摘　要：軟開(kāi)關(guān)串聯(lián)諧振電容器拓?fù)湟蚱湓谳^寬的電壓范圍內(nèi)具有平均充電電流恒定和抗短路能力強(qiáng)的特點(diǎn)而用于對(duì)高壓電容器充電。但開(kāi)關(guān)頻率固定的串聯(lián)諧振充電電源的恒流特性因直流母線電壓的波動(dòng)和高壓變壓器以及整流單元的分布電容的影響，其充電電流并不是恒流。該文分析了理想和實(shí)際的串聯(lián)諧振充電電源的充電電流特性。提出了采用圖表法對(duì)串聯(lián)諧振電源進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和調(diào)試，克服了以往高壓脈沖電源設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)的盲目性，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：電力工程　串并聯(lián)諧振　寄生參數(shù)　恒流　電容器充電電源（CCPS） 引言 隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，高壓脈沖電源的需求越來(lái)越廣，且越來(lái)越多。在開(kāi)關(guān)頻率固定的情況下，理想串聯(lián)諧振充電拓?fù)湟蚱淠茉谳^寬的電壓范圍內(nèi)具有平均充電電流恒定的特點(diǎn)，且抗負(fù)載短路能力強(qiáng)，被廣泛用于對(duì)高壓電容器充電。但實(shí)際裝置中的串聯(lián)諧振充電電流并不恒定，主要原因有：①充電時(shí)直流母線電壓會(huì)發(fā)生變化；②變壓器存在分布電容；③高壓整流器存在極間電容。從而給參數(shù)設(shè)計(jì)和設(shè)備調(diào)試帶來(lái)了一定困難。目前，通常是通過(guò)不斷地改變諧振參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，直至找到合適的諧振參數(shù)，調(diào)試周期長(zhǎng)，造成不必要的人力和財(cái)力浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)外有關(guān)分布電容影響的報(bào)道極少，文獻(xiàn)提到了由于分布電容的影響，充電電流隨著輸出電壓的升高而減小，但未作深入研究；文獻(xiàn)（Bowles E E, Chapelle S. A high power density, high voltage powersupply for pulsed rada system[C]. The 21th International Power Modulator Symposium, 1994：170-173.）實(shí)現(xiàn)了一個(gè)串并聯(lián)諧振CCPS，但未對(duì)電路工作特性作具體深入研究。 　　 本文研究了理想串聯(lián)諧振電容器充電電源的電流特性和實(shí)際串聯(lián)諧振電容器充電電源的電流特性，分析了充電系統(tǒng)中高壓變壓器和高壓整流二極管的寄生參數(shù)的影響，采用等值電路來(lái)描述變壓器和二極管中復(fù)雜的寄生電容，并且可以通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)得，指出由于變壓器和二極管寄生電容的存在，使所設(shè)計(jì)的高壓串聯(lián)諧振充電電源變成了一個(gè)高壓串并聯(lián)諧振充電電源，其充電電流并不恒定。文中對(duì)軟開(kāi)關(guān)串并聯(lián)諧振CCPS 進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得出其固有的一些重要特性，同時(shí)給出了一個(gè)具有重要實(shí)用價(jià)值的圖表，通過(guò)這個(gè)圖表能快速設(shè)計(jì)諧振參數(shù)，改變以往通過(guò)往復(fù)改變諧振參數(shù)并不斷進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)和調(diào)試高壓充電電源的辦法。文中通過(guò)一個(gè)25kW 的高壓脈沖電源系統(tǒng)作為實(shí)例，驗(yàn)證了采用圖表法的有效性。 理想串聯(lián)諧振CCPS 的工作特性 高壓電容器充電電源的主電路拓?fù)淙鐖D1 所示，變壓器變比為n，L 為諧振電感，C1 為諧振電容，TS 為開(kāi)關(guān)周期，T1 為諧振周期，fS 為開(kāi)關(guān)頻率，TS>2T1，開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在所有串聯(lián)諧振CCPS 中，設(shè)Co、Vco 分別為充電電容和充電電壓，均有n2Co>>C1 成立。 平均充電電流為 由式（1）可知, 當(dāng)V[sub]in[/sub]、L、C[sub]1[/sub]、和f[sub]S[/sub] 恒定,平均充電電流恒定，電容器電壓呈線性上升，但實(shí)際裝置中由于變壓器和高壓整流二極管并不是理想器件，變壓器存在分布電容，高壓整流二極管也存在極間電容，開(kāi)環(huán)控制的串聯(lián)諧振CCPS 的平均充電電流并不恒定，電壓上升曲線并不線性。 實(shí)際的串聯(lián)諧振CCPS 高頻升壓變壓器和高壓整流二極管的分布電容對(duì)充電電流的工作狀態(tài)影響較大，是不能被忽略的。變壓器的分布電容較為復(fù)雜，在高頻高壓升壓變壓器中，為減小變壓器體積和漏感，通常采用導(dǎo)磁率較高的鐵芯，如超微晶合金材料，變壓器原邊匝數(shù)較少；為減少變壓器原副邊耦合，通常設(shè)有屏蔽繞組；從而可以忽略原邊分布電容、原、副邊分布電容的影響。變壓器的激磁電抗較大，其影響也可以忽略。于是實(shí)際的串聯(lián)諧振電容器充電電路可等效于圖2 所示電路?？