新型软开关高压脉冲电容恒流充电技术分析

摘 要： 介绍了新型软开关脉冲电容充电技术， 其基本电路采用串联谐振拓扑， 具备零电流开关、恒流充电、内在短路保护等优点。导出了该基本电路重要参数的计算公式。仿真了一个16kJ/s 充电电源的波形。在重复频率较高、负载电容容量偏小时的不利情况下， 在基本恒流电路的基础上， 探讨了几种改善充电电压稳定性的途径， 同时保留了恒流源的优点。

在粒子加速器、激光脉冲、雷达发射等技术领域中， 广泛使用功率脉冲调制器， 脉冲调制器通常由直流高压充电电源、高压储能电容或脉冲成形网络(PFN ) 及负载组成， 高压储能电容或PFN 先被充电至所需电压， 然后在时序信号作用下通过放电开关向匹配负载放电而产生一定宽度的功率脉冲， 对不同的应用场合， 脉冲重复频率可能由单次放电到几千赫兹不等。在某些应用场合， 往往要求充电电压稳定性好于1% 甚至0. 1% 。最传统的充电方式是使用工频高压电源和De2Q 电路的LC 谐振充电方式， 储能电容可获得两倍于高压电源的电压值，虽然技术路线较简单， 但由于工作于低频状态， 体积、重量大，且纹波、稳定性不能令人满意， 电网电压波动时尤其如此。

比较先进的技术路线是采用电力电子学中的开关变换技术。由于新型功率开关器件及新电路拓扑的不断进步， 开关变换技术得到了迅速的发展， 较之于硬开关电路， 谐振开关电路因工作于软开关状态， 技术更先进， 具备开关损耗小、谐波分量小、频率高(如几十kHz)、储能元件体积小等优点。

1 高压脉冲电容充电电源的技术指标

图1 是脉冲电容或PFN 的充放电波形， 其中T c 是充电时间， T w 是放电等待时间， T p 是充电重复周期。则平均充电速率为CV2/2T p , 峰值充电速率为CV2/2T c.充电速率、负载电容容量范围、电压稳定度、纹波、功率因数、效率等都是衡量电源性能的重要指标。

图1　充放电电压波形

2 基本恒流充电电路分析与计算

在谐振开关技术中最适合脉冲电容充电的电路是串联谐振开关电路， 输出近似为恒流源或称等台阶充电,突出的优点是充电效率高且具有固有短路保护能力。图2 所示是串联谐振开关全桥变换电路， 对角线上的两个开关管和另外一条对角线上的开关管交替导通，交替导通一次为一个开关周期T s, 在半个开关周期内， 谐振电流通过开关管及续流二极管完成一次谐振， 负载电容电压升高一个台阶△V .图3 给出了开关管栅极驱动脉冲及谐振电流波形关系图。

图2　串联谐振开关全桥变换充电电路

图3　开关管栅极驱动脉冲及谐振电流波形