2010年增刊
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高压电容器充电电源的研制
李振超 宋耀东 陈启明
（中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州 450005）
摘要 为了满足电磁轨道发射系统中高压脉冲电容器组的快速充电需求，研制了一台采用串联谐振电路的高频-高压电容器充电电源。该电源的输出电压15kV ，谐振频率32kHz ，平均充电功率为15kJ/s 。介绍了其工作原理，并进行了设计实现和仿真分析。实测数据，波形与设计指标一致。实验证明该电源在小型化，可靠性等方面，满足设计指标和实验要求。些字组词
关键词：电容器充电电源；串联谐振；脉冲功率；软开关
Development of High Voltage Capacitor Charging Power Supply
Li Zhenchao Song Yaodong Chen Qiming
（The 27th Rearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Zhengzhou 450005）
Abstract To meet the requirements of fast charging for capacitors of the electromagnetic rail launching system, a ries-resonant high-frequency high-voltage capacitor charging power supply (output voltage is 15kV, ries-resonant frequency is 32kHz and output power is 15kJ/s) is developed. This Paper introduces the work principle, then designing and simulating the circuit. The data and waveform can be accord with design guidelines. Experimentation validates that the power supply achieves the requirements of design and experiment in the aspects of miniaturization and reliability ．
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Key words ：capacitor charging power supply ；ries resonant ；pul power ；soft switching
1 引言
近年来，电容储能型脉冲成形网络（PFN ：Pul
Forming Network ）被广泛应用于电磁发射、高能微波、激光核聚变、MARX 发生器、强粒子束等领
域，高压电容器充电电源(CCPS ：Capacitor Charging Power Supply)研究也取得了很大的进展[1]。 目前，美国MAXWELL 实验室为其0.5MJ 脉冲功率系统研制的MAXWELL CCDS612高频串联谐振恒流充电电源，输入三相415V/50Hz 交流电，工作频率为50kHz ，采用脉宽调制（PWM ）控制，充电速率为6kJ/s ，充电时间为80s ；德国研制的70kW/24kV 高压电容器充电电源，主电路为高频串联谐振逆变拓扑结构，采用快速IGBT 开关，其充电速率为25kJ/s [2]；韩国研制的三相串联谐振软开关充电电源，其充电速率可达到35kJ/s [3]。 在目前研制的电磁轨道发射系统中，主要采用
高压脉冲电容器组储能、放电，因此我们基于高压
写父爱的作文脉冲电容器的充电应用需求，仿真、设计、研制了一台软开关高压电容器充电电源，具有抗负载短路、
恒流充电、体积小、控制简单等优点。
2 电路原理及工作特性
串联谐振逆变电路原理如图1所示。V in 为直流电源，VT 1~VT 4为IGBT 开关，L r 为谐振电感，C r 为谐振电容，C 0为被充电高压电容，T 为高压脉冲
变压器， D 1~D 4为高压整流二极管。在充电过程中，两组IGBT 开关VT 1和VT 4， VT 2和VT 3交替
导通，完成一个开关周期，包括两个谐振周期[4]。 根据开关频率f s 与谐振频率f 0比值不同，串联谐振开关电源工作模式不同。我们采用了谐振电流断续工作模式（DCM ：Discontinuous Conduction Mode ），及0/2s f f <；时，谐振电流及输出电流波形如图2所示。这种模式下谐振电流正弦化，具有零电流开通和关断的软开关特性，开关损耗大大降低；
当负载短路时，谐振电流的正半周期可以经过负半周期全部返回电源，因此具有抗负载短路能力[5]。此模式下平均输出电流0s in r 8I f V C =，在V in 、L r 、C r
