邵建设1,2,严 萍1
(1.中国科学院电工研究所,北京100080;2.中国科学院研究生院,北京100080)
摘 要:为有效控制高压电容器高频恒流充电电源谐振变换电路的开关频率,研制了定频控制(占空比为50%,开关频率在整个充电过程中保持不变)的20kW高压电容器充电装置逆变电路开关电路。通过提出的充电电源电路的并联负载谐振(PL R)DC2DC变换电路的等效电路模型,研究了充电电源装置的恒流充电原理,找出了电容充电初始阶段谐振电流和开关频率的数值关系。实验研究结果表明,当谐振变换电路开关频率接近于等效电路固有谐振频率的奇数分之一时,产生较大的谐振电流;为了实现谐振变换电路开关器件的零电流开通和关断,开关频率的大小始终可控制在小于等效电路固有谐振频率的1/2的范围之内。
关键词:高压电容器;并联负载谐振变换电路;零电流开关;定频控制;充电电源
中图分类号:TM910.6文献标识码:A文章编号:100326520(2006)1120107204
Constant Switching Frequency Control of R esonant Converter of High Voltage
C apacitor Charging Pow er Supply
SHAO Jianshe1,2,YAN Ping1
(1.Instit ute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Science,Beijing100080,China;
2.Graduate School of Chinese Academy of Science,Beijing100080,China)
Abstract:Effectively controlling the switching frequency of the high f requency resonant converter of the high voltage capacitor charging power supply is one of the key technologies to realize the design and manufacture of the charging power supply.Constant switching f requency control method(duty ratio is fifty percent,and the resonant converter
’s switching f requency keep constant during the whole charging phase)is studied in the manufactured20kW high ca2 pacitor charging power supply.Because of the equivalent capacitor of the high frequency transformer can not be ig2 nored in the charging circuit,thus PL R DC2DC inverter is brought forward as the equivalent circuit model of the charging power supply.The operating principles of the constant charging are studied,and the numerical relations between the switching f requency of the resonant inverter and resonant circuit of the equivalent circuit of the charging power supply during the initial charging phase are found out.In order to reduce the switching loss,the inverter’s switching f requency is controlled below the half of the resonant f requency of the inverter’s output circuit during the whole charging period to realize zero current switching(ZCS).The simulation curve of RMS value of resonant cur2 rent VS switching f requency shows that at the point of one third,one fifth,one seventh,and so on of the resonant frequency,several current peaks appear,and also these current peaks gradually decrease at the reducing f requency point mentioned above.Simulation and experimental waveforms at a switching f requency below the half of the reso2 nant f requency shows that the switching components are working in a soft switching state,and in each half of the switching period there is a series of digressive current waveforms.These results show the rationality of the equiva2 lent circuit model(PL R DC2DC inverter)and the deduced numerical relations between the resonant current and switching f requency of the resonant inverter.
