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《串联谐振充电电源分析及设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第16卷第12期强激光与粒子束Vol.16,No.122004年12月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSDec.,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,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
2、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100Hz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
3、阶段接近短路,充电到额定值时,负载相对较小,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[1～6],与传统直流电源相比较,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
4、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,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100Hz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Ls,变压器TX,高
5、压整流桥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Ls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,负载电容指等效电容Ce。模式1:S1,S4导通,S2,S3截止,电压、电流方向如图3(a)所示,由于负载电容Ce远远大于谐振电容Cs,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
6、为[7]i=(-U1/Z)sin(ωt)(1)谐振电容电压Us和负载电容电压Ue可分别表示为Us=Us0-U1[1-cos(ωt)](2)Ue=Ue0-γU1[1-cos(ωt)](3)式中:谐振频率ω,回路阻抗Z分别为X收稿日期:2004204213;修订日期: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。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalD
7、iscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1612强激光与粒子束第16卷©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.U1为回路初始电压之和ω=1/LsCs,Z=Ls/Cs(4)U1=U0+Us0+Ue0(5)©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.U0,Us0,Ue0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
8、ipeak1,充电结束时刻谐振电容和负载电容上的电压Us1,Ue1为ipeak1=-U1/Z,Us1=Us0-2U1,Ue1=Ue0-2γU1(6)式中:γ为谐振电容和负载电容容
