基于多相交错技术的电容器充电电源设计

在脉冲功率系统中,大容量高压电容器负责储能,具有重要作用。电容器充电电源需要具备输出宽范围、抗负载短路和过压过流保护等基本功能。在快速充电场景中,充电功率的提高进一步增加了器件应力方面的要求。本文针对大容量高压电容器快速充电的需求,设计了一种两级式级联电源。采用多相交错并联技术降低器件应力,引入STM32G4来进行数字控制和保护。通过理论验证、样机设计和软件仿真,证明设计方案满足电容器充电的基本需求同时有效降低器件应力,方便器件选型。

串联谐振式高压电容器充电电源的效率特性研究

高压脉冲电容器充电电源是强激光能源系统的重要组成部分,而串联谐振式高压电容器充电电源是其中的一种典型拓扑结构。充电效率是反映电容器充电电源工作特性的一个重要指标。提高充电电源的效率既是高效用电的要求,也是保证充电速度、设备安全和电磁兼容性的需要。变流环节损耗、谐振环节损耗、升压环节损耗、谐波畸变功率损耗和"T"形回路损耗等是其主要的损耗来源。因此,采用软开关技术、提高功率因数、减小谐波畸变、合理设计变压器和"T"形回路等是提高效率的主要措施。分析和试验表明,采用有关措施后,效率显著提高,整机效率达87%,同时,也促进了其他运行特性的改善。

寄生电容对串联谐振电容器充电电源特性的影响

软开关串联谐振电容器拓扑因其在较宽的电压范围内具有平均充电电流恒定和抗短路能力强的特点而用于对高压电容器充电。但开关频率固定的串联谐振充电电源的恒流特性因直流母线电压的波动和高压变压器以及整流单元的分布电容的影响,其充电电流并不是恒流。该文分析了理想和实际的串联谐振充电电源的充电电流特性。提出了采用图表法对串联谐振电源进行参数设计和调试,克服了以往高压脉冲电源设计和调试时的盲目性,具有重要的工程实用价值。

移相串联谐振高压电容器充电电源谐振参数设计方法及其电流控制策略

针对基于移相串联谐振全桥变换器(PS-SRC)的高压电容器充电电源,提出了谐振参数设计方法和充电电流模糊控制的策略。为了克服串联谐振高压电容器充电电源工作在欠谐振电流断续模式的缺点,通过移相控制使其工作在过谐振电流连续模式下。分析了PS-SRC三种工作模式的特点,推导了其边界条件,基于数值求解方法,对适用于高压电容器充电的工作模式进行了深入的分析,并根据高压电容器充电电源的应用要求,提出了谐振参数设计方法。针对PS-SRC精确数学模型难以推导的情况,提出了采用模糊控制的充电电流控制方案,给出了主要设计方法。最后,通过实验验证了谐振参数设计方法的正确性以及模糊控制实现恒流充电的可行性。

电容器恒流充电电源的通用谐振电路模型

根据几种电容器充电用谐振电源的分析 ,得到统一的电路模型并以此说明电容充电电源实现恒流的机理 ,给出了实现谐振的条件。

高功率密度电容器充电电源

针对高压脉冲电容器充电电源高功率小型化的发展需求,采用谐振软开关技术和热设计技术研制了开关频率为50kHz的充电电源,要求在电源10kV的额定输出电压下充电速率达到20kJ/s(额定输出电压下峰值功率40kW),功率密度达到2MW/m3。分析了分布参数的存在对高频逆变器工作特性的影响,介绍了针对不同分布参数影响的应对措施。初步试验研究了间歇工况下高功率小型化电源热设计技术,基于电源间歇工作特点,结合不同电源组件发热特性,设计了不同的散热措施,给出了各器件的温升数据。完成了充电电源性能测试实验,实验结果表明:电源功率密度达到2.15MW/m3。

20kV零电流开关的电容器充电电源

研制了高压脉冲电容器恒流充电电源。采用IGBT构成电源的软开关电路和闭环变频的充电控制方式。对输出负载大范围变化引起的谐振频率漂移,采用与之相对应的微调开关时间,保证了变换器开关的零切换,显著降低了导通、关断时IGBT的损耗。充电实验表明,该电源恒流效果好、重复充电精度高、效率高,在短路状态下也能安全可靠地工作。