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和f s 恒定的情况下，电源具有恒流输出特性，且效率最高，是高压脉冲电容器充电的理想选择[6]。
图 1 串联谐振逆变电路原理图
图 2 DCM 模式谐振电流及充电电流波形
3 设计及实现
3.1 结构组成及控制设计
该电源结构主要由三相整流滤波电路、串联谐振逆变电路、高压脉冲变压器、脉冲整流电路、控制模块、电流、电压监测及采集模块等组成，整体结构如图3所示。K 1为紧急开关，K 2为软起动开关，Z 1为三相整流模块，Z 2为高压脉冲整流模块，L 1、C 1为滤波电感及电容，L r 、C r 为谐振电感及电容，R 1、R 2为分压电阻，T 为高频脉冲变压器，C 0为高压电容器。
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图 3 高压充电电源结构图
电源初级输入为380V/50Hz 三相交流电，三相
整流模块为德国IXYS 的VUO 190-16NO7整流桥（耐压1600V/通流248A ）；考虑到谐振回路电流较大，设计了可以提高功率因数的LC 滤波电路[7]；主电路拓扑结构采用全桥串联谐振逆变电路；该电源
的PWM 信号由Motorola 公司的谐振控制芯片MC33066供给，PWM 信号经过M57962AL 芯片整形后驱动IGBT 开关。流程控制采用了Omron 公司的逻辑可编程器件（PLC:Program Logic Control ），型号为SYSMAC CPM2AH ，通过光电转换、光纤传输、RS-232C 端口与工控机进行通信。工作时两组IGBT 开关设置为180度互补导通及关断，同一桥臂上的开关设置了死区时间用来防止直通。当电压达到设定值时，控制电路自动切断开关驱动信号，停止充电。 3.2 谐振回路参数设计
电源负载为4个1000µF 高压电容器组，最高充电电压15kV ，总储能450kJ ，充电电流平均值为2A ，充电时间约30s ，电源效率0.8η≥。
电源的平均功率为/15kW P E t ==。最大功率在充电最后时刻，为max 15kV 2A =30kW P =×。电源效率为0.8，则三相交流电源进线功率为in (max)30kW/0.837.5kW P ==，进线电流约为
in 57A I ==，因此，紧急开关K 1和软启动交流接触器K 2的通流能力必须大于57A 。三相整流桥和滤波电感L 1的电流有效值必须大于eff 37.5kW/500V=75A I =。滤波电容C 1选取2只额定电压400V 、容量1000µF 的电解电容串联即可。
七年级历史下册变压器的变比为15kV/500V 30n ==，充电电流为2A 时，则变压器初级平均电流为12A 30=60A I =×。则充电开始谐振电流峰值为p 1in 0π 1.57//2I V I Z === 60A=94.2A ×。当充电快结束时，谐振电流峰值约为两倍的I p ，因此IGBT 开关、谐振电感L r 、谐振电容C r 以及变压器初级绕组的通流能力至少大于200A 。
IGBT 开关频率设为15kHz ，采用DCM 模式（s 0/2f f <），则回路谐振频率取32kHz 。初始谐振电流峰值取p 100A =I ，电压in 500V V =，谐振负载为Z 0，谐振回路公式为[8]
0in p Z V I == （1）
012f = （2）
由公式（1）（2）可得谐振电感L r 和谐振电容C r 的值为
r 25μH L = r 1μF C =
谐振电感L r 的值较小，用足够粗的漆包线绕制成空心线圈即可；谐振电容C r 采用20只金属化膜电容，型号为941C12P22K （0.22µF/1200VDC ），两只串联为一路，然后十路并联组成。 3.3 IGBT 及驱动电路
大功率IGBT 开关，具有开关速度快、频率高，
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驱动控制简单，损耗较低等优点，被广泛应用于串联谐振充电电源[9]。本电源全桥谐振软开关采用了两只SEMIKRON 公司的SKM 400GB 125D ，为耐压1200V 、电流400A 的双IGBT 模块，其内部电路原理和模块外形如图4所示。在每个IGBT 模块两端并联了一个1.5µF/1200V 的金属化膜电容，用来缓冲和吸收因IGBT 快速关断而产生的尖峰电压，防止开关被击穿。
IGBT 驱动电路采用MITSUBISHI 的专用驱动模块M 57962AL 。该模块具有绝缘强度高（2500V AC/ min ）、过流过压检测电路、采用双电源驱动保证IGBT 可靠通断、驱动功率大（可驱动600A/600V 或400A/1200V IGBT 模块）等优点。
图4 SKM 400GB 125D 内部电路及外形图
3.4 高频脉冲变压器
