串聯諧振充電電源設計

王冠霖

遼寧錦州渤海大學工學院

串聯諧振充電電源設計

王冠霖

遼寧錦州渤海大學工學院

本文研究了串聯諧振在進行充電的情況下所獲得的電壓以及電流的計算公式，而且還得出了當負載電容并不是完全放電的時候，有關的電源方面的參數的計算問題，同時當負載電容的放電狀態是完全的時候，其中電源輸出功率的頻率的平均值和輸出功率的最大值是1/2的關系,如果保持負載電容電壓不變的條件下,電源輸出功率的平均值是等于輸出功率的最大值。

串聯諧振 負載電容 平均功率

所謂的脈沖功率的含義是將一種功率很低的能力進行保存起來，而且這個保存時間可能在一定程度上是比較長的，接著再將這種能量向高功率的脈沖進行轉化。在脈沖功率中，存儲的能量系統作為最重要的成分，其中的能量存儲的方法有很多，主要常見的有電感儲能，電容儲能以及機械儲能等。隨著電容儲能技術的不斷發展，現今已經可以實現了微秒甚至納秒的脈沖功率裝置設備中。通過電容儲能的方式實現高功率的脈沖，這已經是該領域發展的一種勢不可擋的趨勢。

20世紀80年代以來，隨著人造衛星上面所裝載的探測器、數據處理設備和信號傳輸設備越來越集成化，出現了質量在幾十千克到幾百千克之間的小衛星。在串聯諧振充電電源的理論研究方面，美國Auburn University 的 R. M. Nelms等人于20世紀 90年代初對串聯諧振電路的特性進行了詳細分析，并建立了比較簡單的數值方程。在國內，中國科技大學的尚雷在 2000年發表的論文中通過仿真和理論計算指出了串聯諧振充電存在轉折點。西安交通大學的蘇建倉在2004年發表的論文中推導出了串聯諧振電源不同工作模式下的電壓、電流計算公式，并用遞推公式說明了其恒流特性。

1 串聯諧振電源的研究現狀分析

充電電源最早可以追溯到恒壓直流的方式，但是傳統意義上的恒壓直流充電已經無法滿足現今很多領域的需求，而且電流在調節能力方面存在著一定的劣勢，另一方面攜帶起來也不是很容易。現今隨著串聯諧振技術的不斷發展，很多的學者將關注度轉到了串聯諧振等效電路方面以及串聯諧振變換器中設計電感器等2個方面。

1.1 串聯諧振等效電路設計

當諧振的周期取不同的值時，對應的串聯諧振等效電路也是不同的，所以在進行分析的過程中需要將開關的周期對應的看成6種不同的模式，然后根據電壓以及電流的相關計算公式，從而獲得諧振的相關參數的值，然而這種方法所帶來的影響是變壓器的漏感減少了，所以有關的電容的分布就必須要考慮進去了。

1.2 串聯諧振電感器設計

串聯諧振的變換器中的對應的電感器作為一種頻率很高的器件，在進行設計的過程中材料的選擇通常是鐵氧體磁芯，而且最常用的是EE型的，然而采用這種方式在滿足了電源的需求后，磁通密度無法得到控制，從而隨著磁通密度達到了一定的值后會引起磁芯的飽和，因此對電源造成了很大的負荷。

2 串聯諧振電源電路設計

串聯諧振在不同的諧振周期，等效電路是不一樣的，分析時把一個開關周期分為六種模態，按照電壓電流計算公式，得出諧振參數的值，但是這是在理想條件下得出的計算公式，僅僅減小了變壓器漏感對電路的影響，因有高頻變壓器和整流桂堆的介入，分布電容的影響就不得不考慮，實際上已變為串并聯諧振電路，所以在設計高頻變壓器時應盡量減小其分布電容。

在串聯諧振電源電路設計中所選擇的電源是220V的交流，而且電容選擇的是10uf的，充電電壓能夠達到的最大值是3kV，當取充電的時間是200ms的時候，電源的效率是不小于0.8的，而且當電容的電壓取值到最大值的時候，此時的功率的輸出值是最大的。如果電網電壓的波動范圍是10%的時候，那么進線的電壓的最小值為189V，而且電壓的最大值是241V，通過濾波中的直流電壓值范圍是從281V到341V之間，通常電路中參數的選擇是根據直流電壓的最小值，而且變壓器中的副繞組端的電壓能夠達到的最大值是3000V。

諧振電容可以選擇是無感吸收的電容，其中選擇的是STD系列的，而且電壓的額定值確定為3000V，設置的電容的范圍是在0.033mf的基礎上以10%進行波動，該電容的選擇主要是考慮到了電流以及頻率的相關要求。

