王冠霖

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

串聯(lián)諧振充電電源設(shè)計(jì)

王冠霖

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

本文研究了串聯(lián)諧振在進(jìn)行充電的情況下所獲得的電壓以及電流的計(jì)算公式，而且還得出了當(dāng)負(fù)載電容并不是完全放電的時(shí)候，有關(guān)的電源方面的參數(shù)的計(jì)算問題，同時(shí)當(dāng)負(fù)載電容的放電狀態(tài)是完全的時(shí)候，其中電源輸出功率的頻率的平均值和輸出功率的最大值是1/2的關(guān)系,如果保持負(fù)載電容電壓不變的條件下,電源輸出功率的平均值是等于輸出功率的最大值。

串聯(lián)諧振 負(fù)載電容 平均功率

所謂的脈沖功率的含義是將一種功率很低的能力進(jìn)行保存起來，而且這個(gè)保存時(shí)間可能在一定程度上是比較長(zhǎng)的，接著再將這種能量向高功率的脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在脈沖功率中，存儲(chǔ)的能量系統(tǒng)作為最重要的成分，其中的能量存儲(chǔ)的方法有很多，主要常見的有電感儲(chǔ)能，電容儲(chǔ)能以及機(jī)械儲(chǔ)能等。隨著電容儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)今已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)了微秒甚至納秒的脈沖功率裝置設(shè)備中。通過電容儲(chǔ)能的方式實(shí)現(xiàn)高功率的脈沖，這已經(jīng)是該領(lǐng)域發(fā)展的一種勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。

20世紀(jì)80年代以來，隨著人造衛(wèi)星上面所裝載的探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理設(shè)備和信號(hào)傳輸設(shè)備越來越集成化，出現(xiàn)了質(zhì)量在幾十千克到幾百千克之間的小衛(wèi)星。在串聯(lián)諧振充電電源的理論研究方面，美國Auburn University 的 R. M. Nelms等人于20世紀(jì) 90年代初對(duì)串聯(lián)諧振電路的特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，并建立了比較簡(jiǎn)單的數(shù)值方程。在國內(nèi)，中國科技大學(xué)的尚雷在 2000年發(fā)表的論文中通過仿真和理論計(jì)算指出了串聯(lián)諧振充電存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。西安交通大學(xué)的蘇建倉在2004年發(fā)表的論文中推導(dǎo)出了串聯(lián)諧振電源不同工作模式下的電壓、電流計(jì)算公式，并用遞推公式說明了其恒流特性。

1 串聯(lián)諧振電源的研究現(xiàn)狀分析

充電電源最早可以追溯到恒壓直流的方式，但是傳統(tǒng)意義上的恒壓直流充電已經(jīng)無法滿足現(xiàn)今很多領(lǐng)域的需求，而且電流在調(diào)節(jié)能力方面存在著一定的劣勢(shì)，另一方面攜帶起來也不是很容易?，F(xiàn)今隨著串聯(lián)諧振技術(shù)的不斷發(fā)展，很多的學(xué)者將關(guān)注度轉(zhuǎn)到了串聯(lián)諧振等效電路方面以及串聯(lián)諧振變換器中設(shè)計(jì)電感器等2個(gè)方面。

1.1 串聯(lián)諧振等效電路設(shè)計(jì)

當(dāng)諧振的周期取不同的值時(shí)，對(duì)應(yīng)的串聯(lián)諧振等效電路也是不同的，所以在進(jìn)行分析的過程中需要將開關(guān)的周期對(duì)應(yīng)的看成6種不同的模式，然后根據(jù)電壓以及電流的相關(guān)計(jì)算公式，從而獲得諧振的相關(guān)參數(shù)的值，然而這種方法所帶來的影響是變壓器的漏感減少了，所以有關(guān)的電容的分布就必須要考慮進(jìn)去了。

1.2 串聯(lián)諧振電感器設(shè)計(jì)

串聯(lián)諧振的變換器中的對(duì)應(yīng)的電感器作為一種頻率很高的器件，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中材料的選擇通常是鐵氧體磁芯，而且最常用的是EE型的，然而采用這種方式在滿足了電源的需求后，磁通密度無法得到控制，從而隨著磁通密度達(dá)到了一定的值后會(huì)引起磁芯的飽和，因此對(duì)電源造成了很大的負(fù)荷。

2 串聯(lián)諧振電源電路設(shè)計(jì)

串聯(lián)諧振在不同的諧振周期，等效電路是不一樣的，分析時(shí)把一個(gè)開關(guān)周期分為六種模態(tài)，按照電壓電流計(jì)算公式，得出諧振參數(shù)的值，但是這是在理想條件下得出的計(jì)算公式，僅僅減小了變壓器漏感對(duì)電路的影響，因有高頻變壓器和整流桂堆的介入，分布電容的影響就不得不考慮，實(shí)際上已變?yōu)榇⒙?lián)諧振電路，所以在設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)應(yīng)盡量減小其分布電容。

