串聯諧振方案
串聯諧振電路設計
發布日期：2020-05-08 點擊：2555次
在脈沖功率技術領域，對初級儲能電容常見的充電方式有恒壓充電和恒流充電兩種方式。前者基于大體積的工頻變壓器實現，常采用充電電阻限制充電功率，充電電阻消耗的能量為50 %。后者多采用全橋串聯諧振充電電路， 以"等臺階" 升壓方式實現對電容的恒流充電，具有體積小、效率高、功率密度大、適合寬范圍變化的負載等優點，是較為理想的電容充電電源。
構成全橋串聯諧振充電電源的主要單元有:諧振電感和電容、功率器件、脈沖變壓器。本文通過數值計算和模擬兩種方法確定了這些單元參數的設計， 并基于Pspice 電路仿真軟件對設計的全橋串聯諧振充電電源進行了全電路模擬。
一、電路設計
全橋串聯諧振充電電源由直流電源V，逆變開關S1-S4，諧振電容Cs和電感Ls變壓器TX，高壓整流橋D-D4，負載電容CL等組成，如圖1 所示。
圖1 串聯諧振充電電路原理
充電過程中，兩組逆變開關S1，S4和S2，S3交替導通，完成一個開關周期。一個開關周期又可分為2個諧振周期，并根據逆變開關和高壓整流二極管的導通情況分為4種工作模式，如圖2所示。設計要達到的目標是對110nF容值的負載電容充電至30kV，充電重復頻率1kHzo 逆變開關采用單只1GBT或其組件，從現有商業IGBT 器件的經濟性山發，逆變諧振E 頻設計為33 kHz 。初級儲能電容Co 充電電斥為1 kV。
圖2 串聯諧振充電的初級電流波形
1.1 諧振電路設計
調諧電容和諧振電感的計算分別如下:
式中，C8調諧電容;n：脈沖變壓器變比;Cl：負載咆容;△Ul：每次放電負載電容電壓降低值;Uo:初級儲能電容充電電壓;fr:充電重復頻率;f:諧振頻率;Ls:諧振電感。
考慮到充電回賂的電壓效率損失，在設計時令初級充電電壓U0=1.2kv，每次放電△Ul=30kV。則計算出C8=625nF;Ls=37μH;
1.2 功率器件設計
計算出通過IGBT紐件的最大諧振電流和半均電流為:
使用參數掃描的方法，先假定忽略次級漏感， 令勵磁電感的值分別為:10μH，100μH，1mH ,lOmH，模擬結果如閣4所示。
圖4 不同勵磁電感的輸出波形
從圖可見， 當勵磁電感值為1mH,10mH 時，輸出電壓波形結果一致， 而勵磁電感為10μH時，輸山電壓明顯較低，說明勵磁電感10μH 時使用器次級輸出的脈寬和平頂度均不能滿足要求。進一步模擬表明本設計所用交ffi器的勵磁電感值不低于200μH 就可滿足要求。對于磁芯變壓器，該條件Z. 諧振回路阻抗。則:Z=7.69Ω;Lmax=312A;Lavg=99.4A 。即選用的TGRT 其耐照不應低丁1.2kV，峰值電流不低T300A。
每一個升關周期，負載電容升壓為:
計算出每個開關周期的△Ue=1.8kv，即總共需要17個開關周期才能將負載電容充至30kV。
每個諧振周期為:
T=2π√LsICs=30.2μs
則17 個開關周期的時間約為: 17x2T=1.03 rns ，則充電周期接近1kHz，滿足設計要求。
1.3 脈沖變壓器設計
脈沖變壓器設計中，需要考慮的參數主要是：伏秒數，勵磁電感，漏感，耐壓，功率。在本設計中，由于變壓器初級輸入電壓為1.2kV，次級期望輸出電壓達到36kV，因此，變比設計為30。
在充電過和中，負載電容實質是一個變阻抗負載，隨著充電電壓增加，其阻抗不斷降低， 國此，變壓器達到最大伏秒數成該在充電的后期。因此，伏秒數為:
VoT=1.2kx30.2μs=36.24mV.s
在實際設計中，考慮一定裕量，伏秒數取45mv.s。
向于負載阻抗不斷變化，很難獲得勵磁電感和漏感計算的解析表達式，可采用數值模擬方法。忽略初次級繞組電阻.脈沖變壓器以勵磁電感和漏感等效，則全橋串聯諧振充電電源的等效電路如圖3 所示， 其中L4為勵磁電感;L3為折算后的次級漏感，其值為次級漏感的1/n2;C4為折算后的負載電容，其值為負載電容的n2，n=30。
網3 諧振充電等效電路
1.4 散熱設計
脈沖變壓器的峰俏功率為:
Pmax=2UoUout/(nπZ)
據此，計算獲得Pmax=116kW。平均功率在為:
Pavg=Uo(2Uout-△Ul)/(nπZ)
據此，計算Pavg=66 kW，但考慮到脈沖變器工作時間短，僅幾個ms，因此，變壓器可不設計額外的散熱裝置。
二、電路仿真
根據以上設計參數，獲得全電路以及仿真結果，分別如圖5，6。
根據模擬結果，電流諧振周期約30.2μs，每個開關周期負載電壓增量接近1.8 kV，則經歷34個諧振周期，即1.03ms后可完成對負載電容的充電與設計預期一致。在對110nF負載電容充電時，輸出電壓為等臺階，每個驅動電流半周期產生一個幅值1.8kV臺階。
圖5 設計的全橋串聯諧振充電電源
圖6 全電路仿真結果
三、結論
全橋諧振充電電源的諧振電感和電容決定諧振頻率，功率開關的耐壓和電流決定該器件的型號，脈沖變壓器決定諧振功率脈沖高效率且低崎變地向負載傳輸，勵磁電感和伏秒數是該脈沖變壓器的最關鍵參數，脈沖峰值功率和平均功率參數決定散熱系統設計。結合數值計算和模擬的方法陰開展了全橋諧振充電電源的理論設計:定了諧振回路的參數和脈沖變壓器電感值， 全電路仿真驗證了設計的合理性，為該電源下一步實驗工作奠定了基礎。