高频脉冲变压器是高压充电电源的关键部分，设计制造时应尽量减小它的漏感和寄生电容，否则将影响脉冲变压器的转换性能。铁芯一般用高磁导率、高电阻率及低矫顽力的非晶态软磁合金或者软磁铁氧体材料制成。经比较后，采用了电阻率高、涡流损耗小的铁基非晶磁芯，其峰值磁通密度1T B Δ=，磁心有效橫截面积2c 400mm A =，根据经典的变压器设计公式[8]
1in p c /N V t BA =Δ （3）
计算可得变压器初级线圈匝数N 1为20，变比30n =，则副边匝数N 2为600。t p 为开关的脉冲宽度16.5µs ，V in 为输入直流电压500V 。
考虑直流损耗、电流趋肤效应和邻近效应及导线电流密度一般取4.5A/mm 2等因素，初级线圈导线直径或者铜带厚度具有最优化设计，直径太大或者太小
均会使传输效率降低。因此初级线圈采用多股高频铜导线（总直径6mm φ=）加绝缘薄膜单层绕制而成，次级线圈用四个线圈并排结构；这种设计有效减小了漏感及趋肤效应。由于输出电压比较高，为了提高绝缘性能，绕制后用环氧树脂灌封。如图5所示。
图5 高压脉冲变压器
4 Pspice 仿真及分析
4.1 建立仿真模型
采用Cadence OrCAD Relea10.5电路仿真软 件，选择500V 直流电源，用VPULSE 作为IGBT 的驱动，负载电容取4000µF ；线形变压器变比30n =、耦合系数设为1；谐振电感取25µH ，谐振电容为1µF ；开关频率设置为15kHz ，脉宽为16.5µs ，死区时间为IGBT 关断时间的2倍。 4.2 仿真结果及分析
运行仿真软件，得到充电初始阶段谐振电流及输出电压波形如图6所示，回路谐振电流峰值为100A ，谐振周期为33.3µs 。充电电流及电压如图7所示，输出电流的平均值为2A ，电源输出电压呈线性增加，即“等台阶”充电，仿真波形符合初始设计要求。
由于负载电容值比较大，充电的仿真计算时间比较长，为此截取了0~35ms 的谐振电流、充电电压波形如图8所示。由图可看出，谐振电流峰值恒定不变（为100A ），35ms 时负载电容电压为15V ，根据充电电压的“等台阶”增加的规律，可推算出负载电容电压大约在35s 时能达到15kV 。
图 6 充电初始时谐振电流、电压波形
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图7 负载电容的充电电流、电压波形
图8 0~35ms 电流、电压波形
5 实验研究
基于上述理论分析、参数设计和仿真分析，研制了一台高压充电电源样机如图9所示。采用PWM 控制方式，IGBT 驱动电压脉宽为16.5µs ，最小开关周期为66µs ，串联谐振参数与设计值相同，负载为4000µF 脉冲电容器组，并进行了充电实验。
图9 高压充电电源机箱
示波器采集的初始阶段谐振电流波形如图10所示，谐振电流峰值约为100A ，谐振周期为33µs ，考虑谐振逆变电路和变压器损耗后，实验测量值与仿真设计值基本一致。
resonant current 33A/div 50s/div
μ
图10 充电初始阶段谐振电流波形
在充电过程中，用示波器和Tektronix P6015A 高压探针得到完整的谐振电流及充电电压波形如图11所示，从图中可以看出，电容器组电压达到15kV 时充电时间为36s ；充电电压呈线性增加，谐振电流值随着输出电压的升高而稍增大，但在整个充电过程中变化不大，符合设计和实验要求。
resonant current 100A/div charging voltage 3kV/div
5s/div
图11 完整谐振电流及充电电压波形
6 结论
本文对串联谐振软开关高压充电电源进行了理论分析，对主电路谐振参数、恒流控制、IGBT 驱动及保护电路、高压脉冲变压器进行了初步设计，然后利用Pspice 软件进行电路仿真分析，研制了一台电源样机，进行了充电实验，证明了该电源可靠性高、具有恒流输出特性等优点，能满足高压脉冲电容器恒流充电的需求。
（下转第72页）
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3V ，系统能量转化效率不到80%等。但这些完全可以通过大量超级电容器的串并联来解决。由于单个超级电容器的能量、重量和体积等参数可以根据需要来灵活订制，在考虑总输出功率和总电压的前提下，整个超级电容储能系统的能量、重量和体积能够在相当大的程度上得到优化，从而满足电磁轨道炮的发射需要。
6 结论
舰载电磁轨道炮系统PPS 今后的发展趋势是：吸收、储存与释放能量迅速高效，整体重量轻、体积小，脉冲过程易于控制，安全稳定性高等。相比较而言，在现阶段超级电容储能系统各项指标、参数均能基本适应这一发展趋势的需要，理论可行性更高，且没有十分致命的技术缺陷。可以预见，随着超级电容储能系统集成能力的不断提高，基于该储能系统的PPS 必然会在电磁轨道炮设计和研制系统中占有重要地位，并推动电磁发射技术的发展。
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（上接第69页）
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