1、 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第 16 卷 第 12 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 16 ,No. 122004 年 12 月 HIGH POWER LASER AND PARTICL E BEAMS Dec. ,2004文章编号 : 100124322 (2004) 1221611204串联谐振充电电源分析及设计 X苏建仓 1 ,2 , 王利民 2 , 丁永忠 2 , 宋 晓 欣 2( 1. 西安交通大学 , 陕西 西安 710049 ; 2 . 西北核技术研究所 ,
2、 陕西 西安 710024)摘 要 : 推导了串联谐振充电电源不同工作模式下的电流 、 电 压 计 算 公 式 ,给 出 了 计 算 不 同 周 期 电 流 、 电 压值 的 递 推 公 式 ;应用递推公式说明了这种电源的脉动恒流充电特性; 给出了负载电容不完全放电情况下电源参 数 的计 算 方 法 。 在 负 载 电 容 完 全 放 电 的 情 况 下 ,电 源 的 平 均 输 出 功 率 为 最 大 输 出 功 率 的 一 半 ,在负载电容电压 基 本维 持 恒 定 的 情 况 下 ,电源平均输出功率与最大输出功率相等; 最后给出了一台为 Tesla 型 加 速 器 初 级 储 能 电 容
3、充 电 的 谐 振 电 源 的 设 计 实 例 ,电 源 的 实 测 结 果 和 计 算 结 果 一 致 ,在 100 Hz 重复频率下运行稳定可靠。关键词 : 串联谐振; 恒流充电电源; 脉冲功率中图分类号 : TM531. 2 文献标识码 : A脉冲功率技术领域通常对电容器慢速充电、 快 速 放 电 获 得 高 功 率 输 出 。 单 次 工 作 的 脉 冲 功 率 装 置 多 采 用 常规 的 工 频 直 流 电 源 作 为 电 容 器 的 充 电 电 源 。 电 容 器 是 阻 抗 宽 范 围 变 化 的 负 载 ,充 电 起 始 阶 段 接 近 短 路 ,充电到 额 定值 时 ,负
4、载 相 对 较 小 ,因 此 ,通 常 在 负 载 和 电 源 之 间 串 联 限 流 电 阻 ,这 种 恒 压 充 电 方 式 的 效 率 不 会 大 于 50 %。另 外 ,由 于 电 源 频 率 低 ,电 源 的 体 积 也 较 大 。随 着 重 复 频 率 脉 冲 功 率 技 术 的 发 展 ,上 述 低 效 率 、 体 积 庞 大 的 恒 压 充 电 方 式 已 很 难 满 足 实 际 应 用 。 近 十 几 年来 发 展 的 串 联 谐 振 充 电 电 源 特 别 是 全 桥 串 联 谐 振 充 电 电 源 很 好 地 解 决 了 这 一 问 题 16 ,与 传 统 直 流 电 源
5、 相 比较 ,具 有 恒 流 充 电 、 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 。本文首先推导了串联谐振充电电源不同工作模式下的电流、 电 压 计 算 公 式 ,给出了计算不同周期电流电压值 的 递 推 公 式 ;其 次 ,应用递推公式说明了这种电源的脉动恒流充电等特性; 再 次 ,给出了负载电容不完全放电情 况 下 电 源 参 数 的 计 算 方 法 ,在 负 载 电 容 完 全 放 电 的 情 况 下 ,电 源 的 平 均 功 率 为 最 大 输 出 功 率 的 一 半
6、,在 负 载电 容 电 压 基 本 维 持 恒 定 的 情 况 下 ,电 源 平 均 输 出 功 率 与 最 大 输 出 功 率 相 等 ;文章最后给出了一台应用于 Tesla 型 加 速 器 初 级 储 能 电 容 充 电 电 源 的 设 计 实 例 ,电源的实测结果和计算结果一致 ,在 100 Hz 重 复 频 率 下 运 行 稳定 可 靠 。1 全桥串联谐振充电电源电路分析图 1 为 全 桥 串 联 谐 振 充 电 电 源 的 主 电 路 原 理 图 ,由 直 流 电 源 V ,逆 变 开 关 S1 S4 , 谐 振 电 容 Cs 和 电 感 L s ,变 压 器 TX ,高 压 整 流
7、 桥 D1 D4 ,负 载 电 容 CL 等 组 成 。 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 。 图 2 是 通 过 电 感 L s 的 谐 振 电 流 波 形 ,从 电 流 波 形 可 知 ,一个开关周期可分为两个谐振周期 ,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 2 。 4 种 模 式 的 等 效 电 路 如 图 3 所 示 , 图中 Ce 为 负 载 电 容 CL 折 合 到 变 压 器 初 级 的 等 效 电 容 ,下 文 中
