串联谐振充电电源设计

王冠霖

辽宁锦州渤海大学工学院

串联谐振充电电源设计

王冠霖

辽宁锦州渤海大学工学院

本文研究了串联谐振在进行充电的情况下所获得的电压以及电流的计算公式，而且还得出了当负载电容并不是完全放电的时候，有关的电源方面的参数的计算问题，同时当负载电容的放电状态是完全的时候，其中电源输出功率的频率的平均值和输出功率的最大值是1/2的关系,如果保持负载电容电压不变的条件下,电源输出功率的平均值是等于输出功率的最大值。

串联谐振 负载电容 平均功率

所谓的脉冲功率的含义是将一种功率很低的能力进行保存起来，而且这个保存时间可能在一定程度上是比较长的，接着再将这种能量向高功率的脉冲进行转化。在脉冲功率中，存储的能量系统作为最重要的成分，其中的能量存储的方法有很多，主要常见的有电感储能，电容储能以及机械储能等。随着电容储能技术的不断发展，现今已经可以实现了微秒甚至纳秒的脉冲功率装置设备中。通过电容储能的方式实现高功率的脉冲，这已经是该领域发展的一种势不可挡的趋势。

20世纪80年代以来，随着人造卫星上面所装载的探测器、数据处理设备和信号传输设备越来越集成化，出现了质量在几十千克到几百千克之间的小卫星。在串联谐振充电电源的理论研究方面，美国Auburn University 的 R. M. Nelms等人于20世纪 90年代初对串联谐振电路的特性进行了详细分析，并建立了比较简单的数值方程。在国内，中国科技大学的尚雷在 2000年发表的论文中通过仿真和理论计算指出了串联谐振充电存在转折点。西安交通大学的苏建仓在2004年发表的论文中推导出了串联谐振电源不同工作模式下的电压、电流计算公式，并用递推公式说明了其恒流特性。

1 串联谐振电源的研究现状分析

充电电源最早可以追溯到恒压直流的方式，但是传统意义上的恒压直流充电已经无法满足现今很多领域的需求，而且电流在调节能力方面存在着一定的劣势，另一方面携带起来也不是很容易。现今随着串联谐振技术的不断发展，很多的学者将关注度转到了串联谐振等效电路方面以及串联谐振变换器中设计电感器等2个方面。

1.1 串联谐振等效电路设计

当谐振的周期取不同的值时，对应的串联谐振等效电路也是不同的，所以在进行分析的过程中需要将开关的周期对应的看成6种不同的模式，然后根据电压以及电流的相关计算公式，从而获得谐振的相关参数的值，然而这种方法所带来的影响是变压器的漏感减少了，所以有关的电容的分布就必须要考虑进去了。

1.2 串联谐振电感器设计

串联谐振的变换器中的对应的电感器作为一种频率很高的器件，在进行设计的过程中材料的选择通常是铁氧体磁芯，而且最常用的是EE型的，然而采用这种方式在满足了电源的需求后，磁通密度无法得到控制，从而随着磁通密度达到了一定的值后会引起磁芯的饱和，因此对电源造成了很大的负荷。

2 串联谐振电源电路设计

串联谐振在不同的谐振周期，等效电路是不一样的，分析时把一个开关周期分为六种模态，按照电压电流计算公式，得出谐振参数的值，但是这是在理想条件下得出的计算公式，仅仅减小了变压器漏感对电路的影响，因有高频变压器和整流桂堆的介入，分布电容的影响就不得不考虑，实际上已变为串并联谐振电路，所以在设计高频变压器时应尽量减小其分布电容。

在串联谐振电源电路设计中所选择的电源是220V的交流，而且电容选择的是10uf的，充电电压能够达到的最大值是3kV，当取充电的时间是200ms的时候，电源的效率是不小于0.8的，而且当电容的电压取值到最大值的时候，此时的功率的输出值是最大的。如果电网电压的波动范围是10%的时候，那么进线的电压的最小值为189V，而且电压的最大值是241V，通过滤波中的直流电压值范围是从281V到341V之间，通常电路中参数的选择是根据直流电压的最小值，而且变压器中的副绕组端的电压能够达到的最大值是3000V。

谐振电容可以选择是无感吸收的电容，其中选择的是STD系列的，而且电压的额定值确定为3000V，设置的电容的范围是在0.033mf的基础上以10%进行波动，该电容的选择主要是考虑到了电流以及频率的相关要求。

2.1 谐振电感设计

在整个串联谐振的电路设计中谐振电感对于电源是否能够成功安装起到了直接的影响作用。而且其中的磁性材料中所包括的主要是铁粉、金属、以及金属磁芯等。磁芯材料的选择通常是磁粉芯，由于在整个的变压器的谐振的过程中，由于磁芯所具有的磁通密度会不断地上升，所以会使得相比较于用铁氧体作为材料，磁粉芯的饱和度会更高些，而且与此同时散磁通相对而言会小些。考虑到工作频率的因素，所以本文选择的的磁芯是MPP，其气隙是呈现出分布式的，在大部分的磁芯材料中，其磁心的耗损也是最少的。

