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大功率全桥串联谐振充电电源理论设计

时间:08-28 来源:互联网 点击:

摘要:为了对电容重复频率且高能量转换效率地充电,开展了全桥串联谐振充电电源的理论设计。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、脉冲变压器伏秒数等参数,通过数值模拟的方法获得脉冲变压器励磁电感参数,以基于Pspice的全电路仿真验证设计参数的合理性。仿真结果表明为了实现对110 nF电容1 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,37μF,脉冲变压器伏秒数、励磁电感至少分别应为45 mVs、1 mH,功率器件峰值电流约300 A。
关键词:全桥串联谐振充电;恒流充电;脉冲变压器;励磁电感

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。

1 电路设计
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。
1.1 谐振电路设计
调谐电容和谐振电感的计算分别如下:
Cs=nCL△ULfr/(4U0f) (1)
Ls=C0/(nπ2CL△ULfrf) (2)
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。则计算出Cs=625 nF;Ls=37μH;
1.2 功率器件设计
计算出通过IGBT组件的最大谐振电流和平均电流为:

Z:谐振回路阻抗。则:Z=7.69 Ω;Imax=312 A;Iavg=99.4 A。即选用的IGBT其耐压不应低于1.2 kV,峰值电流不低于300 A。
每一个开关周期,负载电容升压为:
△Ue=8yU0 (6)
y=Cs/(nCL) (7)
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。
每个谐振周期为:

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。
1.3 脉冲变压器设计
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:
V0T=1.2kx30.2μs=36.24 mV.s (9)
在实际设计中,考虑一定裕量,伏秒数取45 mV.s。
由于负载阻抗不断变化,很难获得励磁电感和漏感计算的解析表达式,可采用数值模拟方法。忽略初次级绕组电阻,脉冲变压器以励磁电感和漏感等效,则全桥串联谐振充电电源的等效电路如图3所示,其中L4为励磁电感;L3为折算后的次级漏感,其值为次级漏感的1/n2;C4为折算后的负载电容,其值为负载电容的n2,n=30。


使用参数扫描的方法,先假定忽略次级漏感,令励磁电感的值分别为:10μH,100μH,1 mH,10 mH。模拟结果如图4所示。


从图可见,当励磁电感值为1 mH,10 mH时,输出电压波形结果一致,而励磁电感为10μH时,输出电压明显较低,说明励磁电感10μH时变压器次级输出的脉宽和平顶度均不能满足要求。进一步模拟表明本设计所用变压器的励磁电感值不低于200μH就可满足要求。对于磁芯变压器,该条件容易满足。
1.4 散热设计
脉冲变压器的峰值功率为:
Pmax=2U0Uout/(nπZ) (10)
据此,计算获得Pmax=116 kW。平均功率为:
Pavg=U0(2Uout-△UL)/(nπZ) (11)
据此,计算Pavg=66 kW。但考虑到脉冲变压器工作时间短,仅几个ms,因此,变压器可不设计额外的散热装置。

2 电路仿真
根据以上设计参数,获得全电路以及仿真结果,分别如图5,6。

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