式。前者基于大體積的工頻變壓器實現，常采用充電電阻限制充電功率，充電電阻消耗的能量為50％；后者多采用全橋串聯諧振充電電路，以“等臺階”升壓方式實現對電容的恒流充電，具有體積小、效率高、功率密度大、適合寬范圍變化的負載等優點，是較為理想的電容充電電源。
構成全橋串聯諧振充電電源的主要單元有：諧振電感和電容、功率器件、脈沖變壓器。本文通過數值計算和模擬兩種方法確定了這些單元參數的設計，并基于Pspice電路仿真軟件對設計的全橋串聯諧振充電電源進行了全電路模擬。

1 電路設計
全橋串聯諧振充電電源由直流電源V，逆變開關S1～S4，諧振電容Cs和電感Ls，變壓器TX，高壓整流橋D1～D4，負載電容CL等組成，如圖1所示。

充電過程中，兩組逆變開關S1，S4和S2，S3交替導通，完成一個開關周期。一個開關周期又可分為2個諧振周期，并根據逆變開關和高壓整流二極管的導通情況分為4種工作模式，如圖2所示。

設計要達到的目標是對110 nF容值的負載電容充電至30 kV，充電重復頻率1 kHz。逆變開關采用單只IGBT或其組件，從現有商業IGBT器件的經濟性出發，逆變諧振重頻設計為33 kHz。初級儲能電容C0充電電壓為1 kV。
1．1 諧振電路設計
調諧電容和諧振電感的計算分別如下：
Cs=nCL△ULfr／(4U0f) (1)
Ls=C0／(nπ2CL△ULfrf) (2)
式中，Cs：調諧電容；n：脈沖變壓器變比；CL：負載電容；△UL：每次放電負載電容電壓降低值；U0：初級儲能電容充電電壓；fr：充電重復頻率；f：諧振頻率；Ls：諧振電感。
考慮到充電回路的電壓效率損失，在設計時令初級充電電壓U0=1．2 kV，每次放電△UL=30 kV。則計算出Cs=625 nF；Ls=37μH；
1．2 功率器件設計
計算出通過IGBT組件的最大諧振電流和平均電流為：

Z：諧振回路阻抗。則：Z=7．69 Ω；Imax=312 A；Iavg=99．4 A。即選用的IGBT其耐壓不應低于1．2 kV，峰值電流不低于300 A。
每一個開關周期，負載電容升壓為：
△Ue=8yU0 (6)
y=Cs／(nCL) (7)
計算出每個開關周期的△Ue=1．8 kV，即總共需要17個開關周期才能將負載電容充至30 kV。
每個諧振周期為：

則17個開關周期的時間約為：17x2T=1．03 ms，則充電周期接近1 kHz，滿足設計要求。
1．3 脈沖變壓器設計
脈沖變壓器設計中，需要考慮的參數主要是：伏秒數，勵磁電感，漏感，耐壓，功率。在本設計中，由于變壓器初級輸入電壓為1．2 kV，次級期望輸出電壓達到36 kV，因此，變比設計為30。
在充電過程中，負載電容實質是一個變阻抗負載，隨著充電電壓增加，其阻抗不斷降低，因此，變壓器達到最大伏秒數應該在充電的后期。因此，伏秒數為：
V0T=1．2kx30．2μs=36．24 mV．s (9)
在實際設計中，考慮一定裕量，伏秒數取45 mV.s。