K ey w ords:high voltage capacitor;PL R circuit;ZCS;fixed switching f requency control;charging power supply
0 引 言
高压电容器高频恒流充电电源装置通过电路谐振的方法产生高频脉动的直流充电电流。大容量的高频谐振充电电源装置中,开关电路中开关器件的发热和损耗及其容量选择,成为必须考虑的重点。电容充电过程中,充电电源装置逆变电路交流侧等效电路的固有谐振频率随着高压电容器端电压的升高而逐渐增大[1]。若要实现恒流充电,同时实现逆变电路的软开关控制,降低开关损耗,就必须适当地控制逆变电路开关器件(IG B T)的开关频率。相关研究表明,高压电容器高频谐振充电电源的高频谐振变换器的开关电路采用定频控制(开关频率在整个充电过程中保持不变),在电容器充电初期具有较好的恒流特性,在充电后期谐振电流衰减较大;但控制电路相对简单,对于小容量高压电容器充电电压不高的场合仍很适用[2]。另外,对谐振变换电路开关频率和谐振电流大小的关系还缺乏研究[3211],有待于建立详细的电路模型来进行研究。
本文通过对研制出来的20kW高压电容器充
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第32卷第11期2006年 11月
高 电 压 技 术
High Voltage Engineering
Vol.32No.11
Nov. 2006图1 高压电容器高频谐振恒流充电电源电路
Fig.1 B lock diagram of high frequency series resonance constant charging pow er supply for high voltage capacitor
电装置逆变电路开关频率采取定频(占空比为50%)控制方法,研究了充电电源装置的充电原理,提出了高压电容器高频恒流充电电源电路的并联负载谐振(PL R)DC2DC变换电路的等效电路模型,找出了电容充电开始时刻的谐振电流和开关频率的数值对应关系,用于指导高压电容器高频充电电源电路的设计和制造。基于模型仿真和实验研究,提出了实现谐振变换器软开关控制的频率控制方法。
1 高压电容器高频充电电源电路原理分析
1.1 高压电容器充电电源系统结构
高频充电电源电路(原理框图见图1)由三相二极管整流电路、单相IG B T逆变器(IPM)、谐振回路、高频变压器、高压整流电路以及控制、保护电路组成。三相工频交流电压经三相整流电路整流输出500V直流电压,此直流电压经过高频谐振变换电路(由IG B T IPM逆变电路、L1、C1以及高频变压器的原边线圈串联而成)转换成高频交变电压,再经过高频变压器升压以及高压整流电路整流,输出一个脉动的直流电流给高压电容器组C充电。
1.2 高压电容器充电电源逆变电路恒流充电原理
IG B T逆变电路直流侧电路用一个等效直流电压源U d代替,i d为输出直流电流。设R2、L2、C2和R3、L3、C3分别为高频变压器低压侧和高压侧的等效电阻、等效漏感、等效电容;L1、C1、C分别为谐振电感、谐振电容、高压电容器电容;n为高频变压器高压侧对低压侧的变比;u1和i1分别为逆变电路交流侧输出电压和电流;u′C和i′C分别为负载电容端电压和电容电流归算到低压侧等效电容C′的端电压和电流;u′2和i′2分别为高频变压器高压侧输出电压和输出电流归算到变压器低压侧的电压和电流。将高频变压器高压侧的分布参数及负载电容等效到低压侧。因实际的高频高压变压器的原边线圈匝数相对副边线圈匝数很小,C2νC3,故可忽略C2。此时充电电路主回路可简化为一个并联负载谐振(PL R) DC2DC变换电路[12,13],等效电路见图2,其中:R= R2+R3/n2;L r=L1+L2+L3/n2;C r=C1;C T= n2C3;C′=n2C;u′C=u C/n2;i′C=n2i C
。
图2 高压电容器充电电源等效电路图
Fig.2 Equivalent circuit of high voltage capacitor
charging pow er supply
