基于高頻交流鏈接技術(shù)電容充電電源研究
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
當(dāng)前脈沖功率系統(tǒng)，高壓電容通常采用線性電源諧振充電或傳統(tǒng)諧振高頻開(kāi)關(guān)電源恒流充電。線性電源工作在工頻條件下，變壓器的體積龐大且笨重。此外，為滿足應(yīng)用的需求，輸出需要進(jìn)行充分濾波，通常需要大容量的高壓電容，高的儲(chǔ)能則需要為電源設(shè)計(jì)額外的保護(hù)系統(tǒng)。傳統(tǒng)諧振高頻開(kāi)關(guān)電源采用諧振電路，電源內(nèi)部存在DC-link部分，通常為大容量的電解電容，體積和重量占整個(gè)電源較大的比重。隨著機(jī)動(dòng)新概念武器的發(fā)展，對(duì)電源的體積和重量提出了更高要求?；?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/高頻交流鏈接">高頻交流鏈接技術(shù)的串聯(lián)諧振電容充電電源沒(méi)有線性整流和DC-link部分，功率密度大大提高。采用了串聯(lián)諧振技術(shù)，使開(kāi)關(guān)工作在零電流條件下，工作頻率進(jìn)一步提高。新穎的控制方式使得三相輸入電流能跟隨三相輸入相電壓，實(shí)現(xiàn)較高的電能質(zhì)量。
2 工作原理
變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由三相輸入濾波器、IGBT組成的矩陣開(kāi)關(guān)、LC串聯(lián)諧振電路、高頻高壓變壓器和全橋高壓整流電路組成。三相輸入濾波器是由電感L和電容C組成的二階低通濾波器。濾波電容器采用Y型結(jié)構(gòu)，也可采用△型，只是參數(shù)設(shè)計(jì)稍有些不同。濾波電容器除了用于降低回路中電流諧波，它主要起能量?jī)?chǔ)存的作用，供給串聯(lián)諧振電路和負(fù)載，減小三相交流電壓的畸變。矩陣開(kāi)關(guān)由12只ICBT組成，每?jī)芍籌GBT組成一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，電流可以雙向流動(dòng)，連接方式可以是兩只IGBT的c極相連，也可以是e極相連。6組雙向開(kāi)關(guān)組成橋式整流結(jié)構(gòu)，矩陣開(kāi)關(guān)與串聯(lián)諧振電路相連，能實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)和能量的雙向流動(dòng)。在工作過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)三相交流電壓和負(fù)載電壓，控制矩陣開(kāi)關(guān)中IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)序和開(kāi)關(guān)時(shí)間，控制每一相向諧振電路提供的電荷量，使得三相輸入電流跟隨三相輸入相電壓變化。
3 工作過(guò)程分析
電源工作分3個(gè)過(guò)程：諧振電容Cr充電過(guò)程分為兩個(gè)過(guò)程，分別記為模式1和模式2；Cr放電只有一個(gè)過(guò)程，記為模式3。3個(gè)過(guò)程形成一個(gè)諧振周期，諧振電感電流iLr波形和諧振電容電壓uCr(t)波形如圖2所示。為了更好理解3個(gè)工作過(guò)程，引入三相輸入相電壓：
為分析方便，考察三相輸入相電壓的相位從0到6／π，此時(shí)三相輸入相電壓滿足|ua|≥|ub|≥|uc|，定義UM=|ua-ub|和UN=|ua-uc|。由于串聯(lián)諧振電路的諧振頻率(60 kHz)遠(yuǎn)高于工頻(50 Hz)，在一個(gè)周期內(nèi)，相電壓變化極小，因此分析時(shí)假定加載到諧振回路中電壓為恒定值。負(fù)載電容CL等效到初級(jí)的電容值遠(yuǎn)大于CL，則在一個(gè)諧振周期內(nèi)，CL的電壓上升非常小，在分析過(guò)程中將其視為一個(gè)直流源。
在t0時(shí)刻，首先驅(qū)動(dòng)VS2和VS12，UN加載到諧振電路上，a相和c相形成電流回路，iLr增加，電流特性由LC串聯(lián)諧振回路決定，同時(shí)Cr和負(fù)載電容CL開(kāi)始充電，UCr和CL的電壓Uo開(kāi)始上升。等效電路如圖3所示。假定模式1工作初始條件為：ILr(t0)=0，UCr(t0)=-2Uo。諧振電感電流和諧振電容電壓為：
