新型軟開關高壓脈沖電容恒流充電技術分析

圖6 是某調制器充電電源波形圖， 該電源充電功率可達2kJ/s , 工作頻率12. 5kHz, 電壓30kV.測量用的示波器型號為泰克TDS3032.V s= 500V , C r= 0. 4uF,L r= 158uH, T s= 80us, 變壓器副邊為雙繞組，每繞組升壓比1∶40, Cload= 0. 66uF.實際電路中L r 完全利用了變壓器的漏感， 且漏感選擇較大以減小分布電容。圖6 (c) 是該電源諧振開關電流的仿真波形， 和實測波形比， 吻合得很好。

圖6　某充電電源實測及仿真波形圖。(a) 充電電壓測量波形; (b) 諧振電流測量波形; (c) 諧振電流仿真波形

3 高重復頻率及小電容負載情況下的高穩(wěn)定度充電技術問題

3. 1 問題的提出

在很多場合下， 串聯(lián)諧振開關電路配合上述簡單的控制電路即能達到較高的充電穩(wěn)定度， 如國家同步輻射實驗室800M eV 儲存環(huán)新研制的注入沖擊磁鐵調制器， 因重復頻率較低(0. 5Hz)、負載儲能電容較大(0. 66uF) , 通過對具體參數(shù)進行的設計即可達到0. 1% 的穩(wěn)定度。但某些應用場合重復頻率較高、電容小且要求充電功率大時， 這種方式將不能滿足高穩(wěn)定度的充電要求， 原因是充電時間短、一個充電臺階的電量太大。例如某速調管調制器的重復頻率100Hz, PFN 總電容0. 22uF, 充電功率9kJ/s, 充電時間最多只有10ms, 若采用15kHz 諧振開關， 則只有300 個充電臺階， 若穩(wěn)定度和一個臺階的充電電壓相當， 則難以達到0. 1% 的充電穩(wěn)定性， 某些激光脈沖調制器也要求充電穩(wěn)定性好于0. 1%.

針對以上問題， 可以在常規(guī)串聯(lián)諧振開關電路的基礎上進行技術改進， 使其適應大范圍的重復頻率及儲能電容容量變化， 在保持原電路恒流源充電優(yōu)點的同時實現(xiàn)高穩(wěn)定度充電。

3. 2 國內外現(xiàn)狀

美國的M axw ell 公司及EM I 公司均研制了開關模式的適合脈沖電容充電的系列高壓電源， 都是串聯(lián)諧振開關的改進型， 并擁有各自的技術專利， 如EM I 的商業(yè)產(chǎn)品平均充電功率達到了30kJ/s (DC狀態(tài)50kW ) , 電壓為50kV , 整體尺寸為480×310×560, 重量84kg, 功率密度為0. 6W/ cm 3, 效率85% ,功率因數(shù)0. 9.阿貢國家實驗室、DESY 實驗室的直線加速器調制器使用了EM I 和M axw ell 的產(chǎn)品。

而國內的大多數(shù)較大功率的脈沖調制器多采用傳統(tǒng)的低頻LC 諧振充電模式， 采用大功率充電電源開關模式的不多， 或是用的充電效率低的電壓源。文獻[7 ]報導了采用晶閘管的中頻大功率恒流高壓電源，是一個較好的嘗試。

3. 3 幾種改進的技術路線

當負載電容容量小且重復頻率高時， 一種設計思想是改進控制電路， 使其達到的效果相當于： 在每一個充電周期開始階段， 使用諧振電流大的主電源快速充電至預設電壓， 隨后轉為小電流電源充電， 在T w 階段向負載提供很小的電量以減小波動; 另一種技術路線采用雙橋路的移相控制電路， 如圖7 所示，這種電路非常適合大功率充電的應用場合。EM I 公司的30kJ/s , 50kV 電源采用了此項技術。

圖7　雙橋路的移相控制充電電路原理圖

4 小 結

串聯(lián)諧振開關電路工作于恒流源狀態(tài)， 綜合考慮充電效率、電路實現(xiàn)難易程度、體積等， 該電路是最適合電容器充電的。在基本電路的基礎上進行技術革新， 提高充電穩(wěn)定度， 能使其適應大范圍的重復頻率及儲能電容的容量變化， 應用前景將更加廣泛， 是傳統(tǒng)充電電源的升級換代品。