使用零电流开关的电容器充电电源

介绍一种为电容器充电而特别设计的电源(CCPS)。这种电源使用了串联谐振拓朴结构,运用了较为成熟的零电流开关技术以及导通时间和开关频率都固定的简单控制方式。实验样机是给一个1.0μF的人工线电容充电,从0V充到5600V,约需2.8ms,充电能量达5600J/s。当重复频率为300Hz时,平均输出功率为4700W。

LCL-T半桥谐振式恒流电容器充电电源

为了实现电容器恒流充电,研究了基于LCL-T谐振变换器的恒流充电技术。首先,运用交流分析法详细阐述了LCL-T谐振变换器在一定条件下实现恒流特性的原理,分析了不同品质因数下开关频率的变化对谐振变换器电流增益和逆变器输出端电压电流相位差的影响;其次,对二极管钳位型LCL-T半桥谐振式电容器充电电源的充电过程和性能进行了分析,并在此基础上设计了一台样机。最后,通过在12 s内将2 370μF电容器充电至600 V的仿真与实验证明了LCL-T半桥谐振式电容器充电电源具有恒流特性,且控制简单,适用于电容器的快速、精确充电。

高压电容器充电电源谐振变换器的定频控制

为有效控制高压电容器高频恒流充电电源谐振变换电路的开关频率,研制了定频控制(占空比为50%,开关频率在整个充电过程中保持不变)的20 kW高压电容器充电装置逆变电路开关电路。通过提出的充电电源电路的并联负载谐振(PLR)DC-DC变换电路的等效电路模型,研究了充电电源装置的恒流充电原理,找出了电容充电初始阶段谐振电流和开关频率的数值关系。实验研究结果表明,当谐振变换电路开关频率接近于等效电路固有谐振频率的奇数分之一时,产生较大的谐振电流;为了实现谐振变换电路开关器件的零电流开通和关断,开关频率的大小始终可控制在小于等效电路固有谐振频率的1/2的范围之内。

并联谐振变换器式电容器充电电源

针对采用串联谐振变换器电容器充电电源的不足,通过分析、改进并联谐振变换器拓扑,研制了基于并联谐振全桥变换器研制的10kJ/s,100kV电容器充电电源,变换器开关采用脉冲宽度调制技术,开关频率达40kHz,电源的反馈控制电路基于数字信号处理全数字控制器。并给出了充电电源及主要部件高频高压变压器的设计注意事项、经验及实验结果。

高压电容器充电电源的研制

为了满足电磁轨道发射系统中高压脉冲电容器组的快速充电需求,研制了一台采用串联谐振电路的高频-高压电容器充电电源。该电源的输出电压15kV,谐振频率32kHz,平均充电功率为15kJ/s。介绍了其工作原理,并进行了设计实现和仿真分析。实测数据,波形与设计指标一致。实验证明该电源在小型化,可靠性等方面,满足设计指标和实验要求。

基于状态平面模型的多模态恒功率谐振电容器充电电源研究

谐振型电容器充电电源因其高效、高功率密度被广泛应用于脉冲功率领域,其控制方法多为断续模式的恒流控制,控制简单但存在充电速度慢、开关器件应力大的缺点。恒功率控制可以加快充电速度,但电流断续模式(discontinuous conduction mode,DCM)谐振电流峰值大、平均值小,器件应力大;电流连续模式(continuous conduction mode,CCM)充电后期开关频率高,硬关断损耗与干扰严重。为了实现电容器恒功率充电的同时弥补单一CCM或DCM模式充电的不足,该文提出一种新型多模态恒功率控制策略,综合利用CCM电流平均值大、峰值小与DCM开关损耗小的优势。状态平面法便于准确直观分析谐振电路变模式恒功率充电过程,因此文中通过CCM与DCM运行时的状态轨迹推导出恒功率控制模型,设计并实现各充电模态的平滑切换。最后通过实验验证,该多模态恒功率控制策略能够在显著加快充电速度的同时不增加开关器件应力。

串联谐振电容器充电电源特性研究

负载与谐振回路L-C以串联形式输出称为串联谐振变换器,将串联谐振变换器应用到电容器充电技术中,产生了串联谐振电容器充电电源(CCPS)。和普通电容器充电电源相比,串联谐振电容器充电电源具有抗负载短路能力强、体积小、控制简单、可开环控制等优点,在国防科研中得到广泛应用。为了研究串联谐振CCPS电路的工作特性,文章给出了其电路原理图及等效电路,建立了该电路的数学模型。通过数学仿真的方法,给出了谐振电路的特性。实验结果验证了所采用控制方案的正确性和充电系统的有效性。

