大功率全桥串联谐振充电电源理论设计

更新时间:2019-09-09      

  电源的理论设计。通过数值解析的方法获得谐振电感、电容、功率器件耐压与通流、电源功率、伏秒数等参数,通过数值模拟的方法获得参数,以基于Pspice的全电路仿真验证设计参数的合理性。仿线 kHz重频充电,在初级电压为1.2 kV和谐振参数为33 kHz时,谐振电感、电容应分别为625 nH,37F,

  在脉冲功率技术领域,对初级储能电容常见的充电方式有恒压充电和恒流充电两种方式。前者基于大体积的工频变压器实现,常采用充电电阻限制充电功率,充电电阻消耗的能量为50%;后者多采用全桥串联谐振充电电路,以“等台阶”升压方式实现对电容的恒流充电,具有体积小、效率高、功率密度大、适合宽范围变化的负载等优点,是较为理想的电容充电电源。

  构成全桥串联谐振充电电源的主要单元有:谐振电感和电容、功率器件、脉冲变压器。本文通过数值计算和模拟两种方法确定了这些单元参数的设计,并基于Pspice电路仿真软件对设计的全桥串联谐振充电电源进行了全电路模拟。

  全桥串联谐振充电电源由直流电源V,逆变开关S1~S4,谐振电容Cs和电感Ls,变压器TX,高压整流桥D1~D4,负载电容CL等组成,如图1所示。

  充电过程中,两组逆变开关S1,S4和S2,S3交替导通,完成一个开关周期。一个开关周期又可分为2个谐振周期,并根据逆变开关和高压整流二极管的导通情况分为4种工作模式,如图2所示。

  设计要达到的目标是对110 nF容值的负载电容充电至30 kV,充电重复频率1 kHz。逆变开关采用单只IGBT或其组件,从现有商业IGBT器件的经济性出发,逆变谐振重频设计为33 kHz。初级储能电容C0充电电压为1 kV。

  式中,Cs:调谐电容;n:脉冲变压器变比;CL:负载电容;△UL:每次放电负载电容电压降低值;U0:初级储能电容充电电压;fr:充电重复频率;f:谐振频率;Ls:谐振电感。

  考虑到充电回路的电压效率损失,在设计时令初级充电电压U0=1.2 kV,每次放电△UL=30 kV。红蜻蜓高手心水论坛则计算出Cs=625 nF;Ls=37H;

  计算出每个开关周期的△Ue=1.8 kV,即总共需要17个开关周期才能将负载电容充至30 kV。

  则17个开关周期的时间约为:17x2T=1.03 ms,则充电周期接近1 kHz,满足设计要求。

  脉冲变压器设计中,需要考虑的参数主要是:伏秒数,励磁电感,漏感,耐压,功率。在本设计中,由于变压器初级输入电压为1.2 kV,次级期望输出电压达到36 kV,因此,变比设计为30。

  在充电过程中,负载电容实质是一个变阻抗负载,随着充电电压增加,其阻抗不断降低,因此,变压器达到最大伏秒数应该在充电的后期。因此,伏秒数为:


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