氙燈電容器充電分析和充電時間估算

夏金飛

摘? 要：電容器充電器廣泛用于使用氙氣管的照相閃光燈，醫(yī)療應(yīng)用和脈沖激光器。這些類型的電源使用低功率電源工作，以提供脈沖式高壓大電流輸出。通常，以非連續(xù)傳導(dǎo)模式工作的反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器用于給大容量電容器充電。對輸出大容量電容器充電所需的時間和輸入平均電流是最重要的參數(shù)。文章提出了一種用于電容器充電器的數(shù)學(xué)模型，以根據(jù)各種系統(tǒng)參數(shù)來估計所需的充電時間，設(shè)計了一個基于Excel和vb的工具，以估算在給定操作條件下為輸出電容器充電所需的時間，文章介紹了仿真，實(shí)驗(yàn)和模型結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電容器充電器;關(guān)鍵DCM反激;轉(zhuǎn)換器建模;DC-DC轉(zhuǎn)換器

中圖分類號：TM53? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0060-02

Abstract： Capacitor chargers are widely used in photographic flash lamps using xenon tubes， medical applications and pulsed lasers. These types of power supplies work with low-power power supplies to provide pulsed high-voltage and high-current output. In general， flyback DC-DC converters operating in discontinuous conduction mode are used to charge large capacity capacitors. The time required to charge the output capacitor and the input average current are the most important parameters. In this paper， a mathematical model for capacitor charger is proposed to estimate the charging time according to various system parameters， and a tool based on Excel and VB is designed to estimate the time needed to charge the output capacitor under given operating conditions. The results of simulation， experiment and model are introduced in this paper.

Keywords： capacitor charger; key DCM flyback; converter modeling; DC-DC converter

1 介紹

高壓電容器充電器通常用于提供脈沖大功率。電容器充電器的應(yīng)用包括照相閃光燈充電器，醫(yī)療應(yīng)用，激光電源等。各種半導(dǎo)體制造商都有基于相似拓?fù)涞恼障嚅W光燈電容器充電器IC。散裝電容器通過DC-DC轉(zhuǎn)換器以較低的電流充電，并通過電子開關(guān)脈沖輸出較高的能量給輸出負(fù)載。典型的電容器充電器布置如圖1所示。

對于由電池或低電壓電源供電的高壓應(yīng)用，請使用以臨界間斷模式（DCM）工作的反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種技術(shù)為器件提供了最少的元件數(shù)量和最佳應(yīng)力，從而使關(guān)鍵的DCM操作最大限度地降低了開關(guān)損耗。圖2顯示了具有關(guān)鍵DCM反激功能的電容器充電器的典型電路。

2 縮寫與首字母縮略詞

Lm：初級側(cè)勵磁電感;N：變壓器的比率;IP：最大初級電流限制;Co：輸出電容器;Vo：最終輸出電壓;K：向Co充電至Co所需的循環(huán)次數(shù);Vin：輸入電壓。

3 充電時間估算

在接通時間內(nèi)，通過初級側(cè)的峰值電流在接通時間內(nèi)達(dá)到Ip級別。

在噸期結(jié)束時，存儲在一次側(cè)電感l(wèi)m中的能量

在關(guān)閉時間內(nèi)，存儲在初級電感器中的能量通過次級傳遞到輸出電容器。這將對輸出電容器充電，并隨著在第k個周期輸出Vok而在第k+1個周期輸出Vok電壓而升高電平，從而完成了能量傳輸。

由于系統(tǒng)組件的電流能力有限，因此在一個周期內(nèi)將有限的電荷轉(zhuǎn)移到輸出電容器。 一個周期內(nèi)傳遞的能量為

充電所需的周期數(shù)為

在第k個周期，關(guān)閉時間設(shè)定為：

總充電時間為：

其中，在所有開關(guān)周期中Ton是固定值，而Toffk隨著輸出電壓的升高而降低。在給定的電路參數(shù)不變的情況下，這導(dǎo)致恒定頻率的變頻操作。

4 模擬結(jié)果

在LTSPICE中進(jìn)行的瞬態(tài)仿真，以迭代方式求解模型方程，如圖4流程圖所示，并通過直接求解方程6和9。

針對以下系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真：

輸入電壓=5V;最終輸出電壓=315V;輸出電容器=10？滋F;最大初級電流限制=1.2A;變壓器的比率=10;初級側(cè)勵磁電感=10？滋H。

考慮使用理想的變壓器和開關(guān)進(jìn)行分析， 需要進(jìn)一步分析以評估轉(zhuǎn)換器的損耗和寄生效應(yīng)。

圖5顯示了將輸出電容器從0充電到最終設(shè)定電平的完整充電周期。

圖6中顯示了使用LTSPICE的電容器充電器的仿真設(shè)置。

通過與LTSPICE瞬態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行比較，可以確認(rèn)分析模型的準(zhǔn)確性，如表1所示。結(jié)果表明結(jié)果之間密切相關(guān)。迭代計算和直接公式結(jié)果均顯示出一些誤差，因?yàn)檫@些模型沒有考慮損耗和電路寄生因素。

未來的工作將通過考慮損耗和電路寄生來改進(jìn)模型。

5 結(jié)論

本文基于電容器充電器展示分析了臨界間斷模式。

瞬間模擬，迭代模型和直接方程匹配到合理水平。數(shù)學(xué)模型不包括寄生效應(yīng)和損耗。基于臨界間斷模式（DCM）的關(guān)鍵電容器充電器具有以下充電時間依賴性：

不依賴于勵磁電感（Lm），而僅取決于匝數(shù)比（僅Toff取決于N）;隨輸出電容（Co）線性變化;隨最終輸出電壓（Vo）的平方而大致增加;與峰值開關(guān)電流限制（Ip）和輸入電壓（vin）相反變化。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃良文.電容器的種類及特性[J].物理通報，2007（05）：63.

[2]馬幼源.幾種常見的電容器[J].物理教學(xué)，1958（03）：28-30.

[3]楊國棟，吳勇強(qiáng).氙閃光燈光電性能評價及可靠性預(yù)計[J].真空電子技術(shù)，2010（01）：8-14.