一种用于高压脉冲电容实验平台的充电电源模块设计

韩 笑，刘光亚



一种用于高压脉冲电容实验平台的充电电源模块设计

韩 笑，刘光亚

（中建三局集团有限公司，武汉 430000）

本文是对一种用于高压脉冲电容实验平台的充电电源模块的设计进行论述。主要介绍该充电模块在高压脉冲电容实验平台中的功能、作用、技术要求。论述了充电模块中交流变换单元的电路，对高频变换单元的功能实现进行了阐述。

高压脉冲电容 充电电源 交流变换

0 引言

众所周知，高压储能脉冲电容器是广泛应用于航空、电力工业的高峰值电流装置，用途特殊，能够为高耗能行业提供动力。

在国外，电容储能型脉冲技术被广泛用于电磁发射、高能微波、激光核聚变、强粒子束等领域。美国MAXWELL实验室进行了0.5MJ脉冲功率系统的研究。德国研制的70 kW/24 kV高压电容器充电电源，韩国研制的三相串联谐振软开关充电电源，都在相关领域得到了应用。

得益于脉冲电容器在多个行业的普遍应用，以及设计技术上的提升，这也为脉冲功率技术在各行业的推广打下了坚实的基础。例如，消毒、处理材料面、切割岩石、保鲜、微波、激光等1]。

脉冲功率技术应用中高压脉冲电容器多工作在重复频率下，充放电的反复性会损害电动力，且会造成大量的能量损失。所以，要提高绝缘性能，必须严格控制充放电运行的频率。如果能够顺利的延长电容器使用期限，则同时可提供更低电感、更高比能、更长使用时间的装置，为工业运行提供动力[2]。

如果电容量出现了5%的下降幅度，则可认为高压脉冲电容器失效，重复充放电模块对该类高压脉冲实验平台十分关键[3]。

本文设计了一种用于此类实验平台的充电电源主回路及平台放电回路。依托恒流充电技术研制的充电板块性能有了大幅度提升。在提前确定了实验参数后，便可以在不同频率、电压环境开展各电容量电容器的参数测验。

1 高压脉冲电容实验平台的模块论述及充电控制系统位置示意

图1高压脉冲电容实验平台系统架构

1.1 平台系统架构

图1为高压脉冲电容使用时长的实验装置图。电流、电压信号在同检测单元连接后，会将数据传输到控制系统。之后，被测试装置的充放电情况将被及时的掌控，并随时做出调节。

外围电路、DSP为控制系统关键组件，功能是检测、计算电流电压信号输出值，生成启动信号，下达外部控制指令，发送数据，控制恒流充电，监测实验平台[4]。

1.2 电容器充电方式的选择

在充电形式上，可根据不同情况选择恒流、恒压充电。如果采取恒压充电，则在到达时间常数3倍时，设计电压同实际电压靠近，趋于相同。此时，处于耐压环节，绝缘材料处于面临的压力更多。此种充电形式会导致电容器使用期的缩减，难以得出客观的结果。如果采用恒流形式充电，则将会出现电压线性上升的情况，不会对装置构成压力。

图2电容器试品u-t曲线图

2 充电电源模块的主要设计

2.1 充电机的主要任务

1)实现对试品电容器的充电；

2)实现充电后的电压保持；

3)实现对试品电容器的实时电压检测；

4)实现对三相交流电和充电过程的状态检测、报警和保护；

5)实现满足上位机通信控制的接口。

2.2 充电机的主要参数设计

图3为充电模块主电路图。在从不控整流通过之后，380 V市电会从IGBT、谐振电感等流过，并出现高频方波电压状态。最终流入电容器的市电还经过了升压、高压硅堆整流环节[4,5]。

图3 充电电源模块主电路

对于D而言，其传输能量的方向受限，这避免了第二振荡周期的产生，进而实现了振荡的去除。当升压整流处理了由谐振电路而来的能量之后，储能电容便会得到该能量。可见，能量在传输时的损耗概率比较少，这为辐射噪声电平的控制提供了可能。

如果开关元件、变压器各项设置正确无误，则可出现4种变换器电路运行方式。在图4，展示了等效电路，为第1形式。在该图中，导通S2,S4,IR保持为正。CL’是变压器上的储能电容初级值，在储能电容返回初级回路时，出现的初始电压是3(0)。