梢钥闯觯瑢?shí)際電路變成了一個(gè)串并聯(lián)諧振充電電路。 與串聯(lián)諧振CCPS 不同，串并聯(lián)諧振CCPS 的諧振過(guò)程與輸入電壓、充電電容電壓、串聯(lián)諧振電感、串聯(lián)諧振電容、并聯(lián)諧振電容有關(guān)，因而在半個(gè)開(kāi)關(guān)周期存在多種工作情況，各種工作情況下又存在不同的工作模式，各個(gè)工作模式的諧振頻率也不盡相同，其工作過(guò)程相對(duì)于理想串聯(lián)諧振CCPS要復(fù)雜得多。由于諧振頻率和開(kāi)關(guān)頻率較高，在一個(gè)諧振周期中充電電容電壓變化非常小，因此可將一個(gè)諧振周期的串并聯(lián)諧振充電等效成輸出電壓不變的串并聯(lián)諧振充電。設(shè)等效至變壓器原邊的充電電容電壓為Vo。根據(jù)在一個(gè)諧振周期中充電電流的有、無(wú)可分為以下3 種情況。 分析之前定義如下變量： 情況1：充電電流在正負(fù)諧振周期內(nèi)均存在，則有如下3 種工作模式。 模式1： Q[sub]1[/sub]、Q[sub]3[/sub] 導(dǎo)通，v[sub]2[/sub]（t[sub]0[/sub]）=Vo，整流二極管D[sub]5[/sub]、D[sub]7 [/sub]導(dǎo)通，諧振電流i >0，充電電流i[sub]o[/sub]=i，此模式等效電路如圖3（a）所示，電壓、電流方程為 當(dāng)串聯(lián)諧振電流為0（即t[sub]1 [/sub]時(shí)刻）時(shí)，該模式結(jié)束，可得到如下表達(dá)式： 模式2：當(dāng)i（t[sub]1[/sub]）=0 時(shí)，諧振電流開(kāi)始反向i<0，并通過(guò)二極管D[sub]1[/sub]、D[sub]3[/sub] 續(xù)流，所有整流二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，充電電流i[sub]o[/sub]=0，其等效電路如圖3（b）所示，電壓、電流方程為 當(dāng)v[sub]2[/sub]（t[sub]2[/sub]）= -V[sub]o[/sub] 時(shí)，該模式結(jié)束，可得到如下表達(dá)式 模式3：從v[sub]2[/sub]（t[sub]2[/sub]）= -V[sub]o[/sub] 起，諧振電流i<0，續(xù)流二極管D[sub]1[/sub]、D[sub]3 [/sub]仍處于續(xù)流導(dǎo)通狀態(tài)，此階段v[sub]2[/sub]（t[sub]2[/sub]）= -V[sub]o[/sub]，整流二極管D[sub]6[/sub]、D[sub]8[/sub] 導(dǎo)通，充電電流i[sub]o[/sub]= -i，其等效電路如圖3（c）所示，電流、電壓方程為 當(dāng)i（t3）=0 時(shí)，該模式結(jié)束，有如下表達(dá)式 公式 電路工作在該情況的臨界條件應(yīng)滿足 由式（22）和（23）可解得 因此，滿足情況1 的條件是V[sub]o[/sub] 平均充電電流為 當(dāng)輸出電容電壓為零（即輸出短路）時(shí)，該諧振電路與串聯(lián)諧振電路工作在輸出短路時(shí)完全相同，其諧振電流為大小為 從上面的分析可以看出，V[sub]1N [/sub]是一個(gè)超越方程，解出V[sub]1N [/sub]是相當(dāng)困難的，有必要研究其充電規(guī)律，找出較為理想的設(shè)計(jì)方法。 由式（2）～（25）可以看出，V [sub]1N+1[/sub] 只與諧振電容的比值有關(guān)，與諧振電容本身大小和諧振電感大小無(wú)關(guān)，因而V[sub]1N[/sub]、V[sub]1N’[/sub]、Z[sub]1IN’’[/sub]均為V[sub]in[/sub]、V[sub]o [/sub]和k 的函數(shù)。

故由式（24）和（27）可得如下結(jié)論： （1）工作在該情況下的條件是V[sub]o[/sub]與諧振電容本身大小和諧振電感大小無(wú)關(guān)，只與諧振電容的比值有關(guān)，且為Vo/Vin 和k 的函數(shù)；當(dāng)k 一定時(shí)，為V[sub]o[/sub]/V[sub]in[/sub] 的函數(shù)。 情況2：充電電流在正諧振半個(gè)周期內(nèi)存在，在負(fù)諧振周期內(nèi)充電電流為零，則有如下3 種工作模式。 模式1： Q[sub]1[/sub]、Q[sub]3 [/sub]導(dǎo)通，v[sub]2[/sub]（t[sub]0[/sub]）0，充電電流i[sub]o[/sub]=0，等效電路如圖4（a）所示。 模式2：當(dāng)v[sub]2[/sub]（t[sub]1[/sub]）=V[sub]o [/sub]時(shí)，整流二極管D[sub]5[/sub]、D[sub]7[/sub] 導(dǎo)通，i[sub]o[/sub]=i，其等效電路如圖4（b）所示。 模式3：當(dāng)諧振電流i（t[sub]2[/sub]）<0 時(shí)，續(xù)流二極管D[sub]1[/sub]、D[sub]3 [/sub]導(dǎo)通，整流二極管截止，i[sub]o[/sub]=0，等效電路如圖4（a）所示。

仿情況1 分析，可得如下結(jié)論： （1）工作在該情況下的條件是V[sub]in[/sub] /（k+1） 是k 和V[sub]o[/sub]/V[sub]in [/sub]的函數(shù)，與諧振參數(shù)本身大小無(wú)關(guān)。 情況3：充電電流在正負(fù)諧振半個(gè)周期均為零，則有如下兩種工作模式 模式1：Q[sub]1[/sub]、Q[sub]3 [/sub]導(dǎo)通，v[sub]1[/sub]（t[sub]0[/sub]）=V[sub]1N[/sub]，v[sub]2[/sub]（t[sub]0[/sub]）=V[sub]2N[/sub]