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便携式谐振倍压电容充电电源的设计

张远绎 凌志斌 李旭光

张远绎, 凌志斌, 李旭光. 便携式谐振倍压电容充电电源的设计[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 035006. doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
引用本文: 张远绎, 凌志斌, 李旭光. 便携式谐振倍压电容充电电源的设计[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 035006. doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
Zhang Yuanyi, Ling Zhibin, Li Xuguang. Design of portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 035006. doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
Citation: Zhang Yuanyi, Ling Zhibin, Li Xuguang. Design of portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 035006. doi: 10.11884/HPLPB202032.190400

便携式谐振倍压电容充电电源的设计

doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
基金项目: 国家自然科学基金项目(51777125)
详细信息
    作者简介:

    张远绎(1995—),男,硕士研究生,研究方向为特种电源;815077417@qq.com

    凌志斌(1976—),男,博士,副教授,研究方向为特种电源与电池储能;lingzhibin@sjtu.edu.cn

    通讯作者:

    李旭光(1970—),男,博士,副教授,研究反向为电磁场与电磁系统计算分析;lixg@sjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TM502

Design of portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply

  • 摘要: 对输入电压为24 V,输出电压3 kV的便携式谐振倍压电容充电电源进行了设计与验证。针对高变压比的特点,电源采用串联谐振拓扑与倍压整流相结合的拓扑结构,避免了高频变压器副边匝数过多、分布参数过大可能造成的不利影响。对高频变压器、谐振电容、开关器件等核心元件进行了设计和调试。最后采用该电源进行电容充电实验,其测试结果验证了设计的正确性。
  • 图  1  串联谐振充电电源原理图

    Figure  1.  Principle diagram of series resonant charging power supply

    图  2  简化的串联谐振充电电源原理图

    Figure  2.  Simplified principle diagram of series resonant charging power supply

    图  3  DCM方式下谐振原理波形图

    Figure  3.  Waveform diagram of resonance principle in DCM mode

    图  4  沃尔顿倍压整流电路

    Figure  4.  Walton voltage doubling rectifier circuit

    图  5  便携式谐振倍压电容充电电源原理图

    Figure  5.  Principle diagram of portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply

    图  6  便携式谐振倍压电容充电电源

    Figure  6.  Portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply

    图  7  谐振电流局部波形

    Figure  7.  Partial waveform of resonant current

    图  8  谐振电流整体波形

    Figure  8.  Integral waveform of resonant current

    图  9  充电电容电压波形

    Figure  9.  Voltage waveform of charging capacitor

    表  1  便携式谐振倍压电容充电电源电路参数

    Table  1.   Circuit parameters of portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply

    Vin/Vfs/kHzDpnLr/μHCr/μFC1C6/nFCout/μF
    241000.253500.059.41506
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  • [1] 雷发胜, 赵晓昕, 张广浩, 等. 重复经颅磁刺激器电容充电技术发展现状[J]. 电工电能新技术, 2016, 35(11):45-52. (Lei Fasheng, Zhao Xiaoxin, Zhang Guanghao, et al. Development status of repetitive transcranial magnetic stimulator capacitor charging technology[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2016, 35(11): 45-52 doi:  10.3969/j.issn.1003-3076.2016.11.008
    [2] 王胜. 串联谐振式高压电容器充电电源研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2011.

    Wang Sheng. Research on series resonant high voltage capacitor charging power supply[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2011
    [3] Zhong Heqing, Xu Zhixin, Zou Xudong, et al. Current characteristic of high voltage capacitor charging power supply using a series resonant topology[C]//The 29th Annual Conference of the IEEE. 2003.
    [4] Lippincott A C, Nelms R M, Garbi M, et al. A series resonant converter with constant on-time control for capacitor charging applications[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition. 1990: 147-154.
    [5] 苏建仓, 王利民, 丁永忠, 等. 串联谐振充电电源分析及设计[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(12):1611-1614. (Su Jiancang, Wang Limin, Ding Yongzhong, et al. Analysis and design of series resonant charging power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2004, 16(12): 1611-1614
    [6] 冯传均, 何泱, 戴文峰, 等. 串联谐振高压电容充电电源设计及分析[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31:055002. (Feng Chuanjun, He Yang, Dai Wenfeng, et al. Design and analysis of series resonant high voltage capacitor charging power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 055002
    [7] 朱鑫淼. 串联谐振充电电源设计[D]. 大连: 大连理工大学, 2014.