充电电流为：

（1）

上式，起始、结束时间是0,x,0是特性阻抗，算式为0=/eq；0为谐振频率，0=1/eq。

串联C,CL’后，得到wq。将变压器匝数比平方同CL相乘，便得到CL’。如果出现高压输出环境，那么CL’>C。可见，C对电容值有着直接的影响。

图4 第一种模式的等效电路

2.3 充电模块在实验平台上的谐振参数仿真

如果电压能够在较大幅度的电容量环境出现线性增长，也能够发挥电压保持功能，则将有助于装置的使用期限的延长。对充电时电压的增长率的控制方法主要为定频调宽法，即IGBT导通脉宽的控制是由电压信号实现的。为了完成定频调宽目标的发挥，引入了TMS320F240处理器。因为外设了片内集成，这对外围元件的减少有着很大的帮助。在处理复杂算法时，该处理器也能够依托数字控制、信号处理上的优势提前、高质量完成[1],[6,7]。

仿真后，设置各项参数值：谐振电容与电感为3.5mH, 200mH负载样品100，谐振频率6 kHz，导通脉宽10ms，开关频率20 kHz，杂散电感为10ms[8]。图5为电容器电压、谐振电流波形。

2.4 T型放电保护回路的设计

放电过程中，充放电回路应当由接触器实现断接，这能够避免电源模块在放电的情况下出现损坏。充电装置运行时间长，按照6 s设计充放电周期，并在10 h内进行6000次试验。就接触器而言，最高使用次数达数十万此。可见，应当在充电回路连接的情况下放电。考虑到整流二极管、充电机在放电时不受影响，充电机与电容器的连接采用图3中的T型放电保护回路。

放电过程中，充放电回路应当由接触器实现断接，这能够避免电源模块在放电的情况下出现损坏。充电装置运行时间长，按照6 s设计充放电周期，并在10 h内进行6000次试验。就接触器而言，最高使用次数达数十万此。可见，应当在充电回路连接的情况下放电。考虑到整流二极管、充电机在放电时不受影响，要设计保护回路。

采用ATP软件对放电回路进行模拟计算，T型保护回路中充电电阻R1取20 Ω、100 W，吸能电阻R2取100 Ω、1 kW，实际回路中采用5个500 Ω、200 W的功率电阻并联等效。

2.5 电压保持功能的设计

为了保持电压，可以从两个方面入手。首先，当完成了目标电压的充电任务，并处于了电压保持环节。此时，按照最小脉宽的方式运行；第二，当完成了目标电压的充电任务后，关机。在特定的时间周期对电压进行检测。如果发现电压出现明显的下降，则要充电。

对于前者方法而言，如果电源有恒定负载，则可以采用。也就是说，变动的负载环境是不能应用的。在小负载容量条件下，即使是最小脉宽的运行条件，也将增加电压。这时，要同MW级泄漏电阻并联；如果出现了高负载容量，那么电压波纹会因泄漏电阻的并联而出现提高的情况。

考虑到本文设计的实验平台其电容器样品电容量有一定的变化范围，停机定期检测方案可被采用。具体做法是，在完成了充电目标后，对电压的检测间隔确定为0.5 s。在出现小于30 V电压情况下，及时的开机。在这种电压保持方式下当电容器的电压下降较慢时，充电机停机后不再动作，而当电压下降较快时，则会每隔0.5 s补充电压一次。

在充电模块再次运行后，副方存在高压状态，则变压器容易饱和而导致电流急剧增大。正因如此，笔者进行了并联设计，即将保护回路（D2高压二极管、RC1泄漏电阻、C1小容量高压电容）同副方并联，如图3所示。C1取0.2μF/20 kV，RC1取500Ω/500 W，则该回路的时间常数=1*1=0.1 s。0.5 s之内，检测发现目标位置出现0 V电压。可见，变压器饱和被控制。（见图6）

