一種用于高壓脈沖電容實驗平臺的充電電源模塊設計

韓 笑，劉光亞

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一種用于高壓脈沖電容實驗平臺的充電電源模塊設計

韓 笑，劉光亞

（中建三局集團有限公司，武漢 430000）

本文是對一種用于高壓脈沖電容實驗平臺的充電電源模塊的設計進行論述。主要介紹該充電模塊在高壓脈沖電容實驗平臺中的功能、作用、技術要求。論述了充電模塊中交流變換單元的電路，對高頻變換單元的功能實現進行了闡述。

高壓脈沖電容 充電電源 交流變換

0 引言

眾所周知，高壓儲能脈沖電容器是廣泛應用于航空、電力工業的高峰值電流裝置，用途特殊，能夠為高耗能行業提供動力。

在國外，電容儲能型脈沖技術被廣泛用于電磁發射、高能微波、激光核聚變、強粒子束等領域。美國MAXWELL實驗室進行了0.5MJ脈沖功率系統的研究。德國研制的70 kW/24 kV高壓電容器充電電源，韓國研制的三相串聯諧振軟開關充電電源，都在相關領域得到了應用。

得益于脈沖電容器在多個行業的普遍應用，以及設計技術上的提升，這也為脈沖功率技術在各行業的推廣打下了堅實的基礎。例如，消毒、處理材料面、切割巖石、保鮮、微波、激光等1]。

脈沖功率技術應用中高壓脈沖電容器多工作在重復頻率下，充放電的反復性會損害電動力，且會造成大量的能量損失。所以，要提高絕緣性能，必須嚴格控制充放電運行的頻率。如果能夠順利的延長電容器使用期限，則同時可提供更低電感、更高比能、更長使用時間的裝置，為工業運行提供動力[2]。

如果電容量出現了5%的下降幅度，則可認為高壓脈沖電容器失效，重復充放電模塊對該類高壓脈沖實驗平臺十分關鍵[3]。

本文設計了一種用于此類實驗平臺的充電電源主回路及平臺放電回路。依托恒流充電技術研制的充電板塊性能有了大幅度提升。在提前確定了實驗參數后，便可以在不同頻率、電壓環境開展各電容量電容器的參數測驗。

1 高壓脈沖電容實驗平臺的模塊論述及充電控制系統位置示意

圖1高壓脈沖電容實驗平臺系統架構

1.1 平臺系統架構

圖1為高壓脈沖電容使用時長的實驗裝置圖。電流、電壓信號在同檢測單元連接后，會將數據傳輸到控制系統。之后，被測試裝置的充放電情況將被及時的掌控，并隨時做出調節。

外圍電路、DSP為控制系統關鍵組件，功能是檢測、計算電流電壓信號輸出值，生成啟動信號，下達外部控制指令，發送數據，控制恒流充電，監測實驗平臺[4]。

1.2 電容器充電方式的選擇

在充電形式上，可根據不同情況選擇恒流、恒壓充電。如果采取恒壓充電，則在到達時間常數3倍時，設計電壓同實際電壓靠近，趨于相同。此時，處于耐壓環節，絕緣材料處于面臨的壓力更多。此種充電形式會導致電容器使用期的縮減，難以得出客觀的結果。如果采用恒流形式充電，則將會出現電壓線性上升的情況，不會對裝置構成壓力。

圖2電容器試品u-t曲線圖

2 充電電源模塊的主要設計

2.1 充電機的主要任務

1)實現對試品電容器的充電；

2)實現充電后的電壓保持；

3)實現對試品電容器的實時電壓檢測；

4)實現對三相交流電和充電過程的狀態檢測、報警和保護；

5)實現滿足上位機通信控制的接口。

2.2 充電機的主要參數設計

圖3為充電模塊主電路圖。在從不控整流通過之后，380 V市電會從IGBT、諧振電感等流過，并出現高頻方波電壓狀態。最終流入電容器的市電還經過了升壓、高壓硅堆整流環節[4,5]。

圖3 充電電源模塊主電路

對于D而言，其傳輸能量的方向受限，這避免了第二振蕩周期的產生，進而實現了振蕩的去除。當升壓整流處理了由諧振電路而來的能量之后，儲能電容便會得到該能量。可見，能量在傳輸時的損耗概率比較少，這為輻射噪聲電平的控制提供了可能。

如果開關元件、變壓器各項設置正確無誤，則可出現4種變換器電路運行方式。在圖4，展示了等效電路，為第1形式。在該圖中，導通S2,S4,IR保持為正。CL’是變壓器上的儲能電容初級值，在儲能電容返回初級回路時，出現的初始電壓是3(0)。

