一种串联谐振充电电源的制作方法

本发明属于脉冲功率技术领域和高电压技术领域，涉及一种串联谐振充电电源。

背景技术：

串联谐振充电电源具有输出平均电流恒定、抗负载短路、效率高、功率密度大等优点，是一种理想的电容充电电源，在脉冲功率技术领域和高电压技术领域中得到了广泛应用。

传统串联谐振充电电源(如图1所示)采用全控型功率半导体器件MOSFET或者IGBT作为逆变开关。首先，受全控型功率半导体器件功率水平的限制，在高压大功率应用场合往往需要将多只器件进行串、并联，无疑增加了电源系统复杂性。其次，在逆变桥路与高频整流桥路之间串接高频变压器，通过提高逆变开关工作频率的方式以减轻电源的体积和重量。高频变压器含有铁芯，为避免铁芯发热以及出于变压器自身的绝缘考虑需要将高频变压器浸在变压器油中，因此高频变压器的体积和重量通常在电源系统中占有很大的比重。再次，随着半导体器件工作频率的提高带来了器件开关损耗增大、变压器损耗增大、变压器分布参数影响以及电磁兼容等一系列问题，导致整个电源系统的可靠性随之降低。最后，高压直流熔断器串接在电感L1和二极管D1之间，无法实现逆变桥发生直通故障时对高压直流电源的快速保护。

技术实现要素：

为解决传统串联谐振充电电源较为复杂、体积和重量较大、可靠性低等问题，本发明提出了一种新型串联谐振充电电源。

解决方案如下：

该新型串联谐振充电电源，包括高压直流电源Ud、电感L1、高压直流熔断器F1、二极管D1、电容器C1、逆变桥、高频整流桥和负载电容C2；其中电感L1、高压直流熔断器F1和二极管D1串联在主回路中，电容器C1并联在主回路中逆变桥的正端与负端之间；有别于现有技术的主要是：

所述逆变桥主要由两组高频晶闸管和相应的两组续流二极管、谐振电容和谐振电感组成，其中一组谐振电容Cs1和谐振电感Ls1、另一组谐振电容Cs2和谐振电感Ls2分别串联接入所述逆变桥的高压端、低压端；所述逆变桥整体上与高频整流桥串联；所述电容C1为脉冲电容器，高压直流熔断器F1串接在电容器C1的正端与所述逆变桥的正端之间。

在以上方案的基础上，本发明还可进一步作如下优化限定：

上述脉冲电容器无极性，自身电感为10～30nH。

上述高频整流桥可选用(两组共计四个)快恢复二极管。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1.采用高频晶闸管作为逆变开关，其与传统全控型半导体逆变开关相比，具有单管通流能力强、工作电压高、耐冲击电流强以及驱动电路简单等优点，在相同电源功率水平下电源内部开关器件的数量减少，驱动电路得到简化，提高了电源自身设计可靠性。

2.取消了传统串联谐振充电电源中的高频变压器，电源的体积和重量明显减小，从而使得在逆变开关允许的范围内可以降低逆变开关的工作频率，有利于降低半导体功率器件的开关损耗，提高电源整体的效率；

3.将高压直流熔断器串接在电容器C1的正端和逆变桥正端之间，利用逆变桥直通故障时电容器C1产生的脉冲电流将熔断器快速熔断，避免了传统串联谐振充电电源通过高压直流电源输出电流将熔断器熔断导致无法实现对高压直流电源快速保护的问题。

附图说明

图1是现有技术串联谐振充电电源的电路原理图；

图2是本发明串联谐振充电电源的电路原理图；

图3是本发明串联谐振充电电源的测试结果显示图；

图4是本发明串联谐振充电电源的重频测试结果显示图；

图5是本发明串联谐振充电电源逆变桥直通测试结果显示图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的串联谐振充电电源包括高压直流电源Ud、电感L1、二极管D1、电容器C1、高压直流熔断器F1、高频晶闸管S1～S4、续流二极管D11～D14、谐振电容Cs1～Cs2、谐振电感Ls1～Ls2、高频整流桥D21～D24和负载电容C2；

高频晶闸管S1～S4、续流二极管D11～D14、谐振电容Cs1～Cs2、谐振电感Ls1～Ls2组成的逆变桥与高频整流桥D21～D24串联。

串联谐振电容Cs1和串联谐振电感Ls1、串联谐振电容Cs2和串联谐振电感Ls2分别串联接入逆变桥路的高压端和低压端。

高压直流熔断器F1串联接在电容C1的正端和逆变桥路的正端之间。

电容C1为脉冲电容器，无极性且自身电感极小(10～30nH)，在正常工作时用于缓冲无功能量为谐振电流提供返流通道；当逆变桥发生直通故障时，利用C1→L→R放电产生的脉冲电流，峰值近似表示为(L为故障支路的等效电感，R为故障支路的等效电阻，U为C1上的电压，C为电容C1的容量)，其量值可达千安级(kA)对应的I²t将非常大，在高压直流电源主电流到来之前直接将高压直流熔断器熔断以实现高压直流电源的快速保护。

所述电感L1和二极管D1用于减小电源输出电流脉动和防止电流返流，对高压直流电源进行保护。

所述电感L1、二极管D1和电容C1回路，在逆变桥发生直通故障时，其时间常数远大于故障支路的等效时间常数，以限制故障时高压直流电源输出电流。

现结合实施例对本发明作进一步描述：

图2中，高压直流电源Ud的输出电压为630V～800V，负载电容C2的容量C2＝1.8mF。逆变开关的工作频率为5kHz，充电电源平均充电电流大于50A。S1～S4选用500A/1600的高频晶闸管。二极管D1、续流二极管D11～D14、高频整流桥D21～D24选用400A/2000V的快恢复二极管。电感L1＝30μH，电容C1＝90μF，高压直流熔断器规格为1500V/30A。

谐振电容Cs1～Cs2、谐振电感Ls1～Ls2的参数可依据文献“串联谐振充电丁原分析及设计，强激光与粒子束，vol16，No.12，2004.12”和文献“高压电容器充电电源的研制，电气技术，2010年增刊”进行设计。具体的，谐振阻抗可表示为Z＝2U₀/(πI_av)，U0为高压直流电压，Iav为平均充电电流。综合考虑电源的充电能力以及半导体器件的安全裕量，谐振阻抗Z取6.86Ω。谐振电流采用电流断续模式，谐振频率取开关频率的2倍以上为11.38kHz。

联立上式，可以得到谐振电容Cs1＝Cs2＝4.08μF，谐振电感Ls1＝Ls2＝48μH。

对以上实施例进行实际测试，结果如图3所示，CH2为谐振电流，CH3为逆变晶闸管驱动，CH4为负载电容充电电压。实测负载电容充电电压为600V，充电时间为19ms，计算得到电源平均充电电流为56.4A。图4给出了电源50Hz重频充、放电测试结果，CH2为谐振电流，CH4为负载电容充电电压。图5给出了逆变桥路直通测试图，CH1为负载电容电压，CH2为电容C1输出电流，CH3为谐振电流，CH4为高频晶闸管电压，可以看出逆变桥直通时高压直流熔断器在几十微妙(μs)时间内动作，切断了高压直流电源供电。