高压电容器充电电源的研究

当输出电压达到规定值时 ,充电系统停止工作 。 这时谐振电流可能不为零 ,从而引起硬开关 ,需要缓 冲电路避免损坏器件 。通过中断谐振电流 ,输出电 压调整率会改善 。如果允许中断的谐振电流流入储 能电容 ,输出电压就可能升高很多 。从而产生过充 现象 。为了得到很高的效率 ,电路最好工作在 < 1/ 2 谐振频率处 ,这时零电流开关 ,电路工作在断续模 式 ,开关损耗很小 ,主要取决于管子的正向压降 。
·1452 · J uly 2008
High Voltage Engineering
Vol. 34 No . 7
图 5 谐振电流包络和充电电压波形 Fig. 5 Waveform of the resonant converter
图 7 有功率因数校正功能的反激变换器充电电源 Fig. 7 Flyback converter for charging power supply
2 谐振充电电源
谐振充电电路见图 2 。交流输入电源利用变压
பைடு நூலகம்
器升压 ,经过整流后被电容器 C2 滤波 ,产生高压直
流电压 U0 。C2 mC1 。晶闸管 T1 触发后电流流经电
感 L 和二极管 D1 ,从 C2 向 C1 传递能量 。电压 u ( t)
和电流 i ( t) 为
u( t) = U0 (1 - co s ω0 t) ;
0 引 言
传统直流电源设计目的是向固定或接近固定的 负载提供事先规定的输出电压 。然而 ,高功率粒子 加速器 、强激光 、雷达 、闪光灯 、电磁发射以及其它脉 冲功率系统需要短暂而高密度的能量爆发 ,这些能 量可由快速充电的电容器提供 。电容器放电的频率 称为重复频率 ,从大电容器的 01 01 Hz 到为某些激 光供电的几 k Hz 。储存于电容器中的能量释放完 毕后 ,需要利用电容器充电电源 (CCPS) 重新充电至 特定电压 。充电速率 、负载电容容量范围 、电压稳定 度 、纹波 、功率因数 、效率等都是衡量电源性能的重 要指标 。本文对带电阻器的高压直流电源 、谐振充 电电源和高频变换器充电电源 3 种充电技术进行了 讨论 ,并对其进行了验证和对比 。其中对高频变换 器充电电源进行了详尽介绍[128 ] 。
容器漏电的影响而漂移 。放电时间是电路参数的函
数 ,这些参数随着温度或寿命发生变化后 ,放电时间
也会发生变化 。
3 高频变换器充电电源
开关变换器用一系列脉冲或脉冲链向储能电容 充电 ,而不是用一个脉冲来充电 。因能量用小脉冲 的方式传递到储能电容器中 ,故输出电压稳定度得 到改善 。开关变换器可工作于软开关状态 ,技术更 先进 ,开关损耗小 、谐波分量小 、频率高 、储能元件体 积小等优点 。下面对几种普遍用于电容器充电电源 的变换器进行分析和对比[10215 ] 。 3. 1 串联谐振变换器充电电源
易控 ,是目前采用的主要技术 。另外 ,因三相谐振充电电源和并联模块充电电源是大功率充电电源的发展方向 ,故
应根据需要选择充电方式和电路结构 ,以达到更高的性价比 。
关键词 : 充电电源 ; 高压脉冲 ; 谐振变换器 ; 脉冲功率 ; 重复频率 ; 高频变换器
中图分类号 : TN86
文献标志码 : A
·1450 · J uly 2008
High Voltage Engineering
Vol. 34 No . 7
高压电容器充电电源的研究
张东辉1 ,2 , 严 萍1 (1. 中国科学院电工研究所 ,北京 100080 ; 2. 中国科学院研究生院 ,北京 100039)
摘 要 : 为了研究电容器放电结束后的能量补充 ,推进电容器充电电源 ( CCPS) 根据电容器输出电压的要求 ,对带
如图 3 在串联谐振变换器[16219 ] 中谐振电容和电 感连接在变压器的低压侧 ,整流管和储能电容连接 在高压侧 。变压器的变比都较大 ,储能电容反射到 原边的电容量相对于谐振电容非常大 ,故谐振频率 不受影响 。当电路工作在高频时 ,变压器的漏感可 用作谐振电感 。突出特性是在短路状态下能够正常 工作 。电路的特征阻抗可用来限制峰值电流 ,开关 频率也可控制谐振电流的峰值 。或当电路刚启动时 工作在低频 ,然后慢慢升高到谐振频率 。该方法既 可限制启动时的峰值电流又可减少充电时间 ,缺点 是电 路 的 元 件 必 须 能 够 在 变 频 模 式 下 工 作 。 [ 2 ,3 ,10 ,11 ,13 ]
电阻器的高压直流电源 、谐振充电电源和高频变换器充电电源技术进行了讨论 ,并对其进行了验证和对比 。带电
阻器的高压直流电源电路简单 ,但是体积庞大 ,效率低下 ,适用于要求不高的场合 ;谐振充电电源对开关的耐压和
电容容量要求很高 ,调整率很差 ;高频变换器采用电力电子和现代控制技术 ,使得充电电源运行起来更安全 、可靠 、
图 6 单周期内输入电流和电压波形 Fig. 6 Input waveform of one cycle
反激变换器充电电源见图 7 ,工作原理为开关闭合 , 变压器原边电流增大 。当增大到规定值时开关断 开 ,电流传输到付边绕组 ,能量通过付边绕组传输给 储能电容 。当开关闭合时能量传输结束 ,重复下一 个周期 。利用峰值电流检测可完成功率因数校正 , 但须进行折中 :控制系统用来得到高功率因数还是 最优的电容充电效率 ,充电效率和功率因数不能兼 得 。功率因数校正只有在充电模式下是必要的 ,因 这时输入交流电源的电流才会很大 。图 8 为负载电 容充电电压波形 ,近似为恒流充电[9 ,12 ,15 ] 。
文章编号 : 100326520 (2008) 0721450206
Development in High Voltage Capacitor Charging Po wer Supply
