串聯(lián)諧振方案
串聯(lián)諧振電路設(shè)計(jì)
發(fā)布日期：2020-05-08 點(diǎn)擊：1952次
在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)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(shí)現(xiàn)，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(xiàn)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(fù)載等優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的電容充電電源。
構(gòu)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。本文通過數(shù)值計(jì)算和模擬兩種方法確定了這些單元參數(shù)的設(shè)計(jì)， 并基于Pspice 電路仿真軟件對設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
全橋串聯(lián)諧振充電電源由直流電源V，逆變開關(guān)S1-S4，諧振電容Cs和電感Ls變壓器TX，高壓整流橋D-D4，負(fù)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
充電過程中，兩組逆變開關(guān)S1，S4和S2，S3交替導(dǎo)通，完成一個開關(guān)周期。一個開關(guān)周期又可分為2個諧振周期，并根據(jù)逆變開關(guān)和高壓整流二極管的導(dǎo)通情況分為4種工作模式，如圖2所示。設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)是對110nF容值的負(fù)載電容充電至30kV，充電重復(fù)頻率1kHzo 逆變開關(guān)采用單只1GBT或其組件，從現(xiàn)有商業(yè)IGBT 器件的經(jīng)濟(jì)性山發(fā)，逆變諧振E 頻設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
調(diào)諧電容和諧振電感的計(jì)算分別如下:
式中，C8調(diào)諧電容;n：脈沖變壓器變比;Cl：負(fù)載咆容;△Ul：每次放電負(fù)載電容電壓降低值;Uo:初級儲能電容充電電壓;fr:充電重復(fù)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(shè)計(jì)時令初級充電電壓U0=1.2kv，每次放電△Ul=30kV。則計(jì)算出C8=625nF;Ls=37μH;
1.2 功率器件設(shè)計(jì)
計(jì)算出通過IGBT紐件的最大諧振電流和半均電流為:
使用參數(shù)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(jié)果如閣4所示。
圖4 不同勵磁電感的輸出波形
從圖可見， 當(dāng)勵磁電感值為1mH,10mH 時，輸出電壓波形結(jié)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(jìn)一步模擬表明本設(shè)計(jì)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(yīng)低丁1.2kV，峰值電流不低T300A。
每一個升關(guān)周期，負(fù)載電容升壓為:
計(jì)算出每個開關(guān)周期的△Ue=1.8kv，即總共需要17個開關(guān)周期才能將負(fù)載電容充至30kV。
每個諧振周期為:
T=2π√LsICs=30.2μs
則17 個開關(guān)周期的時間約為: 17x2T=1.03 rns ，則充電周期接近1kHz，滿足設(shè)計(jì)要求。
1.3 脈沖變壓器設(shè)計(jì)
脈沖變壓器設(shè)計(jì)中，需要考慮的參數(shù)主要是：伏秒數(shù)，勵磁電感，漏感，耐壓，功率。在本設(shè)計(jì)中，由于變壓器初級輸入電壓為1.2kV，次級期望輸出電壓達(dá)到36kV，因此，變比設(shè)計(jì)為30。
在充電過和中，負(fù)載電容實(shí)質(zhì)是一個變阻抗負(fù)載，隨著充電電壓增加，其阻抗不斷降低， 國此，變壓器達(dá)到最大伏秒數(shù)成該在充電的后期。因此，伏秒數(shù)為:
VoT=1.2kx30.2μs=36.24mV.s
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮一定裕量，伏秒數(shù)取45mv.s。
向于負(fù)載阻抗不斷變化，很難獲得勵磁電感和漏感計(jì)算的解析表達(dá)式，可采用數(shù)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(fù)載電容，其值為負(fù)載電容的n2，n=30。
網(wǎng)3 諧振充電等效電路
1.4 散熱設(shè)計(jì)
脈沖變壓器的峰俏功率為:
Pmax=2UoUout/(nπZ)
據(jù)此，計(jì)算獲得Pmax=116kW。平均功率在為:
Pavg=Uo(2Uout-△Ul)/(nπZ)
據(jù)此，計(jì)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(shè)計(jì)額外的散熱裝置。
二、電路仿真
根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得全電路以及仿真結(jié)果，分別如圖5，6。
根據(jù)模擬結(jié)果，電流諧振周期約30.2μs，每個開關(guān)周期負(fù)載電壓增量接近1.8 kV，則經(jīng)歷34個諧振周期，即1.03ms后可完成對負(fù)載電容的充電與設(shè)計(jì)預(yù)期一致。在對110nF負(fù)載電容充電時，輸出電壓為等臺階，每個驅(qū)動電流半周期產(chǎn)生一個幅值1.8kV臺階。
圖5 設(shè)計(jì)的全橋串聯(lián)諧振充電電源
圖6 全電路仿真結(jié)果
三、結(jié)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(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(fù)載傳輸，勵磁電感和伏秒數(shù)是該脈沖變壓器的最關(guān)鍵參數(shù)，脈沖峰值功率和平均功率參數(shù)決定散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。結(jié)合數(shù)值計(jì)算和模擬的方法陰開展了全橋諧振充電電源的理論設(shè)計(jì):定了諧振回路的參數(shù)和脈沖變壓器電感值， 全電路仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，為該電源下一步實(shí)驗(yàn)工作奠定了基礎(chǔ)。