钼坡莫合金的范围为，在同样匣数的情况下，其电感量随着ur磁导率的升高而升高。当有直流分量流过时，磁粉芯材料的磁导率会随着直流偏置加大而不断的下降，ur越大的下降的越多。故可采用ur较小的磁芯，可选择相对磁导率为26的银坡莫磁芯。谐振电感计算值为307uh，而测得的变压器漏感为4uh，故磁环电感值应设计为303uh。

2.2 电源设计

当对重复的频率进行充电的时候，一般情况下的负载电容是不会存在全部放电的，用C1表示为负载电容，而用Uout表示充电电压，当放电后负载的电容的电压也就会相应地降低detaU1，如果将重复频率设为fr，而谐振的频率设为f，则谐振电容可以表示，而谐振电感的表达公式为：，从而当谐振电感以及电容电压确定后就能够进一步地确定谐振电流的最大值，以及电流的平均值，这些参数是电源器件选择的基础，其中的电源输出功率的最大值的表达公式为

相对应的也可以计算出平均的功率，平均功率是和detaU1有直接的联系的，当负载的电容电压保持一定的时候，可以将etaU1忽略为0，所以此时的平均功率和功率的最大值是一样的，当负载电容在放电的过程中是处于100%的状态的时候，可以将detaU1约等于Uout，此时的功率的平均值和输出功率的最大值是1/2的关系。

通常关于电容的充电形式一般情况下是分为两种，分别是恒流和恒压的。而恒流充电的实现通常是选择全桥串联谐振来实现。恒压的充电是以工频变压器为基础的，一般充电功率的限制是通过电阻的方式实现的，而且在充电中，电阻会耗损一部分的功率，其值达到了50%。全桥串联谐振的实现方式相比较于恒压充电实现的优势是体积小，而且效率很高，所以一般会把全桥串联谐振作为优先选择。全桥串联谐振充电电源中的组成单元包括：电容，脉冲变压器，谐振电感以及功率的相关器件。

2.3 电路设计

全桥串联谐振充电电源中的电源选择的是直流的，记为V，将S1到S4设置为逆变的开关，变压器是用TX表示，其中的整流桥标记为D1到D4。串联谐振充电电路图如图1所示。

图1 串联谐振充电电路图

在进行充电的时候，图中的开关S2和开关S4以及S3会进行相应的交换，最终完成开关的周期，而且一个开关周期对应的是二个谐振的周期，同时按照高压整流的二极管以及逆变的开关所形成的模式有四种。谐振电流波形如图2所示。

图2 谐振电流波形

在t1时刻之前，谐振电感电流经、以D1，D4相反的方向流动，使Q1、Q4两端电压为0，在t1时刻开通Q1、Q4实现了零电压零电流开通。在t2时刻、开通Q1、Q4硬关断，关断电流很大，随后电流经D2、D3流动，造成损耗太大。

通过以上分析可以看出断续模式工作在软开关状态，开通关断均实现了低损耗，当负载短路时，正半周期的谐振电流可以通过续流二极管在负半周期全部返回电源，故具有很好的抗负载短路的能力。

3 脉冲变压器设计

在进行脉冲变压器的设计的过程中应该对参数进行全面的考虑，本文的脉冲变压器设计所涉及的参数主要包括了功率，以及漏感和耐压等。同时变压器的电压初始值选择的是1.2kV，而电压的次级输出值能够达到36kV，所以脉冲变压器设计中的变比在此设置的是等于30。

当进行充电的时候，作为变阻抗负载，负载的电容会随着充电过程中的电压值的不断增大 而会使得阻抗也对应的减少，所以当进行到充电的结尾的时候，变压器的值就会达到了最大的值。考虑到负载的阻抗会时刻发生改变，所以要想得到精确的漏感值以及电感值存在一定的难度，在全桥串联谐振充电电路中，通常会用L4表示励磁电感，而L3代表的是经过折算之后的次级漏感，折算后的值与次级的值是1/n2的关系，其中进行折算之后的负载的电容是用C4表示的，而且该值是等于n2，其中的n取值是等于30。

谐振的频率的决定因素通过总结主要包括了电容和谐振电感，而且脉冲变压器中的重要参数是励磁电感，散热系统的性能决定因素与脉冲功率的最大值以及平均功率是有着直接的联系的，本文介绍了谐振充电电源的现状以及介绍了串联谐振充电电源的设计。主要包括了谐振电感设计以及电源的设计。

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