8、,负 载 电 容 指 等 效 电 容 Ce 。模式 1 : S 1 ,S4 导通 ,S 2 ,S3 截止 ,电压、电流方向如图 3 (a) 所示 ,由于负载电容 C e 远远大于谐振电容 C s ,回路中的电阻也远小于谐振电容、电感的等效阻抗 ,因此回路电流可表示为 7 i = ( - U 1/ Z) sin (t) (1)谐振电容电压 U s 和负载电容电压 U e 可分别表示为U s = U s0 - U 1 1 - cos (t) (2)U e = U e0 - U 1 1 - cos ( t) ( 3)式中:谐振频率 ,回路阻抗 Z 分别为X 收稿日期 :2004204213 ; 修订
9、日期 :2004207220基金项目 :国家 863 计划项目资助课题作者简介 :苏建仓 (1965 ) ,男,博士研究生,主要从事脉冲功率技术研究;陕西西安 69 信箱 26 分箱; E2mail :jcsu mail. xjtu. edu. cn 。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1612 强 激 光 与 粒 子 束 第 16 卷U 1 为回路初始电压之和 = 1/ L s Cs , Z = L s/ Cs (4)U 1 = U 0 + U s0 + U e0 ( 5)U 0 ,
10、 U s0 , U e0分别为直流电源、谐振电容、负载电容上的初始电压。根据公式 (1) (3) ,模式 1 的充电峰值电流 i peak1 ,充电结束时刻谐振电容和负载电容上的电压 U s1 , Ue1为ipeak1 = - U 1/ Z , U s1 = U s0 - 2 U 1 , U e1 = U e0 - 2 U 1 ( 6)式 中 : 为 谐 振 电 容 和 负 载 电 容 容 量 之 比 , = Cs/ Ce 。Fig. 1 Circuit diagram of series resonant charging power supply图 1 串联谐振充电电源电路原理图Fig.
11、2 Resonant current waveform图 2 谐振电流波形Fig. 3 Equivalent circuit of series resonant charging power supply图 3 串联谐振充电电源等效电路模式 2 : S 1 ,S4 导通 ,S 2 ,S3 截止 ,负载电容电压方向反向 ,电压电流方向如图 3 ( b) 所示 ,电压初值之和为U 2 = U 0 + U s1 - U e1 ( 7)模式 2 的充电峰值电流 i peak2 ,充电结束时刻谐振电容和负载电容上的电压 U s2 , U e2分别为ipeak2 = U 2/ Z , U s2 = U
12、s1 - 2 U 2 , U e2 = U e1 + 2 U 2 (8)模 式 3 : S2 ,S3 导 通 ,S1 ,S4 截 止 ,谐 振 电 容 、 负 载 电 容 电 压 方 向 反 向 ,电 压 电 流 方 向 如 图 3 (c) 所 示 ,电压初值之 和 为U 3 = U 0 - U s2 + U e2 (9)模式 3 的充电峰值电流 i peak3 ,充电结束时刻谐振电容和负载电容上的电压 U s3 , U e3分别为ipeak3 = - U 3/ Z , U s3 = U s2 + 2 U 3 , U e3 = Ue2 - 2 U 3 (10)模 式 4 : S2 ,S3 导
13、通 ,S1 ,S4 截 止 ,负 载 电 容 上 电 压 方 向 反 向 ,电 压 电 流 方 向 如 图 3 ( d) 所 示 ,电压初值之和为U 4 = U 0 - U s3 - U e3 (11)模式 4 的充电峰值电流 i peak4 ,充电结束时刻谐振电容和负载电容上的电压 U s4 , U e4分别为ipeak4 = - U 4/ Z , U s4 = U s3 + 2 U 4 , U e4 = U e3 + 2 U 4 (12)公 式 (5) (12) 为 串 联 谐 振 充 电 电 压 递 推 公 式 ,应 用 递 推 公 式 ,给 定 回 路 参 数 及 初 始 条 件 ,就
14、可计算出不同谐振周期的电压电流值。2 串联谐振充电电源的基本特征一 个 开 关 周 期 ,负载电容上的电压增量 U e 基 本 与 Cs 和 Ce 的 电 压 初 值 无 关 ,近似为 U e = 8 U 0 (13)一个振荡周期 ,负载电容上的电压增量为 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.ou第 12 期 苏健仓等 :串联谐振充电电源分析及设计 1613 U e = 4 U 0 ( 14)所 以 这 种 充 电 方 式 也 称 为 “等 台 阶 充 电 ”,即每个谐振周期负载电容电压增