2.1 諧振電感設計

在整個串聯諧振的電路設計中諧振電感對于電源是否能夠成功安裝起到了直接的影響作用。而且其中的磁性材料中所包括的主要是鐵粉、金屬、以及金屬磁芯等。磁芯材料的選擇通常是磁粉芯，由于在整個的變壓器的諧振的過程中，由于磁芯所具有的磁通密度會不斷地上升，所以會使得相比較于用鐵氧體作為材料，磁粉芯的飽和度會更高些，而且與此同時散磁通相對而言會小些。考慮到工作頻率的因素，所以本文選擇的的磁芯是MPP，其氣隙是呈現出分布式的，在大部分的磁芯材料中，其磁心的耗損也是最少的。

鉬坡莫合金的范圍為，在同樣匣數的情況下，其電感量隨著ur磁導率的升高而升高。當有直流分量流過時，磁粉芯材料的磁導率會隨著直流偏置加大而不斷的下降，ur越大的下降的越多。故可采用ur較小的磁芯，可選擇相對磁導率為26的銀坡莫磁芯。諧振電感計算值為307uh，而測得的變壓器漏感為4uh，故磁環電感值應設計為303uh。

2.2 電源設計

當對重復的頻率進行充電的時候，一般情況下的負載電容是不會存在全部放電的，用C1表示為負載電容，而用Uout表示充電電壓，當放電后負載的電容的電壓也就會相應地降低detaU1，如果將重復頻率設為fr，而諧振的頻率設為f，則諧振電容可以表示，而諧振電感的表達公式為：，從而當諧振電感以及電容電壓確定后就能夠進一步地確定諧振電流的最大值，以及電流的平均值，這些參數是電源器件選擇的基礎，其中的電源輸出功率的最大值的表達公式為

相對應的也可以計算出平均的功率，平均功率是和detaU1有直接的聯系的，當負載的電容電壓保持一定的時候，可以將etaU1忽略為0，所以此時的平均功率和功率的最大值是一樣的，當負載電容在放電的過程中是處于100%的狀態的時候，可以將detaU1約等于Uout，此時的功率的平均值和輸出功率的最大值是1/2的關系。

通常關于電容的充電形式一般情況下是分為兩種，分別是恒流和恒壓的。而恒流充電的實現通常是選擇全橋串聯諧振來實現。恒壓的充電是以工頻變壓器為基礎的，一般充電功率的限制是通過電阻的方式實現的，而且在充電中，電阻會耗損一部分的功率，其值達到了50%。全橋串聯諧振的實現方式相比較于恒壓充電實現的優勢是體積小，而且效率很高，所以一般會把全橋串聯諧振作為優先選擇。全橋串聯諧振充電電源中的組成單元包括：電容，脈沖變壓器，諧振電感以及功率的相關器件。

2.3 電路設計

全橋串聯諧振充電電源中的電源選擇的是直流的，記為V，將S1到S4設置為逆變的開關，變壓器是用TX表示，其中的整流橋標記為D1到D4。串聯諧振充電電路圖如圖1所示。

圖1 串聯諧振充電電路圖

在進行充電的時候，圖中的開關S2和開關S4以及S3會進行相應的交換，最終完成開關的周期，而且一個開關周期對應的是二個諧振的周期，同時按照高壓整流的二極管以及逆變的開關所形成的模式有四種。諧振電流波形如圖2所示。

圖2 諧振電流波形

在t1時刻之前，諧振電感電流經、以D1，D4相反的方向流動，使Q1、Q4兩端電壓為0，在t1時刻開通Q1、Q4實現了零電壓零電流開通。在t2時刻、開通Q1、Q4硬關斷，關斷電流很大，隨后電流經D2、D3流動，造成損耗太大。

通過以上分析可以看出斷續模式工作在軟開關狀態，開通關斷均實現了低損耗，當負載短路時，正半周期的諧振電流可以通過續流二極管在負半周期全部返回電源，故具有很好的抗負載短路的能力。

3 脈沖變壓器設計

在進行脈沖變壓器的設計的過程中應該對參數進行全面的考慮，本文的脈沖變壓器設計所涉及的參數主要包括了功率，以及漏感和耐壓等。同時變壓器的電壓初始值選擇的是1.2kV，而電壓的次級輸出值能夠達到36kV，所以脈沖變壓器設計中的變比在此設置的是等于30。

當進行充電的時候，作為變阻抗負載，負載的電容會隨著充電過程中的電壓值的不斷增大 而會使得阻抗也對應的減少，所以當進行到充電的結尾的時候，變壓器的值就會達到了最大的值。考慮到負載的阻抗會時刻發生改變，所以要想得到精確的漏感值以及電感值存在一定的難度，在全橋串聯諧振充電電路中，通常會用L4表示勵磁電感，而L3代表的是經過折算之后的次級漏感，折算后的值與次級的值是1/n2的關系，其中進行折算之后的負載的電容是用C4表示的，而且該值是等于n2，其中的n取值是等于30。

諧振的頻率的決定因素通過總結主要包括了電容和諧振電感，而且脈沖變壓器中的重要參數是勵磁電感，散熱系統的性能決定因素與脈沖功率的最大值以及平均功率是有著直接的聯系的，本文介紹了諧振充電電源的現狀以及介紹了串聯諧振充電電源的設計。主要包括了諧振電感設計以及電源的設計。

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