14KV—5KW高压电容充电电源

1　引言
　　
　　该充电电源为某科研项目，要求充电电容为3000uF，电压范围4000V--14000V，充电精度AU=|30V+U* 2000ppm|，电源供电电压为380V/50Hz，能量变换器的工作频率f大于等于15KHz，能量变换器的最大输出功率大于等于5KVA，每次充电过程在1分钟内完成。

2　电源总体方案　
　　　　
　　由于高频大功率变换器开关频率大于15KHz，本方案采用开关频率为18KHz的硬开关方式。功率器件采用智能型IPM模块组成。为了减小分布参数引起的变压器的泄漏电流，将变压器分成3个变压器串联，这样每个变压器输出电压降小于5KV，同时也有利于后端的整流输出实现。控制器采用320F240电力变换与电机控制专用处理器。电源原理框图如图1：

3　输出电压与电流的检测

　　用霍尔元件检测输出电流，电源输出的实际充电电流有波动，应多点值取平均。输出为直流高电压，可并联大电阻将电压量转化为电流量用霍尔元件测量。需要注意的是检测电路的高压隔离，本电源中将霍尔元件的磁环中加入绝缘陶管。

4　控制策略
　　　　
　　因为负载为大电容，电容两端电压变化比较平稳（充电电流稳定）；所以仅需保证充电电流平稳。通过调节电源中逆变部分功率器件的触发脉冲宽度，合理选择输出滤波电感、电容值可使充电电流平稳。因此，控制策略为电源中逆变部分功率器件的触发脉冲宽度按时间递增，输出电流、电压的采样值主要用于保护和触发脉冲宽度的确定。
　　　　
　　由于本电源的负载为固定的大电容，属于定负载的电源；先进行仿真再通过多次实验可确定输出滤波电感、电容的最佳值、触发脉冲的初始宽度和触发脉冲的递增步长。320F240内核可工作在20MHz频率，其先进的结构使几乎所有的指令都可在50ns的单周期内完成。因此，它具有很强的数据处理能力和丰富的片内集成外设；其事件管理器模块具有12路比较/PWM通道，可方便的实现产生触发脉冲的算法。控制程序流程如图2：

5　仿真结果
　　
　　本电源使用了Matlab 6.0作为仿真工具，模型用Simulink和Power system工具箱中的模块搭建。由于大量电力电子模块的使用，仿真计算量大，导致仿真时间很长。图3给出了0到0.2秒的仿真输出波形；从中可以看出，充电电流经过瞬态过程稳定在0.7A左右，在60秒内完全可以将3000uF的电容充电到14KV。

6　结论

　　由于本电源输出为大电容负载，采用按时间递增触发脉冲宽度为主，输出端电流和电压值作为参考的控制方式，可以满足性能要求。



参考文献：

1．现代电力电子技术基础；赵良炳，编著；清华大学出版社，2000。

2．直流开关电源的软开关技术；阮新波，严仰光，编著；科学出版社，2000。

3．MATLAB仿真应用详解；范影乐，扬胜天，李轶，编著；人民邮电出版社，2001。

4．全数字化高频高压充电电源；谢永刚， 徐至新， 钟和清；高电压技术，2000.10。

5．DSP控制器及其应用；章云，谢莉萍，熊红艳，编著；机械工业出版社，2001。