15、量相等。利用公式 (14) 可 以 推 出 充电 电 流 的 平 均 值 为Iavg = 2 U 0/ ( Z) ( 15)不 难 发 现 ,平 均 电 流 只 取 决 于 回 路 阻 抗 和 直 流 电 源 U 0 的 电 压 ,所 以 ,这 种 充 电 方 式 也 被 称 为 脉 动 恒 流 充 电 。 只要 初 始 放 电 电 压 满 足 振 荡 条 件 ,即 U 1 , U 3 为 负 , U 2 , U 4 为 正 ,电 源 就 能 维 持 恒 流 充 电 的 特 性 。 从 递 推 公 式 可 以推 出 ,谐振电流的前向和反向电流峰值分别近似为Ip + = ( U 0 + U e)
16、 / Z ( 16)Ip - = ( U 0 - U e) / Z ( 17)当 U e = U 0 时 ,负 载 电 容 电 压 和 直 流 电 源 电 压 相 等 ,反 向 不 再 充 电 ,失 去 恒 流 充 电 作 用 。 也 就 是 ,最 大 恒 流 充电 电 压 为 直 流 电 源 的 电 压 。 这 时 ,谐振电流取得最大值I max = 2 U 0/ Z (18)3 电源设计重复频率充电时 ,负载电容常常不完全放电 ,设负载电容为 C L ,充电电压为 U out ,每次放电负载电容电压降低 U L ,变压器变比为 n ,谐振频率为 f ,重复频率为 f r ,那么 ,谐振电容
17、为Cs = nCL U L f r/ ( 4 U 0 f ) ( 19)谐 振 电 感 为L s = U 0/ ( n 2 CL U L f r f ) (20)有 了 谐 振 电 感 、 电 容 参 数 ,根据上一节的内容就可确定最大谐振电流、 平 均 电 流 等 数 据 ,为电源器件选择及散 热 设 计 提 供 依 据 。 电 源 最 大 输 出 功 率 为Pmax = Iavg Uout = 2 U 0 Uout / ( n Z) ( 21)平 均 输 出 功 率 为Pavg = (1/ 2) CL U 2 t - ( Uout - U L ) 2 f r = U 0 ( 2 Uout
18、- U L ) / ( n Z) ( 22)可 见 ,平 均 输 出 功 率 与 每 次 放 电 电 压 变 化 量 UL 密 切 相 关 ,在 负 载 电 容 电 压 基 本 维 持 恒 定 的 情 况 下 UL 0 ,平 均 功 率 与 最 大 功 率 相 同 ,在 负 载 电 容 完 全 放 电 的 情 况 下 ,4 设计实例图 4 是 一 台 Tesla 型 加 速 器 初 级 储 能 电 容 充 电电 源 原 理 图 。 逆 变 开 关 采 用 带 续 流 二 极 管 的 I GB T开 关 ,模 式 1 , 3 中 I GB T 开 关 导 通 通 过 电 流 , 模 式 2 ,4
19、 中 电 流 通 过 续 流 二 极 管 。 图 的 下 半 部 为 触 发 信号 。 该 电 源 的 负 载 电 容 值 为 400 F , 重 复 频 率 100 Hz ,充 电 电 压 最 高 1 200V ,每次放电电容电压降低 500V ,变 压 器 变 比 为 3 ,谐 振 频 率 选 33k Hz 。 设 计中 ,考 虑 放 电 时 间 , 重 复 频 率 按 120 Hz 设 计 。 直 流电 源 U 0 由 三 相 市 电 整 流 滤 波 得 到 ,电 压 约 530V 。根 据 上 述 要 求 , 可 以 计 算 出 谐 振 电 容 值 为 11091 F ,谐振电感值为
20、2 1. 3 H 。 实 际 上 , 谐 振 电容 值 为 1. 2 F ,电 感 (含变压器漏感 ) 值 为 19. 3 H 。为 了 验 证 上 述 计 算 的 合 理 性 ,在 负 载 电 容 值 为UL Uout ,平 均 功 率 为 最 大 输 出 功 率 的 1/ 2 。Fig. 4 Circuit diagram of charging power supply for Tesla2type accelerator图 4 Tesla 型加速器充电电源原理图70 F 的条件下测试了电源 ,不同时刻谐振电流和负载电容电压波形如图 5 所示。充 电 起 始 时 刻 ,滤 波 电 容 电