    Zhu Xinmiao. The design of series resonant charging power supply[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2014
    [8] 银志军, 赵扬, 孙大维, 等. 倍压整流电路的仿真与分析[J]. 光电技术应用, 2006(5):71-75. (Yin Zhijun, Zhao Yang, Sun Dawei, et al. Simulation and analysis of voltage doubling rectifier circuit[J]. Electro-Optic Technology Application, 2006(5): 71-75 doi:  10.3969/j.issn.1673-1255.2006.05.019
    [9] 闫良, 闫英敏, 杨凤彪. 倍压整流电路的分析和仿真[J]. 电子设计工程, 2017, 25(8):119-123. (Yan Liang, Yan Yingmin, Yang Fengqbiao. Analysis and simulation of voltage doubling rectifier circuit[J]. Electronic Design Engineering, 2017, 25(8): 119-123
    [10] 乔恩明, 张双运. 开关电源工程设计快速入门[M]. 北京: 中国电力出版社, 2010.

    Qiao Enming, Zhang Shuangyun. Quick introduction to switching power supply engineering design[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010
    [11] 赵志英. 高频变压器分布电容及其影响分析[C]//中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会. 2006.

    Zhao Zhiying. Stray capacitances and its effects in high frequency pulse transformers[C]//10th Annual Conference of the Institute of Power Electronics, China Electrotechnical Society. 2006
    [12] 王冬冬. 串联谐振电容器充电电源的研制[D]. 武汉: 华中科技大学, 2008.

    Wang Dongdong. The research and development of series resonant capacitor charging power supply[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2008
  • [1] 刘劲东, 何大勇, 杨兴旺, 王勇.  双谐振拓扑高压脉冲电容器充电电源 . 强激光与粒子束, 2019, 31(04): 040021-. doi: 10.11884/HPLPB201931.180314
    [2] 罗集睿, 王庆峰, 张政权, 刘庆想, 何长鑫, 周勃.  基于AC-Link串联谐振的Buck-Boost变换器控制算法 . 强激光与粒子束, 2019, 31(02): 025001-. doi: 10.11884/HPLPB201931.180279
    [3] 冯传均, 何泱, 戴文峰, 伍友成, 付佳斌, 王敏华.  串联谐振高压电容充电电源设计及分析 . 强激光与粒子束, 2019, 31(05): 055002-. doi: 10.11884/HPLPB201931.180355
    [4] 蔡政平, 李伟松.  太赫兹器件测试用高重复频率高压脉冲电源 . 强激光与粒子束, 2018, 30(02): 023101-. doi: 10.11884/HPLPB201830.170274
    [5] 李健, 徐新安, 慕振成, 周文中, 刘美飞, 姚远, 荣林艳, 王博, 谢哲新, 万马良, 付云丰, 张宗花, 乔际民.  中国散裂中子源直线射频功率源系统的研制 . 强激光与粒子束, 2016, 28(08): 085101-. doi: 10.11884/HPLPB201628.151013
    [6] 李伟, 刘庆想, 张政权.  恒功率输入恒流输出的电容器充电电源 . 强激光与粒子束, 2016, 28(07): 075003-. doi: 10.11884/HPLPB201628.075003
    [7] 李超, 鲁军勇, 江汉红, 龙鑫林, 郑宇锋.  电磁发射用多级混合储能充电方式对比 . 强激光与粒子束, 2015, 27(07): 075005-. doi: 10.11884/HPLPB201527.075005
    [8] 杨实, 任书庆, 来定国, 张玉英, 杨莉, 姚伟博, 张永民.  大功率高压恒流充电源研制 . 强激光与粒子束, 2015, 27(09): 095006-. doi: 10.11884/HPLPB201527.095006
    [9] 王庆峰, 刘庆想, 张政权, 李相强.  环形脉冲变压器分布电容优化设计及实验 . 强激光与粒子束, 2014, 26(04): 045048-. doi: 10.11884/HPLPB201426.045048
    [10] 任青毅, 梁川, 王桂吉, 崔恒安.  并联谐振变换器式电容器充电电源 . 强激光与粒子束, 2012, 24(03): 693-696. doi: 10.3788/HPLPB20122403.0693
    [11] 姚伟博, 张永民, 来定国, 程亮, 任书庆, 张玉英, 谢霖燊, 黄建军, 杨莉.  用于诊断纳秒脉冲电流的微分环现场标定技术 . 强激光与粒子束, 2012, 24(02): 501-504. doi: 10.3788/HPLPB20122402.0501
    [12] 邢达, 高迎慧, 严萍.  高频电容器充电电源绝缘栅双极晶体管吸收电路 . 强激光与粒子束, 2011, 23(01): 0- .
    [13] 张政权, 刘庆想, 吴志鹏, 杨贺.  基于高频交流链接技术的串联谐振变换器 . 强激光与粒子束, 2011, 23(11): 0- .
    [14] 杨建华, 舒挺, 张建德, 任合明, 周相, 文建春.  电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程 . 强激光与粒子束, 2010, 22(11): 0- .
    [15] 杨汉武, 张建德, 王勇, 张自成.  脉冲变压器充电过程中次级线圈匝间电压的分布 . 强激光与粒子束, 2010, 22(03): 0- .
    [16] 张政权, 刘庆想, 向欣, 张朋朋, 吴志鹏.  高频整流谐振变换电源 . 强激光与粒子束, 2010, 22(04): 0- .
    [17] 余小辉, 杨汉武, 杨实, 李达.  重复频率脉冲磁场初级能源 . 强激光与粒子束, 2010, 22(04): 0- .
    [18] 高迎慧, 孙鹞鸿, 严萍, 石一.  40 kW高功率密度数字化控制充电电源 . 强激光与粒子束, 2009, 21(08): 0- .
    [19] 苏建仓, 王利民, 丁永忠, 宋晓欣.  串联谐振充电电源分析及设计 . 强激光与粒子束, 2004, 16(12): 0- .
    [20] 周文振, 章向阳, 丁书琳, 胡金泉, 杨真媛.  C波段全密封加速管研制 . 强激光与粒子束, 1999, 11(03): 0- .
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-11
  • 修回日期:  2019-12-13
  • 网络出版日期:  2020-04-02
  • 刊出日期:  2020-02-10

