摘 要： 介紹了新型軟開關脈沖電容充電技術， 其基本電路采用串聯(lián)諧振拓撲， 具備零電流開關、恒流充電、內在短路保護等優(yōu)點。導出了該基本電路重要參數(shù)的計算公式。仿真了一個16kJ/s 充電電源的波形。在重復頻率較高、負載電容容量偏小時的不利情況下， 在基本恒流電路的基礎上， 探討了幾種改善充電電壓穩(wěn)定性的途徑， 同時保留了恒流源的優(yōu)點。

在粒子加速器、激光脈沖、雷達發(fā)射等技術領域中， 廣泛使用功率脈沖調制器， 脈沖調制器通常由直流高壓充電電源、高壓儲能電容或脈沖成形網(wǎng)絡（PFN ） 及負載組成， 高壓儲能電容或PFN 先被充電至所需電壓， 然后在時序信號作用下通過放電開關向匹配負載放電而產(chǎn)生一定寬度的功率脈沖， 對不同的應用場合， 脈沖重復頻率可能由單次放電到幾千赫茲不等。在某些應用場合， 往往要求充電電壓穩(wěn)定性好于1% 甚至0. 1% 。最傳統(tǒng)的充電方式是使用工頻高壓電源和De2Q 電路的LC 諧振充電方式， 儲能電容可獲得兩倍于高壓電源的電壓值，雖然技術路線較簡單， 但由于工作于低頻狀態(tài)， 體積、重量大，且紋波、穩(wěn)定性不能令人滿意， 電網(wǎng)電壓波動時尤其如此。

比較先進的技術路線是采用電力電子學中的開關變換技術。由于新型功率開關器件及新電路拓撲的不斷進步， 開關變換技術得到了迅速的發(fā)展， 較之于硬開關電路， 諧振開關電路因工作于軟開關狀態(tài)， 技術更先進， 具備開關損耗小、諧波分量小、頻率高（如幾十kHz）、儲能元件體積小等優(yōu)點。

1 高壓脈沖電容充電電源的技術指標

圖1 是脈沖電容或PFN 的充放電波形， 其中T c 是充電時間， T w 是放電等待時間， T p 是充電重復周期。則平均充電速率為CV²/2T p , 峰值充電速率為CV²/2T c.充電速率、負載電容容量范圍、電壓穩(wěn)定度、紋波、功率因數(shù)、效率等都是衡量電源性能的重要指標。

圖1　充放電電壓波形

2 基本恒流充電電路分析與計算

在諧振開關技術中最適合脈沖電容充電的電路是串聯(lián)諧振開關電路， 輸出近似為恒流源或稱"等臺階充電",突出的優(yōu)點是充電效率高且具有固有短路保護能力。圖2 所示是串聯(lián)諧振開關全橋變換電路， 對角線上的兩個開關管和另外一條對角線上的開關管交替導通，交替導通一次為一個開關周期T s, 在半個開關周期內， 諧振電流通過開關管及續(xù)流二極管完成一次諧振， 負載電容電壓升高一個臺階△V .圖3 給出了開關管柵極驅動脈沖及諧振電流波形關系圖。

圖2　串聯(lián)諧振開關全橋變換充電電路

圖3　開關管柵極驅動脈沖及諧振電流波形

忽略回路電阻， 電路的特征阻抗為Z =√ L/C , 諧振周期為T r = 2π √L/C , 其中C 是諧振電容C r 和折合到原邊的負載等效電容C'串聯(lián)后形成的總電容， 通常因高壓變壓器變比高， 等效電容C '和C r相比較大， 因此串聯(lián)后的總電容C 和C r 相差不大。完整的充電電流波形包絡及充電電壓如圖4 所示， 其中t1是轉折點， t1 以前是線性等臺階充電， t1 以前電流波形放大如圖5 （a） 所示， 轉折點附近的電流波形如圖5（b） 所示。

圖4　一個充電周期的諧振電流包絡及充電電壓波形

圖5　諧振電流波形

通過計算可以得到線性階段每一個開關周期（兩次諧振）C'所充的電量為：

正向電流峰值為：

V s 是電源電壓； N 是諧振周期的個數(shù)。

反向續(xù)流峰值為：

由式（3） 看出反向續(xù)流逐步減小， 當N = C'/4C 時續(xù)流截止， 電路失去線性充電狀態(tài)。此轉折點的時刻為：

圖4 和圖5 中的波形是由PSP ICE8. 0 仿真得到的， 元件取值如下： V s= 500V , C r= 1. 6uF, L r=30uH, T s= 100us, （對應開關頻率10kHz） , 變壓器升壓比1∶40, C load= 0. 4uF, 充電功率可達16kJ/s.