在串聯(lián)諧振電源電路設(shè)計(jì)中所選擇的電源是220V的交流，而且電容選擇的是10uf的，充電電壓能夠達(dá)到的最大值是3kV，當(dāng)取充電的時(shí)間是200ms的時(shí)候，電源的效率是不小于0.8的，而且當(dāng)電容的電壓取值到最大值的時(shí)候，此時(shí)的功率的輸出值是最大的。如果電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍是10%的時(shí)候，那么進(jìn)線的電壓的最小值為189V，而且電壓的最大值是241V，通過濾波中的直流電壓值范圍是從281V到341V之間，通常電路中參數(shù)的選擇是根據(jù)直流電壓的最小值，而且變壓器中的副繞組端的電壓能夠達(dá)到的最大值是3000V。

諧振電容可以選擇是無感吸收的電容，其中選擇的是STD系列的，而且電壓的額定值確定為3000V，設(shè)置的電容的范圍是在0.033mf的基礎(chǔ)上以10%進(jìn)行波動(dòng)，該電容的選擇主要是考慮到了電流以及頻率的相關(guān)要求。

2.1 諧振電感設(shè)計(jì)

在整個(gè)串聯(lián)諧振的電路設(shè)計(jì)中諧振電感對(duì)于電源是否能夠成功安裝起到了直接的影響作用。而且其中的磁性材料中所包括的主要是鐵粉、金屬、以及金屬磁芯等。磁芯材料的選擇通常是磁粉芯，由于在整個(gè)的變壓器的諧振的過程中，由于磁芯所具有的磁通密度會(huì)不斷地上升，所以會(huì)使得相比較于用鐵氧體作為材料，磁粉芯的飽和度會(huì)更高些，而且與此同時(shí)散磁通相對(duì)而言會(huì)小些。考慮到工作頻率的因素，所以本文選擇的的磁芯是MPP，其氣隙是呈現(xiàn)出分布式的，在大部分的磁芯材料中，其磁心的耗損也是最少的。

鉬坡莫合金的范圍為，在同樣匣數(shù)的情況下，其電感量隨著ur磁導(dǎo)率的升高而升高。當(dāng)有直流分量流過時(shí)，磁粉芯材料的磁導(dǎo)率會(huì)隨著直流偏置加大而不斷的下降，ur越大的下降的越多。故可采用ur較小的磁芯，可選擇相對(duì)磁導(dǎo)率為26的銀坡莫磁芯。諧振電感計(jì)算值為307uh，而測(cè)得的變壓器漏感為4uh，故磁環(huán)電感值應(yīng)設(shè)計(jì)為303uh。

2.2 電源設(shè)計(jì)

當(dāng)對(duì)重復(fù)的頻率進(jìn)行充電的時(shí)候，一般情況下的負(fù)載電容是不會(huì)存在全部放電的，用C1表示為負(fù)載電容，而用Uout表示充電電壓，當(dāng)放電后負(fù)載的電容的電壓也就會(huì)相應(yīng)地降低detaU1，如果將重復(fù)頻率設(shè)為fr，而諧振的頻率設(shè)為f，則諧振電容可以表示，而諧振電感的表達(dá)公式為：，從而當(dāng)諧振電感以及電容電壓確定后就能夠進(jìn)一步地確定諧振電流的最大值，以及電流的平均值，這些參數(shù)是電源器件選擇的基礎(chǔ)，其中的電源輸出功率的最大值的表達(dá)公式為

相對(duì)應(yīng)的也可以計(jì)算出平均的功率，平均功率是和detaU1有直接的聯(lián)系的，當(dāng)負(fù)載的電容電壓保持一定的時(shí)候，可以將etaU1忽略為0，所以此時(shí)的平均功率和功率的最大值是一樣的，當(dāng)負(fù)載電容在放電的過程中是處于100%的狀態(tài)的時(shí)候，可以將detaU1約等于Uout，此時(shí)的功率的平均值和輸出功率的最大值是1/2的關(guān)系。

通常關(guān)于電容的充電形式一般情況下是分為兩種，分別是恒流和恒壓的。而恒流充電的實(shí)現(xiàn)通常是選擇全橋串聯(lián)諧振來實(shí)現(xiàn)。恒壓的充電是以工頻變壓器為基礎(chǔ)的，一般充電功率的限制是通過電阻的方式實(shí)現(xiàn)的，而且在充電中，電阻會(huì)耗損一部分的功率，其值達(dá)到了50%。全橋串聯(lián)諧振的實(shí)現(xiàn)方式相比較于恒壓充電實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)是體積小，而且效率很高，所以一般會(huì)把全橋串聯(lián)諧振作為優(yōu)先選擇。全橋串聯(lián)諧振充電電源中的組成單元包括：電容，脈沖變壓器，諧振電感以及功率的相關(guān)器件。

