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摘 要：本文对串联谐振充电原理进行分析和理论推导.通过公式推导得出了电路发生谐振时能得到最佳的充电效果.提出了串联谐振恒流脉冲电源.本文进行了大量的实验研究,通过TDS30012B数字示波器测出了IGBT驱动电压的波形、储能电容充电波形和谐振电流波形.实验证明串联谐振充电优越于普通充电方式.
关 键 词：串联谐振脉冲电源PWMIGBT
随着重复频率脉冲功率技术的发展,那种体积庞大、低效率的恒压充电方式已不能满足实际需求.传统电源与串联谐振充电电源相比,其具有如下优点:高效率、恒流充电、大功率密度、体积小、适用于变化范围宽的负载等,是理想的电容充电电源.本文将对适合电容充电的串联谐振恒流脉冲电源进行了设计.
1.串联谐振充电的原理
串联谐振充电电路中,当电源电压恒定保持不变时,随即变换器从每一个开关管（IGBT）正向导通开始至谐振电流反向续流结束,在这样的情况下完成一个自然谐振周期后,此时储能元件上的电压增量相等,因此这种谐振式逆变充电方法通常被称为等台阶充电或等电荷充电.之所以能实现等台阶充电,因为当电路稳定工作时正向谐振峰值电流会随自然谐振周期的个数增加而增大,反向续流峰值则减小,但两者之和不变,从而在每完成一个自然谐振周期后能保证储能元件的电压增量相等.
2.串联谐振恒流脉冲电源结构设计
脉冲电源主要由脉冲变压器、谐振电容、直流源、高频全桥逆变电路、高频高压整流、谐振电感、储能电容器以及脉冲成形结构（能量转换和释放系统）组成.主电路见图1.
图1图主电路拓扑图
图中VD为直流电源,可通过对交流电进行滤波、整流得到,高频全桥逆变电路由4个IGBT和与其反向并联的续流二极管组成,二极管选用高速恢复二极管,有利于实现软开关,选用IGBT是因为它既有功率晶体管的导通电压低、通态电流大的优点,又有MOET易于驱动、开关频率高、控制简单的优点,谐振电路由谐振电容、谐振电感、线路等效电阻以及变压器组成,其中谐振电容和谐振电感的等效阻抗远大于线路等效电阻,4个整流二极管形成了高频全桥整流电路,蓄能电容为电解电容,脉冲成形结构由晶闸管和晶闸管触发板组成.
2.1高频全桥逆变电路
在脉冲电源中,核心部分是逆变电路,在逆变电路中将会有很多的保护和控制电路,整个功率器件的很多参数都将受到逆变电路的影响,系统的其它各部分也会相应的受到影响,所以,逆变电路的设计是非常关键的一个环节.逆变电路的拓扑结构多种多样,由于本论文所设计的脉冲电源输出功率大、电压高,所以选择全桥变换器.选择全桥变换器主要是因为它具有功率开关电压及额定电流较小,功率变压器利用率较高等明显优点.本文选用脉宽调制控制的方式在变压器的副边得到占空比可调的正负半周对称的交流方波电压.逆变器件为IGBT,IGBT的驱动为两片IR2110,分别位于逆变电路中的两个桥臂上,每一片IR2110驱动一个桥臂.
2.2储能电容器
电容器是脉冲电源储存能量,并释放能量产生脉冲的前提.所以电容器的好坏直接影响了脉冲电源的工作效率和性能.当电容器放电时相当于两端直接短路,一般情况下电容器不能在这种短路条件下工作,因此要选择能够应用于冲击大电流装置的专用电容器.在放电电压达到万级以上时,全都使用无极性的脉冲电容器.但在放电电压为千伏级,并且放电频率不超过5次/每分钟的场合采用电解电容器,能够充分发挥其成本低廉以及储能密度高的优点.在脉冲电源工作时,电解电容器通过充电电路补充每次脉冲电容器放电时所放出的能量.故本系统选用电容器型号为日立HCGF5的电解电容器,最高充电电压为400V,容量为3300μF.
2.3脉冲成形系统
放电开关及其控制电路是脉冲成形系统的主要部分.由于本文的设计对控制时序要求很高,故以DSP的时钟作为时钟基准,按照设定好的时序,由TMS320LF2407A的引脚IOPE1输出控制信号,控制晶闸管开关来控制电容放电.晶闸管的具体参数如下:正向阻断峰值电压700V、正向额定平均电流50A、最大正向平均压降1.2V、控制极触发电压2.8V、控制极触发电流76mA、正向平均漏电流0.1mA、反向阻断峰值电压600V、反向平均漏电流0.1mA.
3.结果
由理论推导与仿真结果可知,当控制开关工作在频率为5kHz时充电效果最好.修改DSP中PWM模块子程序,使PWM1周期为200μs,正脉宽占90μs,使PWM2周期为200μs,正脉宽占90μs,并且延时100μs触发.实验测得IGBT栅极和发射极的电压波形.示波器显示屏最大显示电压为80V,无法达到测量要求,为此使用衰减倍数为10倍的可衰减探头,其中储能电容为3300μF.储能电容两端的充电电压波形由于探头使用了10倍衰减,图中坐标纵轴电压每格为50V,横轴时间每格为1s.可见在4.6s时储能电容电压达到400V.充电电压波形接近直线且整个充电过程也几乎为恒流充电,符合设计要求.
4.结语
本文采用理论分析与仿真验证结合的方式,在此基础上设计实验模型的研究方法.当串联谐振电路的工作频率等于谐振频率时,充电电流为脉动恒定电流,电压值呈“阶梯”状上升.通过理论与试验结合充分验证了当谐振电容和谐振电感满足上述的关系式时恒流充电的效果最好.实验结果表明:实际测量谐振电流的波形与理论谐振电流的波形近似.充电电压波形接近直线且整个充电过程也几乎为恒流充电,充电电流为2A以上,能在5s内将3300μF的电容充电为400V,实际测得结果符合设计要求,实现了较好的效果.所以串联谐振充电在充电速度和恒流特性方面远远优于普通充电方式.