大功率全橋串聯(lián)諧振充電電源理論設(shè)計(jì)

摘要：為了對(duì)電容重復(fù)頻率且高能量轉(zhuǎn)換效率地充電，開(kāi)展了全橋串聯(lián)諧振充電電源的理論設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)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(shù)等參數(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬的方法獲得脈沖變壓器勵(lì)磁電感參數(shù)，以基于Pspice的全電路仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。仿真結(jié)果表明為了實(shí)現(xiàn)對(duì)110 nF電容1 kHz重頻充電，在初級(jí)電壓為1．2 kV和諧振參數(shù)為33 kHz時(shí)，諧振電感、電容應(yīng)分別為625 nH，37μF，脈沖變壓器伏秒數(shù)、勵(lì)磁電感至少分別應(yīng)為45 mVs、1 mH，功率器件峰值電流約300 A。
關(guān)鍵詞：全橋串聯(lián)諧振充電；恒流充電；脈沖變壓器；勵(lì)磁電感

在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)初級(jí)儲(chǔ)能電容常見(jiàn)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(shí)現(xiàn)，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(lián)諧振充電電路，以“等臺(tái)階”升壓方式實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)載等優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的電容充電電源。
構(gòu)成全橋串聯(lián)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(guò)數(shù)值計(jì)算和模擬兩種方法確定了這些單元參數(shù)的設(shè)計(jì)，并基于Pspice電路仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的全橋串聯(lián)諧振充電電源進(jìn)行了全電路模擬。

1 電路設(shè)計(jì)
全橋串聯(lián)諧振充電電源由直流電源V，逆變開(kāi)關(guān)S1～S4，諧振電容Cs和電感Ls，變壓器TX，高壓整流橋D1～D4，負(fù)載電容CL等組成，如圖1所示。

充電過(guò)程中，兩組逆變開(kāi)關(guān)S1，S4和S2，S3交替導(dǎo)通，完成一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期又可分為2個(gè)諧振周期，并根據(jù)逆變開(kāi)關(guān)和高壓整流二極管的導(dǎo)通情況分為4種工作模式，如圖2所示。

設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)是對(duì)110 nF容值的負(fù)載電容充電至30 kV，充電重復(fù)頻率1 kHz。逆變開(kāi)關(guān)采用單只IGBT或其組件，從現(xiàn)有商業(yè)IGBT器件的經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，逆變諧振重頻設(shè)計(jì)為33 kHz。初級(jí)儲(chǔ)能電容C0充電電壓為1 kV。
1．1 諧振電路設(shè)計(jì)
調(diào)諧電容和諧振電感的計(jì)算分別如下：
Cs=nCL△ULfr／(4U0f) (1)
Ls=C0／(nπ2CL△ULfrf) (2)
式中，Cs：調(diào)諧電容；n：脈沖變壓器變比；CL：負(fù)載電容；△UL：每次放電負(fù)載電容電壓降低值；U0：初級(jí)儲(chǔ)能電容充電電壓；fr：充電重復(fù)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(shè)計(jì)時(shí)令初級(jí)充電電壓U0=1．2 kV，每次放電△UL=30 kV。則計(jì)算出Cs=625 nF；Ls=37μH；
1．2 功率器件設(shè)計(jì)
計(jì)算出通過(guò)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(yīng)低于1．2 kV，峰值電流不低于300 A。
每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，負(fù)載電容升壓為：
△Ue=8yU0 (6)
y=Cs／(nCL) (7)
計(jì)算出每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的△Ue=1．8 kV，即總共需要17個(gè)開(kāi)關(guān)周期才能將負(fù)載電容充至30 kV。
每個(gè)諧振周期為：

則17個(gè)開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間約為：17x2T=1．03 ms，則充電周期接近1 kHz，滿足設(shè)計(jì)要求。
1．3 脈沖變壓器設(shè)計(jì)
脈沖變壓器設(shè)計(jì)中，需要考慮的參數(shù)主要是：伏秒數(shù)，勵(lì)磁電感，漏感，耐壓，功率。在本設(shè)計(jì)中，由于變壓器初級(jí)輸入電壓為1．2 kV，次級(jí)期望輸出電壓達(dá)到36 kV，因此，變比設(shè)計(jì)為30。
在充電過(guò)程中，負(fù)載電容實(shí)質(zhì)是一個(gè)變阻抗負(fù)載，隨著充電電壓增加，其阻抗不斷降低，因此，變壓器達(dá)到最大伏秒數(shù)應(yīng)該在充電的后期。因此，伏秒數(shù)為：
V0T=1．2kx30．2μs=36．24 mV．s (9)
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮一定裕量，伏秒數(shù)取45 mV.s。