2.3 電路設(shè)計(jì)

全橋串聯(lián)諧振充電電源中的電源選擇的是直流的，記為V，將S1到S4設(shè)置為逆變的開關(guān)，變壓器是用TX表示，其中的整流橋標(biāo)記為D1到D4。串聯(lián)諧振充電電路圖如圖1所示。

圖1 串聯(lián)諧振充電電路圖

在進(jìn)行充電的時(shí)候，圖中的開關(guān)S2和開關(guān)S4以及S3會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的交換，最終完成開關(guān)的周期，而且一個(gè)開關(guān)周期對(duì)應(yīng)的是二個(gè)諧振的周期，同時(shí)按照高壓整流的二極管以及逆變的開關(guān)所形成的模式有四種。諧振電流波形如圖2所示。

圖2 諧振電流波形

在t1時(shí)刻之前，諧振電感電流經(jīng)、以D1，D4相反的方向流動(dòng)，使Q1、Q4兩端電壓為0，在t1時(shí)刻開通Q1、Q4實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流開通。在t2時(shí)刻、開通Q1、Q4硬關(guān)斷，關(guān)斷電流很大，隨后電流經(jīng)D2、D3流動(dòng)，造成損耗太大。

通過以上分析可以看出斷續(xù)模式工作在軟開關(guān)狀態(tài)，開通關(guān)斷均實(shí)現(xiàn)了低損耗，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，正半周期的諧振電流可以通過續(xù)流二極管在負(fù)半周期全部返回電源，故具有很好的抗負(fù)載短路的能力。

3 脈沖變壓器設(shè)計(jì)

在進(jìn)行脈沖變壓器的設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)該對(duì)參數(shù)進(jìn)行全面的考慮，本文的脈沖變壓器設(shè)計(jì)所涉及的參數(shù)主要包括了功率，以及漏感和耐壓等。同時(shí)變壓器的電壓初始值選擇的是1.2kV，而電壓的次級(jí)輸出值能夠達(dá)到36kV，所以脈沖變壓器設(shè)計(jì)中的變比在此設(shè)置的是等于30。

當(dāng)進(jìn)行充電的時(shí)候，作為變阻抗負(fù)載，負(fù)載的電容會(huì)隨著充電過程中的電壓值的不斷增大 而會(huì)使得阻抗也對(duì)應(yīng)的減少，所以當(dāng)進(jìn)行到充電的結(jié)尾的時(shí)候，變壓器的值就會(huì)達(dá)到了最大的值?？紤]到負(fù)載的阻抗會(huì)時(shí)刻發(fā)生改變，所以要想得到精確的漏感值以及電感值存在一定的難度，在全橋串聯(lián)諧振充電電路中，通常會(huì)用L4表示勵(lì)磁電感，而L3代表的是經(jīng)過折算之后的次級(jí)漏感，折算后的值與次級(jí)的值是1/n2的關(guān)系，其中進(jìn)行折算之后的負(fù)載的電容是用C4表示的，而且該值是等于n2，其中的n取值是等于30。

諧振的頻率的決定因素通過總結(jié)主要包括了電容和諧振電感，而且脈沖變壓器中的重要參數(shù)是勵(lì)磁電感，散熱系統(tǒng)的性能決定因素與脈沖功率的最大值以及平均功率是有著直接的聯(lián)系的，本文介紹了諧振充電電源的現(xiàn)狀以及介紹了串聯(lián)諧振充電電源的設(shè)計(jì)。主要包括了諧振電感設(shè)計(jì)以及電源的設(shè)計(jì)。

[1] 尚雷，王相綦，裴元吉，等．新型軟開關(guān)高壓脈沖電容恒流充電技術(shù)分析．強(qiáng)激光與粒子束，2001，13(2)：241-244

[2] 馮德仁，王相綦，尚雷等．并聯(lián)諧振變換器對(duì)小容量傳輸線充電的分析．高電壓技術(shù)，2003，29(9)：31-32

[3] 張治國,謝運(yùn)祥,袁兆梅. 并聯(lián)諧振變換器的電路特性分析[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2013(04)

[4] 張成,孫馳,馬偉明,艾勝. 基于電路拓?fù)涞腎GBT并聯(lián)均流方法[J]. 高電壓技術(shù). 2013(02)