神光m能源模块高功率充电机的设计

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1、神光m能源模块高功率充电机的设计神光m能源模块高功率充电机的设计李网生夏贤江周建春李炜徐功潜郑万国‘郭良福‘周玉璋‘力一峥‘陈德怀’南京电子技术研究所(南京210013)‘中国工程物理研究院(绵阳621900)摘要:本文介绍了一种使用在“神光m”能源模块装置中的高压高功率恒流充电电源。由于该电源采用了串联谐振零电流开关(ZCS)的拓扑结构，具有抗负载短路和恒流特性，因此运行可靠性极高。叙词:高乐_高功东Ift充电电源1引言定脉冲宽度而调整开关频率(FM)的控制策略[3][41，当然也可以”神光m”是继我国成功建成，神光n”之后，研制的新型功采用固定开

2、关频率而调整脉冲相位(PM)的控制策略[s7。这几种率更大、技术更为先进的激光聚变装置。每一个”神光皿”能源充电控制方法均要求在充电过程中对开关管的工作状态进行不模块包括两套充电、储能和放电回路，其中，由主储能电容器储断的调整，以满足电源的恒流输出要求。但不断调整的过程给存的600KJ电能通过主引燃管K1和脉冲成形电感L2给10组氛211V灯放电.电流脉冲底宽SOON.,幅值达150KA;为了延长氛灯的使少厂V,用寿命和提高光放大器的效率[0，在主放电脉冲之前几百微秒又加了预放电，预储能电容器的储能为6.6KJ,预放电电流脉冲底宽120Ns,幅值为1

3、5KAo匕寸CLIA吕在每台能源组件内安装了两台充电机，分别给预储能电容器(33述)和主储能电容器(2200NF)充电，充电电压最高均设计为图2能源组件充电电源的负载特性25KV，充电时间<60.，两台充电机电路形式一致，只是功率大小电源的稳定可靠运行带来了不利影响。为了克服上述不稳定因素，我们采取了固定脉冲宽度和固默KA定开关频率的控制策略困，在开关频率小于回路谐振频率一半的条件下，电路自身具有恒流特性，能够工作在负载短路状态。该电源特别适合于给电容器充电，又被称为电容器充电电源(CCPS[61)o图I能源组件的组成框图不同，本文只讨论主充电机的设

4、计。2充电机的方案选择由于一次注人储能电容的能量巨大，而且充电时间达几十匆功甲电压秒，传统的阻容型(RC)和谐振型(I)D)充电方式在此都不能使用。随着电力电子技术的发展，近年来采用高频开关电源给电图3电容器充电电源(CCPS)的电路简图容器充电已成为可能，但必须根据电源的负载特性要求，选出一3高功率恒流充电电源的工作原理个合适的充电方案，才能确保整个系统稳定可靠地运行。图3为CCPS的电路简图，这是一个典型的串联谐振变换我们知道，在能源组件储能电容器的充电初期，电容器两端器，vi一4是带有反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(IG-电压近于零，此时充

5、电机是在负载短路状态下运行的，它要求充RF),L=C组成申联谐振回路。T1是升压变压器，次级接有高电机应具有限流功能;其次，在充电过程中，系统要求储能电容压高频整流硅堆，RO1,R02和D组成反压保护电路，C:是主储器两端电压随充电时间而线性增长，即电源应该是一个恒流源。能电容，后接脉冲放电回路。除此之外，电源还应具有完善的安全保护功能。在进行电路分析时，先假设电路中各元件均具有理想特性，根据上述要求，我们在设计高频充电电源时，可以采用固定并将一个完整工作周期分为四个模式，等效电路如图4，由于开关频率而调整脉冲宽度(P")的控制策略[x]，也可以采用

6、固R01,RO2很小，等值电路中未考虑。其中C;为负载电容C,,并·466·第十五届全国电源技术年会论文集考虑桥式整流后反应到初级的等效电容，矶(to).叭(to)分别为·{]一。}a[wo(t一to川](4)各模式开始时刻c,和氏上的初始电压;由于电路运行在零电对于其他三种模式的电流、电压表达式类似于模式1的结流(zcs)状态，故每个模式的起始和结束时刻I,(to)=0。图4论。只是应根据图中的电流、电压源参考方向，相应地在改变一(a)对应于模式I，此时开关管VI,V4导通，谐振电流Ir方向为下七和从(to)的极性以及矶(t)表达式的运算符号而已。

7、正。图4(b)对应于模式2，此时Vl,V4的反向并联二极管续流在实际充电过程分析中，我们只考察各模式的起点和终点导通，I，方向与模式1方向相反。图4(c)对应于模式3，此时V2情况，为此令t，一‘。=><1}0，并用。表示模式1的起点，1表示模,V3导通，I，方向不变。图4(d)对应于模式4，此时V2,V3的反式1的终点和模式2的起点，2表示模式2的终点和模式3的起点，3表示模式3的终点和模式4的起点等等，依次类推。对于模式1，式(3),(4)可以简化为:+)VWa玺v4U0'、V3:(.-)},}cV"I(tp)Vs(n+1)二M.)+2[V}一V

8、(n)一V,(n)](C,IC,)(5)峨日1.式1解1璐但小路出)福式x的书演甲自Vy(n+1)二V,(n