ZHAN G Do ng2hui1 , 2 , YAN2Ping1 (1. Instit ute of Elect rical Engineering , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080 , China ;
图 3 串联谐振变换器 Fig. 3 Series resonant converter
图 4 串联谐振变换器 Fig. 4 Series resonant converter
3. 2 反激变换器 图 6 为单周期内输入交流电源的电压与电流波
形 ,可以看出电路很好的完成了功率因数校正功能 。
该电路采用定频定宽控制 。与串联谐振充电电 源相比 ,Ward 变换器有两个缺点 : ①协调 3 个开关
图 8 充电期间电容电压波形( 82 μF) Fig. 8 Voltage waveform for capacitor( 82μF)
图 9 Ward 变换器 Fig. 9 Ward converter
1 带充电电阻器的高压直流电源
这种技术利用高压直流电源通过充电电阻器向
储能电容器充电 ,见图 1 。当电容器电压等于电源 输出电压时 ,充电模式结束 。放电模式中 ,充电电阻 器将电源与脉冲负载隔离 。该技术的优点是简单 、 可靠和成本低 。主要缺点是效率较低 。理想情况 下 ,充电模式中消耗在充电电阻上的能量与存储在 电容器中的能量相同 。因最大效率是 50 % ,故该电 路主要用于功率等级低 、电路简单 、体积 、重量 、输出 电压调整率 、效率要求都不严格的地方[9 ,10] 。
电路的优点是变压器相对来说较小 ,从而减小 电源尺寸 、重量 、费用和变压器的损耗 。电路具有短 路保护功能 ,但开路须保护 。缺点是开关损耗较大 , 二极管耐压为 3 倍的输出电压 ,电路器件应力很大 , 适合于小功率场合 。 3. 3 Ward 变换器
Ward 变换器见图 9 ,S2 闭合能量储存在 L1 中 , 同时 C1 向储能电容传输能量 ,当 S2 断开时 ,L1 向 C1 传输能量 。变压器的漏感使通过 C1 的电流为正 弦 ,该电流也通过 S1 使其零电流关断提高效率 。在 某些时候 ,C1 中的大部分能量传输到储能电容 ,剩 余的一小部分能量不能使开关零电流关断[1 ,16219 ] 。
图 4 为多付边绕组 ,便于输出高压 ,但工艺较复 杂 ,适合中功率场合 。图 5 用定频方式充电 ,谐振电 流变化很大 ,充到规定值时谐振电流几乎为零 。
图 1 高压直流电源 Fig. 1 High voltage direct current power supply
图 2 谐振充电电源 Fig. 2 Resonant charging power supply
(1)
i ( t) = U0
C1 L
si n ω0
t
。
(2)
令式 (2) 电路为 0 得该电路的充电时间 tc :
2008 年 7 月
高 电 压 技 术
第 34 卷第 7 期 ·1451 ·
tc = π
π L C1 = ω0 ;
(3)
ω0 = 1 。
(4)
L C1
充电模式结束电压 u( t) 的值为 2U0 。
2. Graduate U niver sit y of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039 , China)
Abstract : This paper discusses t he o utp ut requirement s of a capacito r charging power supply. Three techniques which may be utilized to charge capacitors to t he specified voltage are examined and co mpared : high voltage dc power supply wit h charging resisto r has it s characteristics , t he advantages are it s simplicity , reliability , and low co st , t he major disadvantage is it s poo r efficiency ; resonance charging power supply requires two high voltage switches ; high f requency co nverter focuses on t he application of power elect ronic technology to capacitor charging power supplies , so me of t he benefit s of t his technology are imp rovement in efficiency and regulation and a reduction in size and weight . High power capacito r charging power supply using t hree2p hase series resonant co nverter and parallel models is also discussed. Key words : charging power supply ; high voltage p ulse ; reso nant converter ; p ulsed power ; repeated f requency ; high f requency t ransformer