基于串并联谐振变换器的高压电容器充电电源研究

摘要

脉冲功率技术在高新技术产业及新型武器如辐射消毒、烟气净化、生物工程、电磁脉冲武器等方面得到了十分广泛的应用。而电容器储能因为简单可靠、技术成熟，成为脉冲功率技术最常用的储能方式。作为电容器储能的前级，电容器充电电源有着不可或缺的作用。因此，对电容器充电电源拓扑及控制方法的研究显得十分重要。
　　在用于电容器充电电源的电路拓扑中，串联谐振变换器（SRC）是最常用、最成熟的一种拓扑。它具有控制简单、能够实现软开关、工作在电流断续模式下具有恒流源特性、抗负载短路能力强等优点。但是，SRC的电压增益小于1，且高压变压器分布参数的存在使得SRC的工作特性发生变化。
　　为此，本文选择了串并联谐振变换器（SPRC）作为充电电源的拓扑结构。SPRC不仅具有一定的抗短路能力、能够实现软开关的优点，还可以利用高压变压器的分布参数作为谐振元件，同时其电压增益高于1。
　　本文首先分析了工作在电流连续模式下SPRC的工作原理，说明了SPRC存在三种工作模式及各种模式的优劣，并选定强迫换流模式为最优的工作模式。其次，运用扩展描述函数法建立了SPRC的大信号模型，再由大信号模型得到稳态模型与稳态等效电路。从所得的模型出发，推导了强迫换流模式的边界，通过图解的方法研究了负载品质因数、开关频率、并联谐振电容等相关参数对SPRC特性的影响，为电容器充电电源的设计提供了理论指导。
　　根据SPRC的特性，在兼顾谐振槽电压电流峰值、电压增益、充电电流等指标的基础上，给出了电容器充电电源参数的设计方法，设计了一种基于变频控制的恒流充电方案。该控制方案不仅实现了恒流充电，同时也实现了开关管的零电压开通。通过仿真验证了模型的准确性及控制方案的可行性。
　　最后，设计了一台额定输出电压为3kV、充电功率为825J/s的电源样机，并进行有关的实验，实验结果证明了理论分析的合理性和控制方案的有效性。

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1绪论

1.1课题背景

1.2电容器充电电源概述

1.3谐振变换器拓扑的比较与选取

1.4 SPRC电容器充电电源的研究现状

1.5本文主要研究内容

2主电路工作原理分析与建模

2.1主电路工作原理分析

2.2模型的建立

2.3稳态模型与稳态等效电路

2.4本章小结

3 SPRC的特性分析与控制策略

3.1 SPRC的特性分析

3.2 SPRC电容器充电电源控制策略分析

3.3仿真验证

3.4本章小结

4实验验证与分析

4.1电容器充电电源主要参数设计

4.2实验验证

4.3本章小结

5总结与展望

5.1本文工作总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文及专利目录