图6 防止变压器饱和回路电路

2.6 放电回路简述

放电回路的电路如图1中所示，试品电容器的容量为1～100 μF，1～10 kV的试验电压。能够调节电阻、电感，进而完成放电电流的改动。半导体与火花开关、TVS设置于脉冲回路[9]晶闸管使用时间长，能够独立运行，不占空间，各项参数稳定，在脉冲功率器件得到了广泛的使用[10,11]。

3 充电电源模块的主要功能和技术指标

3.1 充电电压控制功能

对充电电压进行实时检测，并借助内部程序软件，保持电压增量恒定，从而实现恒流充电；实时检测充电电压，当电容电压达到设置电压则停止充电。

3.2 三相交流检测功能

充电机自动检测机柜的三相交流输入电源的状态，检测内容包括交流输入过压、交流输入过压，并将交流检测故障送给充电机。

3.3 充电故障报警功能

电压闪络：充电时，如果出现了电容器与高压回路被击穿，或者放电开关错误导通，都将降低储能电容电压。在故障被充电机发现后，会及时的自动关机。之后，上位机接收到故障信息。

过压充电：对于储能电容电压而言，需要被时刻的监控，在嵌入设计了硬、软件之后，充电机可实时对储能运行情况进行分析。如果出现超过10050 V的电压，则会发出过压报警信息，并关闭机器。此时，上位机也会接收相关的故障信息。

电容器短路：对于储能电容电压而言，需要被时刻的监控，在嵌入设计了硬、软件之后，可对短路情况有了解。当充电电压在0.5 s、1 s、2 s、3 s时，分别低于一定范围，也会及时的发出报警信息，并关闭机器。此时，上位机也会接收相关的故障信息。

充电过流：对于储能电容电压而言，需要被时刻的监控，在嵌入设计了硬、软件之后，可对充电过流情况有了解。在电流激增的情况下将停机，以保护电机。此时，上位机也会接收相关的故障信息。

直流母线过流：直流母线过流情况也会被充电机检测出。

4 充电电源模块各变换单元论述

4.1 交流变换单元

交流变换单元其功能为：充电机充电主回路供电，并为监测和控制系统提供交流220 V电源；对整流后的电压电流进行检测，并将信号传递给充电机接收监测控制继电器对接触器的控制。

4.2 DC/AC高频变换单元功能实现

1）变换功能

将交流变换单元提供的直流电通过高频IGBT变换成交流电，并通过LC串联谐振电路送出，提供给高频升压变压器进行升压整流后给试品电容器充电。

2）检测功能

检测预充电充电电流、充电电压、直流母线电流、直流母线电压，并对各个检测量进行软硬件判断，能够识别充电过压、充电过流、母线过压、母线欠压、母线过流、充电过程中的高压侧故障等信号。

3）保护功能

当检测到存在故障时，将自动停止充电，并自动断开主接触器。

4）通信功能

通过光纤与监测控制系统相连，接收监测控制系统的电压设置、启动充电、停止充电，并将充电过压、充电过流、母线过压、母线过流等故障上传给监测控制系统。

5 实验结果

5.1 .实验平台照片

通过搭建实验平台，选择了主要的功能参数进行实验，发现整个实验装置满足运行要求，可得出理想的结论。在这里，确定C值为30 µF，值是570 µH,值是6.8W。

5.2 电容器电压波形

给设置电压分别为1 kV、3 kV及6.7 kV时电容器上的电压波形，此时充电时间1=5 s，保持时间2=4 s，休息时间3=1 s。该电容器充电至6.7 kV时，放电回路电流波形如图9所示。

6 总结

本课题进行了充电模块的设计，期望能够成功的应用于高压脉冲电容，进行相关实验，在提前确定了实验参数后，便能够在不同频率、电压环境下对拥有各电容量的电容器进行参数检测。引入了晶闸管，延长了使用时间。该平台已累次工作超过1000 h，在实验的基础上验证了设计的可靠性。

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Design of Charging Power Module at Experiment Platform of High Voltage Pulse Capacitor

Han Xiao, Liu Guangya

(China Construction 3rd Bureau Group Co., Ltd, Wuhan 430064, China)

TM 89

A

1003-4862（2017）11-0060-05

2017-09-15

国家自然科学基金项目（61573002）

韩笑（1989-）, 男，工学学士。研究方向：电气工程。