便携式谐振倍压电容充电电源的设计

doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
    基金项目:  国家自然科学基金项目(51777125)
    作者简介:

    张远绎(1995—),男,硕士研究生,研究方向为特种电源;815077417@qq.com

    凌志斌(1976—),男,博士,副教授,研究方向为特种电源与电池储能;lingzhibin@sjtu.edu.cn

    通讯作者: 李旭光(1970—),男,博士,副教授,研究反向为电磁场与电磁系统计算分析;lixg@sjtu.edu.cn
  • 中图分类号: TM502

摘要: 对输入电压为24 V,输出电压3 kV的便携式谐振倍压电容充电电源进行了设计与验证。针对高变压比的特点,电源采用串联谐振拓扑与倍压整流相结合的拓扑结构,避免了高频变压器副边匝数过多、分布参数过大可能造成的不利影响。对高频变压器、谐振电容、开关器件等核心元件进行了设计和调试。最后采用该电源进行电容充电实验,其测试结果验证了设计的正确性。

English Abstract

张远绎, 凌志斌, 李旭光. 便携式谐振倍压电容充电电源的设计[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 035006. doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
引用本文: 张远绎, 凌志斌, 李旭光. 便携式谐振倍压电容充电电源的设计[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 035006. doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
Zhang Yuanyi, Ling Zhibin, Li Xuguang. Design of portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 035006. doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
Citation: Zhang Yuanyi, Ling Zhibin, Li Xuguang. Design of portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 035006. doi: 10.11884/HPLPB202032.190400
  • 20世纪90年代以来,随着大功率开关器件技术的进步,高频开关变换器充电电源已经成为主流,各种不同结构的高频开关充电电源得到广泛应用[1]。其中,串联谐振充电电源以其恒流充电、抗短路能力强、可靠性高、控制简单、开关器件工作在软开关状态等特点得以迅速发展[2-5]。但在输出电压较高的场合,高频变压器副边分布参数的影响以及对整流器件的耐压要求等因素都会对电源的设计造成困难。本文对传统串联谐振充电电源与倍压整流电路的原理进行了理论分析,并将传统串联谐振拓扑与倍压整流电路结合,设计便携式谐振倍压电容充电电源。