21、 压 约 560V ,结 束 时 刻 约 520V ,充 电 到 1 070V ,需 88 个 谐 振 周 期 ,实 际 用 了 90 个 谐 振 周 期 ;起 始 时 刻 ,计 算 电 流 幅 值 为 140A ,实 测 145A 。 结 束 时 刻 ,计 算 前 、 后 向 电 流 峰 值 分 别 为 219A 和41A ,实 测 为 219A 和 44A ;整 个 充 电 周 期 计 算 平 均 电 流 为 84. 4A ,实 测 平 均 电 流 为 85. 8A 。 计 算 结 果 和 实 测 结果 相 一 致 。 该 电 源 已 应 用 于 Tesla 型 加 速 器 ,在 100
22、Hz 条件下运行稳定可靠。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1614 强 激 光 与 粒 子 束 第 16 卷Fig. 5 Resonant current and charging voltage waveform at different period.(a) full waveform , ( b) the beginning of charging , (c) the end of charging图 5 不同时刻谐振电流及负载充电电压波形。 (a) 整周期, ( b) 充电起
23、始阶段, (c) 充电结束阶段参考文献 : 1 Lopincott A C , Nelms R M , Garbi M ,et al. A series resonant converter with constant on2time control for capacitor charging applications A . Ap2 plied Power Electronics Conference and Exposition , APEC90 ,Conference Proceedings 1990 C . 1990. 147 154. 2 Strickland B E , Garb
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28、ysis and design of series resonant charging po wer supplySU Jian2cang1 ,2 , WAN G Li2min2 , DIN G Yong2zhong2 , SON G Xiao2xin2(1. Xian Jiaotong University , Xian 710049 , China;2. Northwest Institute of N uclear Technology , P. O. Box 69226 , Xian 710024 , China)Abstract : This paper firstly derive
29、s expressions of current and voltage at various work modes for the series resonant charging pow2 er supply , gives recursion formulas calculating the value of current and voltage at various periods ; secondly , utilizing recursion formulas , it makes out that the power supply characterizes pulse con
30、stant current charging ; thirdly , this paper calculates the parameters of the power supply when capacitor2load incompletely discharge , the power supply provides half the maximum output when capacitor2load com2 pletely discharge , and provides maximum output to maintain the voltage of capacitor2load ; at last , describes a 100 Hz steady operation power supply for accelerator utilizing Tesla transformer , measured results and calculated results are well consistent.Key words : Series resonant ; Constant2current charging power supply ; Pulse power