设f s为逆变电路的开关频率,f r为电路固有谐振频率,则并联负载谐振变换电路有3种工作方式[14216]:①f s 由此可选择方式①为高压电容器恒流充电电源f s的控制方式。实际的电容充电电路中,充电电源逆变电路交流侧等效电路的f r随着电容组端电压的升高而逐渐升高。电容组端电压越高,变压器励磁电流和二次侧分布电容对f r的影响越大。f s恒定时,谐振电流和电容器充电电流随着输出电压的升高而逐渐减小。但在电容充电的初始阶段,谐振 ・ 8 1 ・Nov.2006High Voltage Engineering Vol.32No.11 电流和电容器充电电流近似恒定。选取电路参数: U d =510V ,L r =36μH ,C r =0.75μF ,R =3Ω,C T =131μF ,C ′=0.μF ,n =80,仿真给10μF 高压电容器充电的过程(结果见图3) 。 图3 逆变电路定频控制下的仿真结果 Fig.3 Simulation results of the inverter at constant switching frequency 1.3 逆变电路谐振电流和开关频率的关系 在高压电容器充电的初始阶段,高压电容电压较低,高压电容在电路中可近似于短路,充电电流较大。电源电路中各种硬件电路的参数确定后,可通过控制逆变电路初始f s 的大小来启动电流。 图2中设逆变电路角频率ωs =2πf s ;k =2i -1。将u 1进行傅立叶分解: u 1=(4U d /π) ∑∞ i =1 ((1/k )sin (k ωs t ))。 (1) 第k (k =1,3,5,… )次谐波电压和谐波阻抗为u 1(k )=(4U d /k π)sin (k ωs t ),(2)Z (k )=R +j (k ωs L r -1/k ωs C r )。(3) 则谐振电流和谐振电流有效值为 i 1= 4U d π∑∞ i =1 1k | Z (k )| sin (k ωs t -θ(k )),(4) I 1= 4U d π ∑∞ i =1 (1/k R 2+(k ωs L r -1k ωs C r )2)2 ,(5) 其中θ (k )=arctan ((k ωs L r -1/k ωs C r )/R )。调整f s ,使谐振电路分别谐振于u 1的某一个奇次谐波上,即f s =f r /p (p =1,3,5,… ),而f r =1/2πL r C r ,则i 1中第p 次谐波电流最大,成为i 1的 主要成分。选取对应于图1的电路参数:U d = 510V ,L r =36μH ,C r =0.75μF ,R =1、2、3Ω,在电容器充电初始阶段数个开关周期内,可认为f r 不变,仿真f s 从0逐渐增大到f r 时I 1的大小随f s 的变化规律(结果见图4)。由图4可见,I 1的幅值大小总体上随着f s ( 5、 f r /7、f r /9处产生较大的I 1,其幅值随R 减小而增 大。当f r 偏离奇数倍的f s 较远时,I 1显著减小。 图4 逆变器输出谐振电流有效值随开关频率的变化图 Fig.4 RMS value of output resonant current of inverter vs switching frequency IG B T 的电流容量一旦确定,就可据式(5)确定I 1,利用所测谐振电路的电路等效参数(U d 、R 、L r 、C r 等),就可近似求出f s 。反过来,已知电路等效参 数和将要用的f s 后,就可据式(5)近似估算出I 1,从 I 1的大小可确定将要用的f s 是否会使开关器件因过流而损坏,从而判断f s 是否选择适当。 图1中变压器低压侧最小平均电流为0.6×80=48(A )。实际电源电路留有2～3倍的安全余量,IG B T 的电流容量可选为200A 。由图4中R =3Ω的I 1曲线可见,f s <20k Hz 时,I 1的最大值约100A (<200A ),故I 1不会超过IG B T 的电流容量。2 逆变电路定频控制的电路仿真和实验结果 在高压电容器充电电源的研制过程中,采取定 频控制(频率开环控制),研究逆变电路的不同控制方法的恒流充电效果。逆变器直流侧输入电压为200V 。逆变电路开关电路采取定频控制(占空比均为50%),f s 保持在15k Hz ( (b )为触发脉冲波形,(c )、(d )为开关电路触发脉冲u g 波形和输出电流i 1经电流检测电路全波整流后的电流i ′1的波形。3 结 论 实际的高压电容器高频充电电源电路中,高频 升压变压器二次侧分布电容对谐振电路的工作的影响不可忽略,电源主回路可简化为一个并联负载谐振(PL R )DC 2DC 变换电路模型。 逆变电路开关频率为电路固有频率的奇数分之一时,即谐振电路谐振于逆变电路奇次谐波电压时,谐振电流较大。开关频率偏离奇数分之一的固有谐振频率时,谐振电流急剧减小。由此可判断在一定开关频率下,开关器件电流容量是否满足要求。 对研制中的高压电容器高频充电电源装置的逆 ・ 901・ 2006年11月高 电 压 技 术第32卷第11期 switching frequency15kH z 图6 逆变电路开关频率固定为15kH z时的实验波形Fig.6 Experimental w aveforms at constant switching frequency15kH z 变电路采取定宽定频(占空比为50%)控制,在电容充电的初始阶段,谐振电流和电容器充电电流近似恒定。