串联谐振式快速充电电源的研究

易春回

（桂林信息科技学院，广西桂林，541004）

0 引言

目前，脉冲电源使用最广泛的是脉冲电容器型电源，因为脉冲电容器型电源具有结构简单、操作方便、易于扩展和维护性强等优点。随着脉冲功率技术的深入发展和更加广泛的应用，选取合适的方案来研究适用于高电压场景下的电容器充电电源就显得尤为重要。与一般形式的直流电源不同，这一类充电电源的负载一般是电容值较大、额定电压较高的电容器。充电电源的工作过程：对脉冲电容器进行充电，使其电压从零开始充到额定电压的过程。脉冲电容器两端的电压值变化的范围比较大，这就要求充电电源在相对宽的负载范围内，具有较好的电路特性。

1 总体方案设计

1.1 充电电源主电路设计

充电电源主电路设计如图1所示。

图1 充电电源主电路

该电路主要由5个部分组成：单相整流电路、全桥逆变电路、串联谐振电路、高频升压电路和高压整流电路。

（1）单相整流电路：由D11、D13桥臂和D12、D14桥臂的4个不可控二极管组成，它将交流市电转变为直流电，电路简单、可靠和成本低。

（2）全桥逆变电路：由S1、S3桥臂和S2、S4桥臂的4个开关管，以及与开关管并联的4个续流二极管D1～D4组成，这部分电路将单相整流电路输出的直流电转变为高频交流电。其开关管工作在高频状态，可以有效减小变压器的重量与体积。

（3）串联谐振电路：由Cr和Lr组成串联谐振电路。

（4）高频升压电路：T为高频升压变压器，它将全桥逆变电路输出的高频低压交流电转变为高频高压交流电，同时还能对低压与高压部分起到电气隔离的作用。

（5）高压整流电路：高压整流桥由D7、D9桥臂和D8、D10桥臂的4个不可控二极管组成，将高频升压电路输出的高频高压交流电转变为直流电，给脉冲电容器C3充电。

充电电源主要技术参数如表1所示。

表1 充电电源主要技术参数

1.2 单相整流电路选取原则

设高压侧脉冲电容为C，脉冲电容的充电时间为t，最大充电电压为U，采用恒流充电，则脉冲电容充电量Q和充电电流Id计算公式如下：

充电完成时，充电电源最大功率Pmax计算公式为：

考虑到充电损耗以及一定的裕量，可认为取充电电源的变换效率为80%，则充电电源进线端的功率为1.25Pmax。由单相交流市电，经过整流二极管(D11～D14)和大电容C1滤波稳压后，母线电压的平均值Ua约为300V，则充电电源进线端电流的有效值Ia计算公式为：

1.3 高频变压器选取原则

高频变压器是充电电源的重要组成部分，它性能好坏不仅影响高频变压器本身的效率、噪音和发热等问题，还会影响整个电源的可靠性与安全性，所以对其材料选择、制作工艺等都必须有严格的要求，才能保证高频变压器的性能。

高频变压器要求：初级漏感要求小于10μH，初级分布电容与漏感都要小，副级电容折算到初级要求小于10μF。高频变压器在额定工况下无明显震动，噪声要尽可能小。

1.4 谐振电路选取原则

（1）对谐振电容Cr的最小耐压和最小耐流，以及额定频率都有要求。

（2）由于高频变压器存在漏感，所以在选取谐振电感值应高频变压器存在漏感去掉。另外，为了降低谐振电路损耗，以及减少谐振电感中的环流，谐振电感应尽量选择大一些。

2 控制电路设计

控制电路如图2所示，主要包括4个部分：电压检测电路、信号调理电路、IGBT缓冲电路和串口通讯电路。

图2 控制电路

2.1 电压检测电路设计

电压检测电路如图3所示。

图3 电压检测电路

（1）脉冲电容电压检测

脉冲电容电压检测可以采用霍尔电压传感器。霍尔电压传感器工作原理：其将原边电压信号V1经过原边电阻R后，转变为原边电流信号I1，原边电流I1产生的磁通量与副边电流I2产生的磁通量相平衡，这样原边电压的变化就能通过副边电流I2的变化精确、快速地反映出来。

本文设计的充电电源最高充电电压为3kV，霍尔电压传感器的测量范围可以满足这种测量要求。另外，霍尔电压传感器制作成本相对较低，反应迅速，所以脉冲电容的电压可以选择霍尔电压传感器来测量。

（2）母线电压检测

母线电压检测采用CLSM系列霍尔电压传感器，其抗干扰能力和过载能力强，精度高、响应速度快，适用于交直流和各种不规则波形的测量。

对霍尔电压传感器采集的数据进行处理后，可以直接送到DSP控制器的ADC模块。DSP控制器的ADC模块具有多个模拟输入通道，其模拟输入电压范围0～+3V；其具有灵活的中断控制，可以在每次排序结束后产生中断，对输入的模拟数据具有快速的处理功能。