基于LCCL谐振变换器拓扑的新型经颅磁刺激电容器充电电源设计

为提高经颅磁刺激(TMS)的电流脉冲频率,该文提出一种基于电感-电容-电容-电感谐振变换器(LCCLRC)的电容器充电电源(CCPS)。首先,利用基波分析法推导出LCCLRC恒流输出以及逆变器输出电压与电流零相位条件的近似表达式;其次,对较小物理尺寸和较大电流增益的变换器的设计条件进行分析,根据仿真实验可得,以LCCL RC为充电电源的TMS系统脉冲频率是LCLCRC的1.21倍;最后,设计平均输出电流为1.15A、功率为118.37W的样机原型。结果表明,样机原型的实际电流增益为0.904,将3300μF储能电容从0V充电至100V的时间为315ms。相对于LCLCRC电容器充电电源,其充电时间减少了21.25%。实验结果验证了该理论分析的有效性。

高频电容器充电电源绝缘栅双极晶体管吸收电路

高频化是提升电源功率密度的有效方法。为了保护高频电容器充电电源中的开关器件,以串联谐振式电容器充电电源为基础,研究了绝缘栅双极晶体管(IGBT)尖峰电压的产生机理及影响因素。介绍了几种抑制尖峰电压的方法,着重分析了IGBT吸收电路的基本原理,并进行了参数设计。结合仿真软件,对吸收电路的参数进行了优化,将仿真结果和40 kW,50 kHz电容器充电电源样机的实验结果进行对比,验证了提出方案的可行性。

重频条件下电容器充电电源谐振电路的稳定

重频条件下电容器充电电源谐振电路由于谐振电容剩余电压的存在从而产生异常振荡,进而引发开关过流导致电源故障。针对这一问题,在分析谐振电路工作原理基础上,提出了在每个充电周期结束后,通过控制电源自身的部分开关导通,从而释放谐振电容剩余电压的解决方法,不仅可以让谐振电路趋于稳定,还避免了添加泄放电路的缺点,其控制方法也简单通用。对800 V/6 A的充电电源进行了电路仿真和实验验证,仿真和实验结果均表明,本文提出的方法可以在充电周期结束后将谐振电容上的剩余电压迅速归零,谐振电流也趋于稳定,有效抑制了谐振电路的异常振荡,从而验证了方法的有效性和实用性。

电容器充电电源的电磁兼容设计

高功率微波系统工作时会在其周围环境中产生很强的电磁干扰(EMI),充电电源作为高功率微波系统所必须的设备,需要对其进行针对性的电磁兼容设计,以确保自身能够在强干扰的电磁环境中正常工作。针对此问题,首先对实验室以往的充电电源出现的干扰问题进行了分析,然后在此基础上采用滤波、屏蔽、接地、强弱电分离、光纤隔离以及数字滤波等软硬件结合的多种干扰抑制与防护措施,成功研制了可在强电磁辐射环境下稳定运行的700 V/6 A电容器充电电源。该电源可在70 kV/m场强的超宽谱电磁环境下正常工作,满足使用要求,有力保障了整个高功率微波系统的正常工作。

一种基于MMC拓扑的高压电容器充电电源设计

电磁轨道炮的连发技术需要给其供电的脉冲功率源连续快速充放电。而这一过程的实现,需要对脉冲功率源中的高压电容器进行快速、可重复的充电操作,因此,充电电源的设计成为脉冲功率源系统设计过程中的重要一环,也是电磁轨道炮设计的一个组成部分。基于级联式模块化多电平变换器这一电路拓扑,设计了一种模块化的高电压电容器的充电电源,将其充电过程划分成了恒流充电和恒功率充电两个阶段;并在此基础上进行了用于电压保持的浮充部分电路设计和基于能量平衡的MMC半桥子模块间动态均压部分的控制设计。基于设计结果,通过仿真计算得到了充电过程的电压和电流波形,并验证了模块化电路结构的动态均压特性。

J-TEXT加热场电容器组恒流充电电源设计

分析了实际串联谐振电容充电电源的充电特性,提出通过设置两个电流档位,闭环调节PWM开关频率,实现了对多组电容器组恒流充电。设计了最大输出电流为6.5A,最大输出电压为2000V的电容充电电源。测试结果表明,该电源可以在1分钟内将四组电容器组同时充至2000V以内不同的任意电压,充电精度小于1%,能够满足J-TEXT加热场电源运行需求。