三電平ZCS充電結(jié)構(gòu)的工作特性研究
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2 工作特性及參數(shù)設(shè)計
充電電源有2個重要的指標(biāo)：充電精度和重復(fù)精度。
充電精度是指負(fù)載電壓達(dá)到額定值、開關(guān)管零電流關(guān)斷時實際電壓與額定電壓之差與額定電壓的比值，這個比值越小，充電精度越高。充電精度的定義式為：
由前一節(jié)的分析可知：半電壓模式下的充電電流為全電壓模式下的3／4，所以半電壓模式下的階梯電壓較小，在負(fù)載電壓達(dá)到額定值時等候零電流關(guān)斷的這段時間內(nèi)負(fù)載電電壓的增加值較全壓模式為小，所以充電精度有所提高。半電壓模式的充電精度值約為全電壓模式的3／4。
對于充電電源而言，負(fù)載從儲能電容中提取的能量在充電初期較小，而在充電末期增加迅速，可以由負(fù)載能量公式得出：本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/181403.htm
可以看到：負(fù)載提取的能量隨負(fù)載電壓的增加而增大。所以，如何才能減小負(fù)載在充電末期的能量需求，減小儲能電容上電壓的下降速度，保持其上電壓的穩(wěn)定性?
從上節(jié)的分析可以看到：全電壓模式下的充電電流較大、充電速度快，而半電壓模式下的充電電流較小、充電速度慢，對負(fù)載電容而言，半電壓模式下其對能量的提取較全電壓模式下為小，所以應(yīng)該在充電末期采用半電壓模式充電。但是對于整個充電時間而言，半電壓模式花費(fèi)的充電時間長，所以為了既保證充電時限，又提高儲能電容電壓的穩(wěn)定性，可以采用先用全電壓模式工作，再半電壓模式工作的方式。為了實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，充電電路參數(shù)需要遵守如下設(shè)計原則：
(1)變壓器參數(shù)按半電壓模式設(shè)計；
(2)諧振參數(shù)按全電壓模式設(shè)計。
當(dāng)變壓器參數(shù)按半電壓模式設(shè)計時，變壓器的匝比提高一倍。在這種情況下，充電電源全電壓模式工作時負(fù)載達(dá)到額定電壓時變壓器的初級電壓為Us／2，這樣，根據(jù)變壓器的伏秒特性e△t=N△BS，當(dāng)e減小一半時，在其它參數(shù)不變的情況下，變壓器磁芯的截面積減小一半，可以大大減小變壓器磁芯的重量。除此之外，變壓器匝比提高后，負(fù)載達(dá)到額定電壓后的初級電壓降低，由式(1)和式(2)可以看到：充電末期的正向充電電流并沒有達(dá)到最大值(2倍的初期充電電流)，反向續(xù)流也沒有減小到0。階段1的電流峰值減小，實現(xiàn)充電結(jié)束時的ZCS(零電流關(guān)斷)，可以提高充電精度。
由于半電壓模式下負(fù)載需求瞬時功率減小，所以儲能電容也可以減小，這就減小了儲能環(huán)節(jié)的重量和體積。但是儲能電容不能減小太多，因為儲能電容太小，一次充電結(jié)束后整流前級為其補(bǔ)電，由于功率因數(shù)校正電路的影響，會使得儲能電容上的電壓波動較大，在充電電源以重復(fù)頻率工作時不能保證較高的重復(fù)精度。
3 仿真實驗
如圖4為三電平ZCS恒流充電電源仿真模型。
三電平ZCS恒流充電電源的工作參數(shù)如下：
諧振頻率40kHz，開關(guān)頻率20kHz，變壓器匝比110或220，儲能電容5 000μF或10 000μF，負(fù)載電容0．24μF，負(fù)載額定電壓50kV，額定功率30kJ／s，重復(fù)頻率1 00Hz。
為了突出三電平變換器的優(yōu)點，分別做以下3個實驗：
(1)變壓器匝比110時，三電平變換器僅采用全電壓模式充電，諧振電感8．64μH，諧振電容1．87μF，儲能電容為5 000μF及10 000μF；
(2)變壓器匝比220時，三電平變換器僅采用全電壓模式充電，諧振電感3．2μH，諧振電容4．96μF，儲能電容為5 000μF及10 000μF；
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