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        分布電容及倍壓電路輸出電壓研究*

        2022-06-16 10:37:58賀增輝毛鵬張曉強(qiáng)
        電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 2022年3期
        關(guān)鍵詞:紋波級數(shù)單相

        賀增輝,毛鵬,張曉強(qiáng)

        (北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,北京 100144)

        高壓電源在許多行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用,例如,醫(yī)用X射線成像系統(tǒng)、掃描電子顯微鏡、食品過濾系統(tǒng)和靜電除塵器等[1]。但是,為了達(dá)到高壓電源高電壓所需要的工作條件僅使用變壓器高匝數(shù)比來實(shí)現(xiàn)時(shí),高壓電源容易受到變壓器中大的漏感和寄生電容的限制。因此,倍壓整流電路通常用于小功率升壓[2]。因?yàn)?Half-Wave Cockcroft-Walton(HWCW)電路有升壓高、二極管和電容應(yīng)力小和成本低等優(yōu)點(diǎn)[3],故其是最常用的倍壓整流電路。HWCW電路圖如圖1所示。

        圖1 n級HWCW倍壓整流電路圖

        HWCW倍壓電路的主要缺點(diǎn)是電壓降ΔV0和紋波δV,其產(chǎn)生的主要原因是電容在整流電路中其內(nèi)部的寄生阻抗所產(chǎn)生的壓降,并且在許多應(yīng)用中這個(gè)寄生參數(shù)的影響很關(guān)鍵,例如,紋波電壓會(huì)影響X射線管的成像質(zhì)量。為了減小倍壓整流電路電壓的輸出和壓降,首先采用把單級倍壓整流電路對稱連接來減小紋波[4],其次采用多級多輸入相連來降低紋波[5]。

        本文中單相雙向?qū)ΨQ倍壓整流電路[6]是采用多級倍壓級數(shù)串聯(lián)和兩級次級輸出繞組并聯(lián)的方法,用于降低HWCW倍壓整流電路中的電壓降和紋波。該方法是通過將單級倍壓整流電路串聯(lián)和兩級繞組并聯(lián)連接輸出來實(shí)現(xiàn)的,因此,兩組倍壓電路的輸出端對負(fù)載會(huì)產(chǎn)生正負(fù)兩級電壓。

        1 半波Cockcroft-Walton電路

        根據(jù)圖1所示,在無負(fù)載情況,n級HWCW倍壓整流電路的輸出電壓為[6]:

        其中,Vout為輸出電壓,Vamp為單級HWCW倍壓整流電路的輸出電壓的峰值,n為HWCW倍壓整流電路的倍壓級數(shù)。

        在有載情況下,n級HWCW倍壓整流電路需要考慮它的紋波δV和壓降ΔV0。假設(shè)在n級倍壓電路中的電容C1=C2=…=Cn,則倍壓整流電路中的電壓降為[6]:

        其中,ILoad為流過負(fù)載電流,Ci為倍壓整流電路中每個(gè)電容的容值,fs為輸入電源的開關(guān)頻率。根據(jù)公式在加負(fù)載的情況下,輸出電壓的幅值為:

        假設(shè)負(fù)載為電阻RLoad,則輸出電壓也可以表示為[6]:

        因此,CW倍壓整流電路的輸出壓降阻抗為:

        其中,總的電容為2nC。

        則HWCW倍壓整流電路輸出電壓的紋波為[1,4]:

        2 不同電容對輸出電壓和阻抗的影響

        HWCW倍壓整流電路中最常見的分布方式[5]是在每個(gè)倍壓電路單元使用相同的電容容值,但是也可以在每個(gè)單元使用不同的電容容值[2]。從文獻(xiàn)[2]中可以發(fā)現(xiàn),第一級倍壓整流電路中的電容容值是其它 n(n>1)級單元中容值的2 倍,即C1=2C 和C2k=C2k-1=C(i≠1),則根據(jù)此結(jié)構(gòu)得到的輸出電壓為:

        由此可知,輸出壓降阻抗為:

        將負(fù)載電阻進(jìn)行替代,則根據(jù)式(7)和式(8)可以得到輸出電壓為:

        其中,n級倍壓整流電路總的電容值為(2n+1)C。

        根據(jù)每一級電容容值逐級遞增,即每一單元的電容容值相等,次級倍壓整流電路的容值為C2k=C2k-1=(n-k+1)C,其中 C 為最后一級單元容值。故根據(jù)此結(jié)構(gòu)可以得到輸出電壓的壓降為:

        由此可得輸出壓降的阻抗和輸出電壓,可以表示為:

        其中,n級倍壓整流電路總的電容值為n(n+1)C。

        3 單相雙向?qū)ΨQCW倍壓整流電路

        單相雙向倍壓整流電路如圖2所示。單相雙向?qū)ΨQ式CW倍壓整流電路可以降低輸出電壓壓降和負(fù)載阻抗的倍壓整流電流[6]。當(dāng)倍壓整流電路中上下倍壓級數(shù)p=q=n/2且其倍壓整流電路中電容容值都相等時(shí),其輸出電壓的電壓降和壓降阻抗為[6]:

        圖2 單相雙向倍壓整流電路

        根據(jù)公式(13)和公式(14)可得輸出電壓為:

        其中,倍壓整流電路總的電容容值為2nC。

        在以上四種電容的分布方式中,第一種和第四種指的是每一級電容容值相等而結(jié)構(gòu)不同時(shí)HWCW倍壓電路和單相雙向倍壓整流電路的阻抗對比情況。第二種指的是第一級倍壓整流電路中的電容容值是其它n(n>1)級單元中容值的2倍,即 C1=2C 和 C2k=C2k-1=C(i≠1)時(shí)情況。第三種是每一單元的電容容值相等且次級倍壓整流電路的容值為 C2k=C(2k-1)=(n-k+1)C 時(shí)情況,其中 C 為最后一級單元容值。根據(jù)以上四種方式,可得不同容值對阻抗的影響如圖3所示,不同容值和結(jié)構(gòu)對輸出電壓的影響如圖4所示。

        根據(jù)圖3和圖4可以得到,當(dāng)結(jié)構(gòu)相等但電容容值分布方式不同時(shí),此時(shí)電容值逐級遞增的壓降最小。而在多種結(jié)構(gòu)同時(shí)對比時(shí),單相雙向倍壓整流電路的阻抗最小,輸出電壓最大。下面根據(jù)仿真波形來驗(yàn)證這一結(jié)論的正確性。

        圖3 不同容值對阻抗的影響

        圖4 不同容值和結(jié)構(gòu)對輸出電壓的影響

        4 仿真驗(yàn)證

        根據(jù)以上不同分布電容方式和不同結(jié)構(gòu)對比分析,采用仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證。首先,根據(jù)公式(4)求得傳統(tǒng)的HWCW輸出電壓最優(yōu)的倍壓級數(shù)為:

        根據(jù)公式(16)求得最大的輸出電壓的級數(shù)為:

        根據(jù)實(shí)際條件假設(shè)輸入Vamp=1KV,輸入電源頻率為fs=100KHz,電容為C=1nF,負(fù)載電阻為R=5MΩ,根據(jù)此參數(shù)可求得最優(yōu)化電壓級數(shù)為8。根據(jù)以上參數(shù),搭建并仿真3~8級對稱式倍壓整流電路。單個(gè)電容的容值為1nF時(shí),根據(jù)等電容分布可得總電容為16nF。第二種分布方式即第一級倍壓整流電路的單個(gè)容值為1.88nF,其它級電容容值為0.94nF。第三種結(jié)構(gòu)電容的分布方式即最后一級電容為0.2nF,第一級電容容值為1.6nF。在對稱倍壓整流電路中每個(gè)電容容值為1nF。根據(jù)以上數(shù)據(jù)在不同電容容值和分布方式不同的情況下,測得n=2到n=15的輸出電壓值如圖5所示。

        圖5 不同結(jié)構(gòu)和不同電容分布的輸出電壓

        5 結(jié)論

        在結(jié)構(gòu)相同但電容值不等或電路結(jié)構(gòu)不同但容值相同的條件下,即在倍壓電路中每一級電容容值相等時(shí),阻抗最小輸出電壓最大的是單相雙向?qū)ΨQ倍壓整流電路。本文仿真驗(yàn)證了這一結(jié)論的正確性。但對稱式倍壓整流電路的電路復(fù)雜,其可控性更低。

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