2.2 信号调理电路

信号调理电路把来自传感器的模拟信号经过处理后，送到DSP控制器的ADC模块，用于控制过程、执行计算和显示等。传感器可测量很多物理量，如电压、电流等，但是传感器信号不能直接送到DSP控制器，因为传感器输出信号是相当小的电压或电流信号。因此，传感器输出信号在送到DSP控制器之前必须进行调理。

信号调理电路如图4所示，该电路是使用LF444运算放大器设计的电压跟随电路。来自传感器的模拟电流信号经过采样电阻R1转换后，形成电压信号Uin。Uin经过RC滤波后，送到LF444运算放大器，最后经过D0限幅保护形成输出信号Uout。

图4 信号调理电路

2.3 IGBT缓冲电路设计

在IGBT构成的逆变电路中，由于存在杂散电感与电容，IGBT会承受较高浪涌电压。主要原因：

（1）当IGBT关断时，由于杂散电感的存在，杂散电感会诱发较高的冲击电压，这样IGBT在关断时就会承受很大的浪涌电压。

（2）在续流二极管反向恢复时，IGBT两端电压也会突然升高，此时在IGBT也会承受浪涌电压的冲击。

由于浪涌电压的存在，会使得IGBT开关损耗增加、温度升高，最终可能造成IGBT损坏。为提高IGBT工作的安全性和可靠性，需要增加缓冲电路来保护IGBT。

缓冲电路如图5所示，由1个大功率电阻与1个快速恢复二极管组成。大功率电阻用来消耗电容的能量，快速恢复二极管用来抑制杂散电感和电容产生的振荡问题。这样能够很好的抑制浪涌电压对IGBT的影响，并且缓冲电路分别由两个IGBT在不同的周期内使用，节约了成本。

本充电电源的功率不大，开关频率也不高，采用图5的缓冲电路就可以对IGBT起到保护作用。

图5 IGBT缓冲电路

2.4 串口通讯电路设计

串口通讯电路采用MAX系列串口通讯芯片进行设计，如图6所示。

图6 串口通讯电路

串口通讯电路能够完成与上位机和DSP控制器的通讯。DSP控制器的串口通讯模块（SCI）采用异步串行通讯模式，可以实现数据的同时发送和接收。它支持16级的收发FIFO，可以降低串口通讯时CPU的开销。SCI模块的通讯速率，可以通过编程配置来实现。其收发数据的方式可以采用查询或者中断的方式。另外，SCI模块的接收器与发送器可以采用双级缓冲模式。

3 高压侧电路设计

高压侧整流桥的选取，需要考虑到耐电流等级与耐压等级，以及留出足够的安全裕量，故选取可以选取QLG整流桥。高压侧电路如图7所示。

图7 高压侧电路

D7～D9选用QLG整流桥，Relay1、Relay2选用高压真空继电器。Rn并联在脉冲电容器两端，选用兆欧级的电阻，其作用：当系统出现故障或者某种人为原因导致脉冲电容器C3无法放电时，脉冲电容器C3中的能量可以通过Rn缓慢释放掉。

在放电过程中，脉冲电容器可能会产生反向电压，该反向电压施加到QLG整流桥上，容易造成脉冲电容器与整流桥损坏。图7中，电阻R21、R22与二极管D组成T型回路，用于限制反向电流的大小和流经途径，保护脉冲电容器与整流桥。为了减小在充电过程中R21、R22上的压降和损耗，R21、R22要尽量的小。另外，反并联二极管D必须具有较大的通流能力和快速恢复能力。

4 谐振电路仿真分析

使用仿真软件对串联谐振电路进行了仿真分析，仿真软件具有强大的电路图绘制功能、元器件符号制作功能和电路模拟仿真功能等，能够自动进行电路检查，计算与模拟电路。

对串联谐振电路进行了仿真分析可以验证充电电源设计的正确性，提高电路设计的安全性、可靠性和正确性。

如图8所示的串联谐振仿真电路，单相市电经整流和LC滤波后变换为Vd的直流电压源，C3为脉冲电容，Lr为谐振电感 ，Cr为谐振电容。

图8 串联谐振仿真电路

串联谐振电路仿真得到的充电电压和谐振电流的波形，如图9所示。

图9 充电电压和谐振电流波形

从图9可以看出，充电过程主要分为2个阶段：

（1）线性充电阶段：在充电起始阶段时，充电电压是线性增加。

（2）非线性充电阶段：经过一段时间后，由于谐振电流的反相续流电流趋近于零，进入非线性充电过程。

由此可见，仿真结果和理论设计是相符的，设计方案是可行的。另外，由于理论设计只是分析了串联谐振的情况，没有考虑高频变压器和整流二极管的分布参数。实际电路中，由于高频变压器和整流二极管存在比较大的分布参数，使得实际工作方式为串并联谐振方式，对谐振电流与充电电压都有较大的影响。

5 结束语

本文对快速充电电源的主电路和控制电路进行了分析和设计，完成主要元器件的选型设计。最后，使用仿真软件对串联谐振电路进行了仿真，验证理论分析和参数设计的正确性，提高了电路设计的安全性和可靠性，减小了充电电源的体积，提高了充电效率和充电速度。