新型软开关高压脉冲电容恒流充电技术分析
图6 是某调制器充电电源波形图， 该电源充电功率可达2kJ/s , 工作频率12. 5kHz, 电压30kV.测量用的示波器型号为泰克TDS3032.V s= 500V , C r= 0. 4uF,L r= 158uH, T s= 80us, 变压器副边为双绕组，每绕组升压比1∶40, Cload= 0. 66uF.实际电路中L r 完全利用了变压器的漏感， 且漏感选择较大以减小分布电容。图6 (c) 是该电源谐振开关电流的仿真波形， 和实测波形比， 吻合得很好。
图6 某充电电源实测及仿真波形图。(a) 充电电压测量波形; (b) 谐振电流测量波形; (c) 谐振电流仿真波形
3. 1 问题的提出
在很多场合下， 串联谐振开关电路配合上述简单的控制电路即能达到较高的充电稳定度， 如国家同步辐射实验室800M eV 储存环新研制的注入冲击磁铁调制器， 因重复频率较低(0. 5Hz)、负载储能电容较大(0. 66uF) , 通过对具体参数进行的设计即可达到0. 1% 的稳定度。但某些应用场合重复频率较高、电容小且要求充电功率大时， 这种方式将不能满足高稳定度的充电要求， 原因是充电时间短、一个充电台阶的电量太大。例如某速调管调制器的重复频率100Hz, PFN 总电容0. 22uF, 充电功率9kJ/s, 充电时间最多只有10ms, 若采用15kHz 谐振开关， 则只有300 个充电台阶， 若稳定度和一个台阶的充电电压相当， 则难以达到0. 1% 的充电稳定性， 某些激光脉冲调制器也要求充电稳定性好于0. 1%.
针对以上问题， 可以在常规串联谐振开关电路的基础上进行技术改进， 使其适应大范围的重复频率及储能电容容量变化， 在保持原电路恒流源充电优点的同时实现高稳定度充电。
3. 2 国内外现状
美国的M axw ell 公司及EM I 公司均研制了开关模式的适合脉冲电容充电的系列高压电源， 都是串联谐振开关的改进型， 并拥有各自的技术专利， 如EM I 的商业产品平均充电功率达到了30kJ/s (DC状态50kW ) , 电压为50kV , 整体尺寸为480×310×560, 重量84kg, 功率密度为0. 6W/ cm 3, 效率85% ,功率因数0. 9.阿贡国家实验室、DESY 实验室的直线加速器调制器使用了EM I 和M axw ell 的产品。
而国内的大多数较大功率的脉冲调制器多采用传统的低频LC 谐振充电模式， 采用大功率充电电源开关模式的不多， 或是用的充电效率低的电压源。文献[7 ]报导了采用晶闸管的中频大功率恒流高压电源，是一个较好的尝试。
3. 3 几种改进的技术路线
当负载电容容量小且重复频率高时， 一种设计思想是改进控制电路， 使其达到的效果相当于： 在每一个充电周期开始阶段， 使用谐振电流大的主电源快速充电至预设电压， 随后转为小电流电源充电， 在T w 阶段向负载提供很小的电量以减小波动; 另一种技术路线采用双桥路的移相控制电路， 如图7 所示，这种电路非常适合大功率充电的应用场合。EM I 公司的30kJ/s , 50kV 电源采用了此项技术。
图7 双桥路的移相控制充电电路原理图
4 小 结
串联谐振开关电路工作于恒流源状态， 综合考虑充电效率、电路实现难易程度、体积等， 该电路是最适合电容器充电的。在基本电路的基础上进行技术革新， 提高充电稳定度， 能使其适应大范围的重复频率及储能电容的容量变化， 应用前景将更加广泛， 是传统充电电源的升级换代品。
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