在t0～t1時(shí)間段內(nèi)流出a相和c相電荷量為：
在t1時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)VS10，UM加載到諧振電路上，此時(shí)c相的電流被自然換流．a(chǎn)相和b相形成電流回路，iLr繼續(xù)按照串聯(lián)諧振電流特性變化，直至電流為零，此時(shí)UCr達(dá)到峰值。等效電路與圖3a類似，僅將UN換為UM即可。模式2的初始條件為：
t2時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)VS1，VS9，iLr反向流動(dòng)，Cr開(kāi)始放電，t3時(shí)刻電流為零。等效電路與模式2相同，但iLr反向。模式3初始條件：ILr(t2)=0，UCr(t2)=UM-Uo+IMZ。
則可知iLr(t)和uCr(t)的表達(dá)式為：
4 控制策略
一個(gè)諧振周期內(nèi)，模式1和模式2的電流方向規(guī)定為正，正向電流的電荷量規(guī)定為從三相流出的電荷量，反向電流的電荷量為流回三相的電荷量，則從三相流出的凈電荷量為：
Q可視為從a相流出，而從c相和b相流出的電荷量分別為Q1和Q2-Q3。采用電荷控制理論，使得從a相和c相流出的電荷量正比于各自的相電壓，比例系數(shù)為k，其表達(dá)式為：
θ隨三相交流相電壓(0～π／6)及Uo變化的曲線如圖4a所示。由圖可知，隨著Uo的升高和三相交流相電壓的變化，θ單調(diào)增大，最大值為半個(gè)充電周期。θ的變化，從另一個(gè)角度說(shuō)明隨著Uo的升高，輸出能量增大。
諧振電流周期fs隨三相交流相電壓及Uo變化的曲線如圖4b所示。可見(jiàn)，fs隨著Uo的升高，先變大后變小。隨著三相交流相電壓的變化，諧振電流周期也是先變大后變小。周期的最大值大約為6．47 rad。相比DC-link技術(shù)串聯(lián)諧振變換器的電流周期增大0．19 rad。而最大的周期出現(xiàn)在0．15 rad。
諧振電容器上剩余電壓隨三相交流相電壓和Uo變化曲線如圖4c所示。
諧振電容器上剩余電壓隨著uo升高而增大，隨三相交流電壓的變化先增大后減小，首末兩點(diǎn)電壓相同，最大電壓出現(xiàn)在相位為3／π點(diǎn)處。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在上述原理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)電容充電電源的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，主要參數(shù)：交流輸入380 V，電源輸出電壓為50 kV，充電速率為60 kJ／s，諧振電容1．98μF，諧振電感2．25μH，開(kāi)關(guān)頻率30 kHz。
圖5a示出三相交流輸入線電流iac與交流相電壓uac波形，uac，iac保持比例關(guān)系且同相位。使用電能分析儀測(cè)量功率因數(shù)，測(cè)量值為0．99。充電初期和末期的開(kāi)關(guān)電流如圖5b所示。由圖可見(jiàn)，隨著uo升高，切換時(shí)間從1μs增加到2μs，電流前半周期從6μs增加到7μs，后半周期由于分布電容的影響變小。
6 結(jié)論
推導(dǎo)出在電流斷續(xù)條件下，電源各個(gè)工作模式下的電流特性，研究了三相電網(wǎng)電壓和輸出電壓對(duì)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間和諧振電流周期的影響。設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于高頻交流鏈接技術(shù)的電容充電電源的樣機(jī)，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用電荷控制方式，電網(wǎng)輸入端可達(dá)到很高的功率因數(shù)，且開(kāi)關(guān)切換時(shí)間(角度)和諧振電流的周期隨三相電網(wǎng)電壓和輸出電壓發(fā)生變化。
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