新型軟開關高壓脈沖電容恒流充電技術分析

摘 要： 介紹了新型軟開關脈沖電容充電技術， 其基本電路采用串聯諧振拓撲， 具備零電流開關、恒流充電、內在短路保護等優點。導出了該基本電路重要參數的計算公式。仿真了一個16kJ/s 充電電源的波形。在重復頻率較高、負載電容容量偏小時的不利情況下， 在基本恒流電路的基礎上， 探討了幾種改善充電電壓穩定性的途徑， 同時保留了恒流源的優點。

在粒子加速器、激光脈沖、雷達發射等技術領域中， 廣泛使用功率脈沖調制器， 脈沖調制器通常由直流高壓充電電源、高壓儲能電容或脈沖成形網絡(PFN ) 及負載組成， 高壓儲能電容或PFN 先被充電至所需電壓， 然后在時序信號作用下通過放電開關向匹配負載放電而產生一定寬度的功率脈沖， 對不同的應用場合， 脈沖重復頻率可能由單次放電到幾千赫茲不等。在某些應用場合， 往往要求充電電壓穩定性好于1% 甚至0. 1% 。最傳統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， 儲能電容可獲得兩倍于高壓電源的電壓值，雖然技術路線較簡單， 但由于工作于低頻狀態， 體積、重量大，且紋波、穩定性不能令人滿意， 電網電壓波動時尤其如此。

比較先進的技術路線是采用電力電子學中的開關變換技術。由于新型功率開關器件及新電路拓撲的不斷進步， 開關變換技術得到了迅速的發展， 較之于硬開關電路， 諧振開關電路因工作于軟開關狀態， 技術更先進， 具備開關損耗小、諧波分量小、頻率高(如幾十kHz)、儲能元件體積小等優點。

1 高壓脈沖電容充電電源的技術指標

圖1 是脈沖電容或PFN 的充放電波形， 其中T c 是充電時間， T w 是放電等待時間， T p 是充電重復周期。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、負載電容容量范圍、電壓穩定度、紋波、功率因數、效率等都是衡量電源性能的重要指標。

圖1　充放電電壓波形

2 基本恒流充電電路分析與計算

在諧振開關技術中最適合脈沖電容充電的電路是串聯諧振開關電路， 輸出近似為恒流源或稱等臺階充電,突出的優點是充電效率高且具有固有短路保護能力。圖2 所示是串聯諧振開關全橋變換電路， 對角線上的兩個開關管和另外一條對角線上的開關管交替導通，交替導通一次為一個開關周期T s, 在半個開關周期內， 諧振電流通過開關管及續流二極管完成一次諧振， 負載電容電壓升高一個臺階△V .圖3 給出了開關管柵極驅動脈沖及諧振電流波形關系圖。

圖2　串聯諧振開關全橋變換充電電路

圖3　開關管柵極驅動脈沖及諧振電流波形