充電電流為：

（1）

上式，起始、結束時間是0,x,0是特性阻抗，算式為0=/eq；0為諧振頻率，0=1/eq。

串聯C,CL’后，得到wq。將變壓器匝數比平方同CL相乘，便得到CL’。如果出現高壓輸出環境，那么CL’>C。可見，C對電容值有著直接的影響。

圖4 第一種模式的等效電路

2.3 充電模塊在實驗平臺上的諧振參數仿真

如果電壓能夠在較大幅度的電容量環境出現線性增長，也能夠發揮電壓保持功能，則將有助于裝置的使用期限的延長。對充電時電壓的增長率的控制方法主要為定頻調寬法，即IGBT導通脈寬的控制是由電壓信號實現的。為了完成定頻調寬目標的發揮，引入了TMS320F240處理器。因為外設了片內集成，這對外圍元件的減少有著很大的幫助。在處理復雜算法時，該處理器也能夠依托數字控制、信號處理上的優勢提前、高質量完成[1],[6,7]。

仿真后，設置各項參數值：諧振電容與電感為3.5mH, 200mH負載樣品100，諧振頻率6 kHz，導通脈寬10ms，開關頻率20 kHz，雜散電感為10ms[8]。圖5為電容器電壓、諧振電流波形。

2.4 T型放電保護回路的設計

放電過程中，充放電回路應當由接觸器實現斷接，這能夠避免電源模塊在放電的情況下出現損壞。充電裝置運行時間長，按照6 s設計充放電周期，并在10 h內進行6000次試驗。就接觸器而言，最高使用次數達數十萬此。可見，應當在充電回路連接的情況下放電。考慮到整流二極管、充電機在放電時不受影響，充電機與電容器的連接采用圖3中的T型放電保護回路。

放電過程中，充放電回路應當由接觸器實現斷接，這能夠避免電源模塊在放電的情況下出現損壞。充電裝置運行時間長，按照6 s設計充放電周期，并在10 h內進行6000次試驗。就接觸器而言，最高使用次數達數十萬此。可見，應當在充電回路連接的情況下放電。考慮到整流二極管、充電機在放電時不受影響，要設計保護回路。

采用ATP軟件對放電回路進行模擬計算，T型保護回路中充電電阻R1取20 Ω、100 W，吸能電阻R2取100 Ω、1 kW，實際回路中采用5個500 Ω、200 W的功率電阻并聯等效。

2.5 電壓保持功能的設計

為了保持電壓，可以從兩個方面入手。首先，當完成了目標電壓的充電任務，并處于了電壓保持環節。此時，按照最小脈寬的方式運行；第二，當完成了目標電壓的充電任務后，關機。在特定的時間周期對電壓進行檢測。如果發現電壓出現明顯的下降，則要充電。

對于前者方法而言，如果電源有恒定負載，則可以采用。也就是說，變動的負載環境是不能應用的。在小負載容量條件下，即使是最小脈寬的運行條件，也將增加電壓。這時，要同MW級泄漏電阻并聯；如果出現了高負載容量，那么電壓波紋會因泄漏電阻的并聯而出現提高的情況。

考慮到本文設計的實驗平臺其電容器樣品電容量有一定的變化范圍，停機定期檢測方案可被采用。具體做法是，在完成了充電目標后，對電壓的檢測間隔確定為0.5 s。在出現小于30 V電壓情況下，及時的開機。在這種電壓保持方式下當電容器的電壓下降較慢時，充電機停機后不再動作，而當電壓下降較快時，則會每隔0.5 s補充電壓一次。

在充電模塊再次運行后，副方存在高壓狀態，則變壓器容易飽和而導致電流急劇增大。正因如此，筆者進行了并聯設計，即將保護回路（D2高壓二極管、RC1泄漏電阻、C1小容量高壓電容）同副方并聯，如圖3所示。C1取0.2μF/20 kV，RC1取500Ω/500 W，則該回路的時間常數=1*1=0.1 s。0.5 s之內，檢測發現目標位置出現0 V電壓。可見，變壓器飽和被控制。（見圖6）

圖6 防止變壓器飽和回路電路

2.6 放電回路簡述

放電回路的電路如圖1中所示，試品電容器的容量為1～100 μF，1～10 kV的試驗電壓。能夠調節電阻、電感，進而完成放電電流的改動。半導體與火花開關、TVS設置于脈沖回路[9]晶閘管使用時間長，能夠獨立運行，不占空間，各項參數穩定，在脈沖功率器件得到了廣泛的使用[10,11]。

3 充電電源模塊的主要功能和技術指標

3.1 充電電壓控制功能

對充電電壓進行實時檢測，并借助內部程序軟件，保持電壓增量恒定，從而實現恒流充電；實時檢測充電電壓，當電容電壓達到設置電壓則停止充電。

3.2 三相交流檢測功能

充電機自動檢測機柜的三相交流輸入電源的狀態，檢測內容包括交流輸入過壓、交流輸入過壓，并將交流檢測故障送給充電機。

3.3 充電故障報警功能

電壓閃絡：充電時，如果出現了電容器與高壓回路被擊穿，或者放電開關錯誤導通，都將降低儲能電容電壓。在故障被充電機發現后，會及時的自動關機。之后，上位機接收到故障信息。

過壓充電：對于儲能電容電壓而言，需要被時刻的監控，在嵌入設計了硬、軟件之后，充電機可實時對儲能運行情況進行分析。如果出現超過10050 V的電壓，則會發出過壓報警信息，并關閉機器。此時，上位機也會接收相關的故障信息。