輸出電壓的控制電路相當簡單， 當脈沖電容或PFN 充電至所設定值時， 通過取樣檢測， 關斷開關管的驅動輸出即可， 電壓穩(wěn)定度取決于半個開關周期（或一個充電臺階） 的電量， 可形象地描述電路工作于"bang-bang"模式， 即T c 時間內充電， T w 時間內開關電路停止工作。

圖6 是某調制器充電電源波形圖， 該電源充電功率可達2kJ/s , 工作頻率12. 5kHz, 電壓30kV.測量用的示波器型號為泰克TDS3032.V s= 500V , C r= 0. 4uF,L r= 158uH, T s= 80us, 變壓器副邊為雙繞組，每繞組升壓比1∶40, Cload= 0. 66uF.實際電路中L r 完全利用了變壓器的漏感， 且漏感選擇較大以減小分布電容。圖6 （c） 是該電源諧振開關電流的仿真波形， 和實測波形比， 吻合得很好。

圖6　某充電電源實測及仿真波形圖。(a) 充電電壓測量波形; (b) 諧振電流測量波形; (c) 諧振電流仿真波形

3 高重復頻率及小電容負載情況下的高穩(wěn)定度充電技術問題

3. 1 問題的提出

在很多場合下， 串聯(lián)諧振開關電路配合上述簡單的控制電路即能達到較高的充電穩(wěn)定度， 如國家同步輻射實驗室800M eV 儲存環(huán)新研制的注入沖擊磁鐵調制器， 因重復頻率較低（0. 5Hz）、負載儲能電容較大（0. 66uF） , 通過對具體參數(shù)進行的設計即可達到0. 1% 的穩(wěn)定度。但某些應用場合重復頻率較高、電容小且要求充電功率大時， 這種方式將不能滿足高穩(wěn)定度的充電要求， 原因是充電時間短、一個充電臺階的電量太大。例如某速調管調制器的重復頻率100Hz, PFN 總電容0. 22uF, 充電功率9kJ/s, 充電時間最多只有10ms, 若采用15kHz 諧振開關， 則只有300 個充電臺階， 若穩(wěn)定度和一個臺階的充電電壓相當， 則難以達到0. 1% 的充電穩(wěn)定性， 某些激光脈沖調制器也要求充電穩(wěn)定性好于0. 1%.

針對以上問題， 可以在常規(guī)串聯(lián)諧振開關電路的基礎上進行技術改進， 使其適應大范圍的重復頻率及儲能電容容量變化， 在保持原電路恒流源充電優(yōu)點的同時實現(xiàn)高穩(wěn)定度充電。

3. 2 國內外現(xiàn)狀

美國的M axw ell 公司及EM I 公司均研制了開關模式的適合脈沖電容充電的系列高壓電源， 都是串聯(lián)諧振開關的改進型， 并擁有各自的技術專利， 如EM I 的商業(yè)產(chǎn)品平均充電功率達到了30kJ/s （DC狀態(tài)50kW ） , 電壓為50kV , 整體尺寸為480×310×560, 重量84kg, 功率密度為0. 6W/ cm ³, 效率85% ,功率因數(shù)0. 9.阿貢國家實驗室、DESY 實驗室的直線加速器調制器使用了EM I 和M axw ell 的產(chǎn)品。

而國內的大多數(shù)較大功率的脈沖調制器多采用傳統(tǒng)的低頻LC 諧振充電模式， 采用大功率充電電源開關模式的不多， 或是用的充電效率低的電壓源。文獻[7 ]報導了采用晶閘管的中頻大功率恒流高壓電源，是一個較好的嘗試。

3. 3 幾種改進的技術路線

當負載電容容量小且重復頻率高時， 一種設計思想是改進控制電路， 使其達到的效果相當于： 在每一個充電周期開始階段， 使用諧振電流大的主電源快速充電至預設電壓， 隨后轉為小電流電源充電， 在T w 階段向負載提供很小的電量以減小波動； 另一種技術路線采用雙橋路的移相控制電路， 如圖7 所示，這種電路非常適合大功率充電的應用場合。EM I 公司的30kJ/s , 50kV 電源采用了此項技術。

圖7　雙橋路的移相控制充電電路原理圖

4 小 結

串聯(lián)諧振開關電路工作于恒流源狀態(tài)， 綜合考慮充電效率、電路實現(xiàn)難易程度、體積等， 該電路是最適合電容器充電的。在基本電路的基礎上進行技術革新， 提高充電穩(wěn)定度， 能使其適應大范圍的重復頻率及儲能電容的容量變化， 應用前景將更加廣泛， 是傳統(tǒng)充電電源的升級換代品。