在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，對初級儲能電容常見(jiàn)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(shí)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(lián)諧振充電電路， 以"等臺階" 升壓方式實(shí)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(yōu)點(diǎn)，是較為理想的電容充電電源。

　　構成全橋串聯(lián)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(guò)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(lián)諧振充電電源進(jìn)行了全電路模擬。

　　一、電路設計

　　全橋串聯(lián)諧振充電電源由直流電源V，逆變開(kāi)關(guān)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(lián)諧振充電電路原理

　　充電過(guò)程中，兩組逆變開(kāi)關(guān)S1，S4和S2，S3交替導通，完成一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期又可分為2個(gè)諧振周期，并根據逆變開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)采用單只1GBT或其組件，從現有商業(yè)IGBT 器件的經(jīng)濟性山發(fā)，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(lián)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(shí)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(guò)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(jiàn)， 當勵磁電感值為1mH,10mH 時(shí)，輸出電壓波形結果一致， 而勵磁電感為10μH時(shí)，輸山電壓明顯較低，說(shuō)明勵磁電感10μH 時(shí)使用器次級輸出的脈寬和平頂度均不能滿(mǎn)足要求。進(jìn)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(mǎn)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(gè)升關(guān)周期，負載電容升壓為:

　　計算出每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的△Ue=1.8kv，即總共需要17個(gè)開(kāi)關(guān)周期才能將負載電容充至30kV。

　　每個(gè)諧振周期為:

T=2π√LsICs=30.2μs

　　則17 個(gè)開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間約為: 17x2T=1.03 rns ，則充電周期接近1kHz，滿(mǎn)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(guò)和中，負載電容實(shí)質(zhì)是一個(gè)變阻抗負載，隨著(zhù)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(shí)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(lián)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(wǎng)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(shí)間短，僅幾個(gè)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(gè)開(kāi)關(guān)周期負載電壓增量接近1.8 kV，則經(jīng)歷34個(gè)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(shí)，輸出電壓為等臺階，每個(gè)驅動(dòng)電流半周期產(chǎn)生一個(gè)幅值1.8kV臺階。

圖5 設計的全橋串聯(lián)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(kāi)關(guān)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(guān)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(kāi)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(shí)驗工作奠定了基礎。