電容器短路：對于儲能電容電壓而言，需要被時刻的監控，在嵌入設計了硬、軟件之后，可對短路情況有了解。當充電電壓在0.5 s、1 s、2 s、3 s時，分別低于一定范圍，也會及時的發出報警信息，并關閉機器。此時，上位機也會接收相關的故障信息。

充電過流：對于儲能電容電壓而言，需要被時刻的監控，在嵌入設計了硬、軟件之后，可對充電過流情況有了解。在電流激增的情況下將停機，以保護電機。此時，上位機也會接收相關的故障信息。

直流母線過流：直流母線過流情況也會被充電機檢測出。

4 充電電源模塊各變換單元論述

4.1 交流變換單元

交流變換單元其功能為：充電機充電主回路供電，并為監測和控制系統提供交流220 V電源；對整流后的電壓電流進行檢測，并將信號傳遞給充電機接收監測控制繼電器對接觸器的控制。

4.2 DC/AC高頻變換單元功能實現

1）變換功能

將交流變換單元提供的直流電通過高頻IGBT變換成交流電，并通過LC串聯諧振電路送出，提供給高頻升壓變壓器進行升壓整流后給試品電容器充電。

2）檢測功能

檢測預充電充電電流、充電電壓、直流母線電流、直流母線電壓，并對各個檢測量進行軟硬件判斷，能夠識別充電過壓、充電過流、母線過壓、母線欠壓、母線過流、充電過程中的高壓側故障等信號。

3）保護功能

當檢測到存在故障時，將自動停止充電，并自動斷開主接觸器。

4）通信功能

通過光纖與監測控制系統相連，接收監測控制系統的電壓設置、啟動充電、停止充電，并將充電過壓、充電過流、母線過壓、母線過流等故障上傳給監測控制系統。

5 實驗結果

5.1 .實驗平臺照片

通過搭建實驗平臺，選擇了主要的功能參數進行實驗，發現整個實驗裝置滿足運行要求，可得出理想的結論。在這里，確定C值為30 μF，值是570 μH,值是6.8W。

5.2 電容器電壓波形

給設置電壓分別為1 kV、3 kV及6.7 kV時電容器上的電壓波形，此時充電時間1=5 s，保持時間2=4 s，休息時間3=1 s。該電容器充電至6.7 kV時，放電回路電流波形如圖9所示。

6 總結

本課題進行了充電模塊的設計，期望能夠成功的應用于高壓脈沖電容，進行相關實驗，在提前確定了實驗參數后，便能夠在不同頻率、電壓環境下對擁有各電容量的電容器進行參數檢測。引入了晶閘管，延長了使用時間。該平臺已累次工作超過1000 h，在實驗的基礎上驗證了設計的可靠性。

[1] 劉勝魁. 基于DSP的高壓恒流充電電源的研究[D]. 哈爾濱理工大學, 2006, 2: 10-43.

[2] 戴玲. 提高脈沖電容器儲能密度的新方法的研究[D]. 華中科技大學, 2005.

[3] 吳盛剛,姚斯立,楊海芳. 高壓脈沖電容器耐久性實驗線路的設計及實施[J]. 電力電容器, 2006, (3):16-23.

[4] 朝澤云, 徐至新, 鐘和清. 基于DSP控制的恒流充電電源設計[J]. 電力電子技術, 2003,(3):50-52.

[5] 劉勝魁, 張春喜. 基于軟開關的高壓恒流充電電源的研究[J]. 黑龍江工程學院學報, 2005,(4):60-62.

[6] 鐘和清, 徐至新, 鄒旭東等. 軟開關高壓開關電源研究[J]. 高電壓技術, 2003,(08) :7-9.

[7] TMS320C24xDSP控制器參考手冊(第二卷). 外設模塊[Z]. P&S武漢力源電子股份有限公司,1998.

[8] 張占松, 蔡宣三. 開關電源的原理與設計[M] .電子工業出版社,1998.

[9] 何孟兵, 李勁, 姚宗干. 高功率脈沖放電間隙開關綜述[J]. 高電壓技術, 2000, 26(4):33-35.

[10]E.Spahn, G.Buderer, W.Wenning. A compact pulse forming network, based on semiconducting switches, for electric gun applications[J].IEEE T-ransactions on Magnetics,1999,35(1):378-382.

[11]G. Renz, F.Holzschuh, E.Zeyfang. PFNs swithced with stacked SCRs at 20 kV,500J,and 100 Hz reprateg[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1997,7(1):390-395.

[12]李庭方文婷方皓 .高頻變換直流高壓電源中高壓變壓器的設計[A]. 大眾科技, 2010, (10):167-168.

Design of Charging Power Module at Experiment Platform of High Voltage Pulse Capacitor

Han Xiao, Liu Guangya

(China Construction 3rd Bureau Group Co., Ltd, Wuhan 430064, China)

TM 89

A

1003-4862（2017）11-0060-05

2017-09-15

國家自然科學基金項目（61573002）

韓笑（1989-）, 男，工學學士。研究方向：電氣工程。