20kJ电容充电电源的分析与设计

20kJ/s电容充电电源的分析与设计

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:采用开关变换技术的串联谐振电容充电电源是较为理想的电容充电方式。为此,先后对串联谐振电容充电电源进行了最小应力设计,对后级共振充电电源进行了分析与设计。前者主要根据谐振电感和电容峰值能量以及开关器件的最大功率建立了应力函数,通过求解应力函数的最小值确定了电路的工作点和器件参数。实验结果与理论计算结果相一致,电源在最小应力点工作时器件的综合应力最小,并且开关频率高于谐振频率工作时比低于谐振频率工作时应力更小。最后给出了一台应用于磁脉冲压缩系统的初级储能电容充电电源的设计实例,其电源的实验结果与理论计算结果相一致,负载电容在5～40μF之间变化时,系统可在100Hz重复频率下稳定、可靠地长时间运行。根据最小应力公式进行谐振变换器和电容器充电电源的分析与设计可为设计者提供参考。

关键词:脉冲功率;最小应力;谐振变换器;充电电源;应力函数;重复频率

中图分类号:T N624文献标志码:A文章编号:1003-6520(2008)03-0529-04

Analysis and Design of20kJ/s Capacitor Charging Power Supply

ZH ANG Do ng-hui1,2,YAN Ping1

(1.Institute of Electrical Eng ineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing100080,China;

2.G radua te University of Chinese A cademy of Sciences,Beijing100039,China)

A bstract:T his pape r fir stly desig ns the pa rameters fo r minimum stre ss o f series reso na nt capacito r charg ing po we r supply.Experime ntal results are the same as those by theo retical analy sis:w hen w orking a t the g ive n po int,the sy nthesis stre ss is minimum,wo rking w hen frequency is hig he r than re so nance f requency is better than w orking when f requency is low er than reso nance frequency.T hen the r eso nant cha rging po wer supply is a nalyzed and de-sig ned,describing a100H z steady opera tion po we r supply fo r mag ne tic co mpression sy stem,and the mea sured re-sults and calcula ted re sults a re well consistent.In the lab,by changing the capacito r and inducto r value,the stress changes and its v alue is equal to the giv en v alue.T he compre ssio n inducto r w ill no t satura te due to the presence o f air co re.T he capacito r is de sig ned fo r repetitive,the highest f requency is tw o kilo H z,and in this case the po we r can w ork fo r ten minutes,w hile in four hundred H z,the po we r sy stem can w o rk all the time.A s the minimum stress theo ry,by the stress functio n,the series resonant pow er supply and capacito r charging pow er supply can be desig ned and analy zed.

Key words:pulsed po wer;minimum stress;reso nant conve rter;char ging po we r supply;st ress function;repetitiv e frequency

0　引　言

脉冲功率技术领域通常对电容器慢速充电[1-6]、快速放电以获得高功率输出。单次工作的脉冲功率装置多采用常规的工频直流高压源供电,由于采用限流电阻,所以充电效率<50%,且电源的体积较大。随着重复频率脉冲功率技术的发展,低效率、体积庞大的恒压充电方式已很难满足实际需要。采用开关变换技术的串联谐振电容充电电源很好地解决了该问题,与传统的直流电源相比较,具有恒流充电、体积小、效率高、功率密度大、负载适应性强等优点,是较为理想的电容充电方式。

本文首先对串联谐振电容充电电源进行了最小应力设计[7-9],理论计算结果与实验结果相一致,当电源在最小应力点工作时,器件的综合应力最小,并且开关频率高于谐振频率工作时比低于谐振频率工作时应力更小。然后对后级共振充电电源进行了分析与设计。最后给出了一台应用于磁脉冲压缩系统的初级储能电容充电电源的设计实例,电源的实验结果与理论计算结果相一致,负载电容在5～40μF 之间变化时,系统可在100Hz重复频率下稳定、可靠地长时间运行。

1　串联谐振电容充电电源的最小应力设计

图1为磁脉冲压缩系统的电容充电电源(CCPS)的主电路拓扑结构,主要包括整流滤波、串联谐振充电、共振充电和重频负载等电路,本节主要介绍串联谐振CCPS的最小应力设计。

串联谐振CCPS的工作原理在文[5,10-17]中介绍得非常详细。为得到特定的平均输出电压和

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第34卷第3期

2008年 3月

高　电　压　技　术

High Voltage Engineering

Vol.34No.3

M ar.　2008