可利用此特点实现对高压电容器的高频恒流充电。定频控制方法中,开关频率固定不变,其大小可控制在电容充电初始阶段(电容电压为零)的逆变电路交流侧等效电路的固有谐振频率的1/2范围之内,可实现逆变电路的软开关,减小开关损耗。 参考文献 [1]Zhong Heqing,Xu Zhixin,Z ou Xudong,et al.Current characteristic of high voltage capacitor charging power supply using a series resonant to2 pology[C].The29t h Annual Conference of the IEEE.Virginia,USA, 2003:3732377. [2]尚 雷,王相纂,裴元吉,等.新型软开关高压脉冲电容恒流充电技术分析 [J].强激光与粒子束,2001,3(2):2412244. [3]丁卫东,王 霞,邱毓昌,等.电容器恒流充电电源的通用谐振电路模型 [J].高电压技术,2002,28(2):25226. [4]谢木刚,徐至斯,钟和清,等.全数字化高频高压充电电源[J].高电压技 术,2003,27(5):729. [5]朝泽云,徐至新,钟和清,等.基于DSP控制的恒流充电电源设计[J].电力 电子技术,2003,37(6):50252. [6]钟和清,徐至新,邹旭东,等.软开关高压开关电源研究[J].高电压技术, 2003,29(8):729. [7]苏建仓,王利民,丁永忠,等.串联谐振充电电源分析及设计[J].强激光与 粒子束,2004,16(12):161121614. [8]尚 雷,陆业明,冯德仁,等.40kV/20kW开关型脉冲成形网络充电高压 电源[J].强激光与粒子束,2003,15(7):6972700.[9]王 莹,杨大为.高功率脉冲电源[M].北京:原子能出版社,19. [10]Can2asco J M,Galvan E,Valderrama G E,et a1.Analysis and experi2 mentation of nonlinear adaptive controllers for the series resonant con2 verter[J].IEEE Trans on Power Electronics,2000,15(3):5362544. [11]Kang C H,Sakamoto H,Harada K,et a1.A half2bridge converter using series resonant technology and saturable inductor commutadon[C].IEEE PESC.Vanoouver,Canada,2001:105121056. [12]B C,R M.Using t he series2parallel resonant converter in capacitor char2 ging applications[C].Seventh Annual Conference Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Expo sition1992(APEC’92).Boston, MA,USA,1992:2452252. [13]钟和清,徐至新,邹云屏,等.寄生电容对串联谐振电容器充电电源特性 的影响[J].中国电机工程学报,2005,25(10):40244. [14]张 立,赵永健.现代电力电子技术器件、电路及应用[M].北京:科学技 术出版社,1992. [15]Bowles E E,Chepelle S.A high power density high voltage power sup2 ply for pulsed rada system[C].The21th International Power Modulator Sympo sium.Co sla Mesa,Canada,1994:1702173. [16]杨小卫,严 萍,孙鹞鸿,等.35kV/0.7A高压变频恒流充电电源[J].高 电压技术,2006,32(5):542 56. 邵建设 邵建设 1970—,男,博士生,工程师,从事高频高压 电源及相关应用的研究。电话:(010) 62551456;E2mail:jianshe_shao@mail.iee. ac.cn 严 萍 1965—,女,博士,研究员,博导,从事高电压 及其相关技术的研究。电话:(010) 62551456;E2mail:pingyan@mail.iee.ac.cn 收稿日期 2005210226 编辑 李 东 ・ 1 1 ・Nov.2006High Voltage Engineering Vol.32No.11 下载本文