    • 串联谐振充电电源结构原理图如图1所示。为方便分析,将充电电容${C_2}$折合到变压器原边,等效电容${C'_2}$n2C2,分析时相当于去掉变压器。简化处理后的串联谐振充电电源原理图如图2所示。

      图  1  串联谐振充电电源原理图

      Figure 1.  Principle diagram of series resonant charging power supply

      图  2  简化的串联谐振充电电源原理图

      Figure 2.  Simplified principle diagram of series resonant charging power supply

      根据开关频率与谐振频率的关系,串联谐振充电电源共有3种工作方式:${f_{\rm{s}}} < {{{f_{\rm{r}}}} / 2}$工作方式(断续电流模式)、${{{f_{\rm{r}}}} / 2} < {f_{\rm{s}}} < {f_{\rm{r}}}$工作方式和${f_{\rm{s}}} > 2{f_{\rm{r}}}$工作方式,其中${f_{\rm{r}}} = {1 / {2{{\text{π}}}\sqrt {{L_{\rm{r}}}{C_{\rm{r}}}} }}$。在断续电流模式(DCM)工作方式下,谐振电流断续,平均充电电流较小,但开关器件可以实现软开通和软关断,开关损耗较小,通常适用于中小功率充电电源[6]

      串联谐振充电电源在DCM方式下的谐振原理波形如图3所示,其中Tr为谐振周期,Ts为开关周期,Ir为谐振电流,V1为谐振电容电压,V2为充电电容电压。

      图  3  DCM方式下谐振原理波形图

      Figure 3.  Waveform diagram of resonance principle in DCM mode

      对串联谐振充电电源进行稳态分析并求解归纳,可得(其中m为谐振周期数(m=0,1,2,3……),ω为谐振角频率($\omega = {1 / {\sqrt {({L_{\rm{r}}}{C_{\rm{r}}} + {L_{\rm{r}}}{C'_2})} }}$),Cr为谐振电容值,${C'_2}$为充电电容折合回变压器原边的等效电容):

      (1)第m个谐振周期内,谐振电流平均值Iave

      $$ {I_{{\rm{ave}}}} = \frac{2}{{{\text{π}}}} \cdot \frac{{{C'_2} - {C_{\rm{r}}}}}{{({C'_2} + {C_{\rm{r}}})\omega {L_{\rm{r}}}}}{V_{{\rm{in}}}} $$ (1)

      (2)第m个谐振周期,${C'_2}$上的初始电压值V2m

      $$ {V_{{\rm 2m}}} = 4m\frac{{{C_{\rm r}}{C'_2} - {C_{\rm{r}}}^2}}{{{{({C'_2} + {C_{\rm r}})}^2}}}{V_{{\rm{in}}}} $$ (2)

      由式(1)、式(2)可知,每个谐振周期内谐振电流的平均值Iave均相同(为与m无关的常数),且充电电容电压值为谐振周期m的线性函数,所以当频率足够高时可将充电过程看成恒流充电,将充电电容电压上升过程看成线性上升[7]

    • 沃尔顿倍压整流电路拓扑如图4所示(其中p为倍压整流级数)。

      图  4  沃尔顿倍压整流电路

      Figure 4.  Walton voltage doubling rectifier circuit

      倍压整流电路利用二极管的单向导通和电容的充放特性来实现电荷的累积和高压输出[8]。其工作过程为:随着变压器副边电压极性的变化,二极管依次导通,C1C2C3Cp依次充电至2U,最终负载两端的直流电压达到2pU。本拓扑结构的优点是每个电容上的电压不超过变压器次级绕组峰值电压的2倍[9]

    • 便携式谐振倍压电容充电电源原理图如图5所示,其中n为变压器变比,p为倍压整流级数,即倍压整流倍数为2p

      图  5  便携式谐振倍压电容充电电源原理图

      Figure 5.  Principle diagram of portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply

      便携式谐振倍压电容充电电源的开关频率为100 kHz,输入电压为24 V,由蓄电池提供,目标在100 ms内将6 μF充电电容充电至3 kV。

    • 相比于其他磁性材料,铁氧体磁心具有磁导率高、高频损耗小的优势,更适合高频变压器。本文变压器工作频率为100 kHz,故变压器磁心选择铁氧体磁心。本文设计期望在100 ms内将6 μF电容充电至3 kV,按恒流充电计算平均充电电流${I_{{\rm{cave}}}} = C\dfrac{{{\rm{d}}V}}{{{\rm{d}}t}} = 0.18\;{\rm{A}}\;$,则电源最大输出功率Po=0.18 A×3 000 V=540 W。通过AP法选取磁心,AP法公式计算如下

      $$AP = {A_{\rm{c}}}{A_{\rm{e}}} = {\Bigg(\frac{{{P_{\rm{T}}} \times {{10}^4}}}{{{K_{\rm{O}}}{K_{\rm{f}}}{f_{\rm{s}}}{B_{\rm{m}}}{K_j}}}\Bigg)^{{\frac{1}{{1 + X}}}}} = {\Bigg(\frac{{\Bigg(1 + \dfrac{1}{{0.8}}\Bigg) \times 540 \times {{10}^4}}}{{0.4 \times 4 \times 100\;000 \times 0.3 \times 534}}\Bigg)^{{\frac{1}{{1 - 0.12}}}}} = 0.428\;{\rm{c}}{{\rm{m}}^4} $$ (3)

      式中:Ac为变压器窗口面积;Ae为磁心有效截面积;PT为变压器视在功率,${P_{\rm{T}}} = {P_{\rm{o}}}(1 + {1 / \eta })$η为变压器效率,取值为0.8;Ko为窗口的铜填充系数,一般取值为0.4;Kf为波形系数,方波时取值为4;fs为开关工作频率;Bm为工作磁感应强度,取值为0.3;Kj为电流比例系数,选择EE型磁心时取值为534;X为磁心结构常数,选择EE型磁心时取值为−0.12[10]。通过公式计算出AP值为0.428 cm4,故最终选择EE40铁氧体磁心,其AP值为2.2 cm4

      为了防止变压器原边通过大电流而导致发热,采用铜箔绕制变压器原边,其宽度覆盖整个线槽,故变压器原边为1匝。同时由于变压器工作频率为100 kHz,其分布参数的影响不能忽略,为防止变压器副边分布参数过大影响原边谐振过程,需尽量减小变压器副边匝数,并采用累进式绕法来减小分布参数[11]。由于变压器骨架大小的限制,副边采用线径为0.5 mm的导线绕制,绕制层数为两层,副边匝数为50匝。

    • 为提高电容充电速度,需要通过减小谐振电感值来增大谐振电流峰值。由于变压器漏感的存在,利用变压器原边漏感作为谐振电感,能够最大程度地减小谐振电感值,同时还能够减小电源体积。通过短路试验,测得已绕制好的变压器原边漏感为0.05 μH,故将0.05 μH作为谐振电感值。同时电源工作在电流断续模式(DCM),需满足${f_{\rm{s}}} < {{{f_{\rm{r}}}} / 2}$,其中(其中fs=100 kHz,${f_{\rm{r}}} = {1 / {2{{\text{π}}}\sqrt {{L_{\rm{r}}}{C_{\rm{r}}}} }}$),所以选择谐振电容为9.4 μF,算得谐振频率fr为232 kHz,满足DCM工作模式要求。

