串联谐振电路设计

发布日期：2020-05-08　点击：1592次

在脉冲功率技术领域，对初级储能电容常见的充电方式有恒压充电和恒流充电两种方式。前者基于大体积的工频变压器实现，常采用充电电阻限制充电功率，充电电阻消耗的能量为50 %。后者多采用全桥串联谐振充电电路， 以"等台阶" 升压方式实现对电容的恒流充电，具有体积小、效率高、功率密度大、适合宽范围变化的负载等优点，是较为理想的电容充电电源。

构成全桥串联谐振充电电源的主要单元有:谐振电感和电容、功率器件、脉冲变压器。本文通过数值计算和模拟两种方法确定了这些单元参数的设计， 并基于Pspice 电路仿真软件对设计的全桥串联谐振充电电源进行了全电路模拟。

一、电路设计

全桥串联谐振充电电源由直流电源V，逆变开关S1-S4，谐振电容Cs和电感Ls变压器TX，高压整流桥D-D4，负载电容CL等组成，如图1 所示。

图1 串联谐振充电电路原理

充电过程中，两组逆变开关S1，S4和S2，S3交替导通，完成一个开关周期。一个开关周期又可分为2个谐振周期，并根据逆变开关和高压整流二极管的导通情况分为4种工作模式，如图2所示。设计要达到的目标是对110nF容值的负载电容充电至30kV，充电重复频率1kHzo 逆变开关采用单只1GBT或其组件，从现有商业IGBT 器件的经济性山发，逆变谐振E 频设计为33 kHz 。初级储能电容Co 充电电斥为1 kV。

图2 串联谐振充电的初级电流波形

1.1 谐振电路设计

调谐电容和谐振电感的计算分别如下:

式中，C8调谐电容;n：脉冲变压器变比;Cl：负载咆容;△Ul：每次放电负载电容电压降低值;Uo:初级储能电容充电电压;fr:充电重复频率;f:谐振频率;Ls:谐振电感。

考虑到充电回赂的电压效率损失，在设计时令初级充电电压U0=1.2kv，每次放电△Ul=30kV。则计算出C8=625nF;Ls=37μH;

1.2 功率器件设计

计算出通过IGBT纽件的最大谐振电流和半均电流为:

使用参数扫描的方法，先假定忽略次级漏感， 令励磁电感的值分别为:10μH，100μH，1mH ,lOmH，模拟结果如阁4所示。

图4 不同励磁电感的输出波形

从图可见， 当励磁电感值为1mH,10mH 时，输出电压波形结果一致， 而励磁电感为10μH时，输山电压明显较低，说明励磁电感10μH 时使用器次级输出的脉宽和平顶度均不能满足要求。进一步模拟表明本设计所用交ffi器的励磁电感值不低于200μH 就可满足要求。对于磁芯变压器，该条件Z. 谐振回路阻抗。则:Z=7.69Ω;Lmax=312A;Lavg=99.4A 。即选用的TGRT 其耐照不应低丁1.2kV，峰值电流不低T300A。

每一个升关周期，负载电容升压为:

计算出每个开关周期的△Ue=1.8kv，即总共需要17个开关周期才能将负载电容充至30kV。

每个谐振周期为:

T=2π√LsICs=30.2μs

则17 个开关周期的时间约为: 17x2T=1.03 rns ，则充电周期接近1kHz，满足设计要求。

1.3 脉冲变压器设计

脉冲变压器设计中，需要考虑的参数主要是：伏秒数，励磁电感，漏感，耐压，功率。在本设计中，由于变压器初级输入电压为1.2kV，次级期望输出电压达到36kV，因此，变比设计为30。

在充电过和中，负载电容实质是一个变阻抗负载，随着充电电压增加，其阻抗不断降低， 国此，变压器达到最大伏秒数成该在充电的后期。因此，伏秒数为:

VoT=1.2kx30.2μs=36.24mV.s

在实际设计中，考虑一定裕量，伏秒数取45mv.s。

向于负载阻抗不断变化，很难获得励磁电感和漏感计算的解析表达式，可采用数值模拟方法。忽略初次级绕组电阻.脉冲变压器以励磁电感和漏感等效，则全桥串联谐振充电电源的等效电路如图3 所示， 其中L4为励磁电感;L3为折算后的次级漏感，其值为次级漏感的1/n2;C4为折算后的负载电容，其值为负载电容的n2，n=30。

网3 谐振充电等效电路

1.4 散热设计

脉冲变压器的峰俏功率为:

Pmax=2UoUout/(nπZ)

据此，计算获得Pmax=116kW。平均功率在为:

Pavg=Uo(2Uout-△Ul)/(nπZ)

据此，计算Pavg=66 kW，但考虑到脉冲变器工作时间短，仅几个ms，因此，变压器可不设计额外的散热装置。

二、电路仿真

根据以上设计参数，获得全电路以及仿真结果，分别如图5，6。

根据模拟结果，电流谐振周期约30.2μs，每个开关周期负载电压增量接近1.8 kV，则经历34个谐振周期，即1.03ms后可完成对负载电容的充电与设计预期一致。在对110nF负载电容充电时，输出电压为等台阶，每个驱动电流半周期产生一个幅值1.8kV台阶。

图5 设计的全桥串联谐振充电电源

图6 全电路仿真结果

三、结论

全桥谐振充电电源的谐振电感和电容决定谐振频率，功率开关的耐压和电流决定该器件的型号，脉冲变压器决定谐振功率脉冲高效率且低崎变地向负载传输，励磁电感和伏秒数是该脉冲变压器的最关键参数，脉冲峰值功率和平均功率参数决定散热系统设计。结合数值计算和模拟的方法阴开展了全桥谐振充电电源的理论设计:定了谐振回路的参数和脉冲变压器电感值， 全电路仿真验证了设计的合理性，为该电源下一步实验工作奠定了基础。