串联谐振电容器充电电源的研制

论文摘要

对以电容器作为储能单元的脉冲功率系统来说,电容器充电电源的性能决定了输出电压的稳定度和重复频率。高频谐振变换器用于电容器充电时具有诸多优势,在对大容量电容充电时以串联谐振变换器应用得最为普遍。本论文介绍了应用于脉冲等离子体推进器的串联谐振电容器充电电源的研制。通过对谐振电路的稳态分析,得到了工作于不连续电流模式的串联谐振电容器充电电路中谐振电流峰值、谐振电压峰值和负载电容电压增量与谐振周期的个数之间的函数关系,证明在续流电流峰值降到零之前,电路具有内在的恒流特性,因此能够实现线性充电。此外还计算出了恒流特性发生变化的时刻以及该时刻对应的负载电容电压。通过仿真计算,验证了理论分析的正确性,并且指出了当特征阻抗一定时谐振频率应该折中选择,指出了当谐振频率一定时开关频率也应该折中选择,并给出了相关标准。通过利用零电流谐振电源控制芯片UC3867,使功率开关器件实现了真正意义上的零电流关断,从而避免了关断过压的产生,减少了关断过程的损耗。通过采用双段式充电的控制策略,即当负载电容电压小于预设电压的90%时以较高的开关频率充电,当电容电压达到90%以后以较低的开关频率充电,使电容避免了过充的危险。该电源经过测试,达到了预期的各项指标。在对10μF电容充电时,250 ms内充电到了2500 V,并且电压的重复性好。在等离子体负载下可以稳定工作在2.5 Hz,电容器的最大放电电流达到了4 kA。最后对电源的优化设计进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题应用背景简介
• 1.2 电容器充电电源概述
• 1.3 电容器充电技术路线
• 1.4 串联谐振电容器充电电源的可行性分析
• 1.5 串联谐振电容器充电电源的国内外研究现状
• 1.6 电源研制方案和思路
• 2 串联谐振电容器充电电路的理论分析
• 2.1 串联谐振电容器充电电路的三种工作模式
• 2.2 工作于DCM 模式的全桥串联谐振电容器充电电路稳态分析
• 2.3 根据理论分析指导电路设计
• 3 串联谐振电容器充电电路的仿真分析
• 3.1 由仿真结果验证理论分析
• 3.2 特征阻抗一定时谐振频率的选择
• 3.3 谐振频率一定时开关频率的选择
• 4 串联谐振电容器充电电源设计详述
• 4.1 输入整流滤波电路
• 4.2 软起动电路
• 4.3 串联谐振逆变电路
• 4.4 高频变压器
• 4.5 输出整流电路
• 4.6 反馈电路
• 4.7 控制电路
• 5 实验结果和分析
• 5.1 充电实验
• 5.2 等离子体推进实验
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 实物照片