    • 本文设计的便携式谐振倍压电容充电电源开关频率为100 kHz,此频率下MOSFET最适合作为开关器件。开关管最大承受电压为输入电压24 V。由于变压器副边折算回原边的等效电容值远大于谐振电容值,分析谐振电流峰值时可以参考传统串联谐振充电电源:在第一个谐振周期,谐振电流峰值${I_{{\rm{rmax}}}} \approx {{{V_{{\rm{in}}}}} / {{Z_{\rm{r}}}}} = 329\;A$(其中特征阻抗${Z_{\rm{r}}} = \sqrt {{{{L_{\rm{r}}}} / {{C_{\rm{r}}}}}} $),其有效值为233 A;随着充电的进行,谐振电流峰值将逐渐增大至${{I'}_{{\rm{rmax}}}} \approx {{2{V_{{\rm{in}}}}} / {{Z_{\rm{r}}}}} = 658\;{\rm{ A}}$,其有效值为465 A[12]。若考虑线路电阻,则电流值将会进一步减小,并且由于电源为短时工作,充电时间为毫秒级,故开关器件最终选择英飞凌公司型号为IPT007N06N的MOSFET,其耐压为60 V,导通电阻为0.75 mΩ,工作温度为25 ℃时,最大连续漏极电流为300 A,脉冲漏极电流为1200 A,能够满足工作要求。

    • 为满足可能更高的输出电压要求,整流电路选择六倍压整流进行设计。根据倍压整流工作原理,倍压整流电容的最大承受电压为变压器副边电压峰值的两倍,变压器副边瞬时峰值电压为24×50=1 000 VDC;并且为提高充电速度,倍压整流电容值不宜过大。故倍压整流电容选择容值为150 nF,耐压为1 600 VDC的聚酯薄膜电容。

      倍压整流电路中二极管承受的最大电压为倍压整流电容电压,并且经过二极管的电流较小。故电路中整流二极管最终选择用两个耐压为1 000 V,正向电流为1 A的FR107二极管串联进行工作。

    • 本文设计的PCB为两层板,其铜箔厚度为0.035 mm。由公式$R = {{\rho L} / S}$(其中ρ为铜的电阻率1.75×10−8 Ω·m,L为走线长度,S为导体截面积)可以算出谐振回路PCB走线电阻约为6 mΩ,变压器原边绕组电阻约为1.26 mΩ,蓄电池与电源连接线电阻约为26.7 mΩ,变压器副边绕组电阻约为260 mΩ。

    • 本文研制的便携式谐振倍压电容充电电源主要电路参数如表1所示。

      表 1  便携式谐振倍压电容充电电源电路参数

      Table 1.  Circuit parameters of portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply

      Vin/Vfs/kHzDpnLr/μHCr/μFC1C6/nFCout/μF
      241000.253500.059.41506
    • 便携式谐振倍压电容充电电源实物如图6所示。采用该电源进行电容充电测试时,利用罗氏线圈测量电流波形(电流测量比例系数为10 mV/A),示波器探头测量充电电容电压波形。由于充电电压较高,测量电压时设置示波器探头为10倍衰减,并利用电阻将电容电压分压为1/6,故示波测量的电压为实际电压的1/60。

      图  6  便携式谐振倍压电容充电电源

      Figure 6.  Portable resonant voltage doubling capacitor charging power supply

      变压器原边谐振电流局部波形如图7所示,变压器原边谐振电流整体波形如图8所示。由图7可知,谐振电流周期Tr约为4.28 μs,谐振电流峰值Trmax为330 A。由图8可以看出,在实际充电过程中,谐振电流峰值随着充电的进行会逐渐下降。

      图  7  谐振电流局部波形

      Figure 7.  Partial waveform of resonant current

      图  8  谐振电流整体波形

      Figure 8.  Integral waveform of resonant current

      充电电容电压波形如图9所示。由图9可知,充电电容电压在59.17 ms内由0 V上升至3 kV,据此可以算出平均充电电流为304 mA。并且在充电过程中,充电前期电压近似线性上升,可以看成恒流充电,但在充电后期,充电速度将逐渐下降。

      图  9  充电电容电压波形

      Figure 9.  Voltage waveform of charging capacitor

    • 本文对串联谐振充电电源与倍压整流电路的原理进行了理论分析,并将串联谐振拓扑与倍压整流拓扑相结合,设计了输入电压为24 V,输出电压为3 kV的便携式谐振倍压电容充电电源,并给出了高频变压器、谐振电容、功率开关以及整流器件等核心元件的设计过程。最后采用该电源进行电容充电实验,电源能够在59.17 ms内将6 μF电容充电至3 kV,平均充电电流为304 mA,验证了电源设计的正确性。

参考文献 (12)

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