基于多相交錯技術的電容器充電電源設計

徐宇航，王剛

（1.中國科學院 空天信息創新研究院，北京，100190；2.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京，100049）

0 引言

高功率粒子加速器、強激光、雷達、閃光燈等脈沖功率系統有著廣泛的應用[1]。在脈沖功率系統中，常用大容量電容器充電儲能為整個系統提供能量。因此，實現電容器高效快速地充電對整個系統有重要意義。目前，充電電源可以分為恒壓、恒流等方式。常見技術包括帶電阻器的高壓直流電源技術、諧振充電電源技術和高頻變換器電源技術等[2]。近年來，隨著高頻大功率開關器件和電力電子技術的發展，高頻變換器充電方案逐漸占主流。因為，高頻化后電感等無源器件體積能夠減少[3]。

電容充電電源屬于特種電源，應結合電容充電過程進行設計。電容器開始充電時，電容器電壓為零，等效于短路，這就要求電源有抗負載短路的能力。隨著電容充電，輸出電壓逐漸升高，需要電源有寬范圍輸出能力。如果電源不能繼續升壓，充電就會停止。儲能電容充電過程中，過壓過流會發生爆炸，因此電源需要時刻檢測過壓過流情況進行保護。在快速充電場景下，電源的輸出功率進一步增加，器件將面臨巨大的電流電壓應力。

針對以上需求，基于多相并聯交錯技術，本文設計了一款兩級式級聯電源。第一級采用雙相Buck 電路進行限流，第二級采用四相電感儲能的方式進行升壓。控制電路部分，以STM32G474 為核心。在第一級電路，用STM32 高精度Hrtim 定時器生成雙相PWM 波，用STM32 內置比較器進行逐波限流算法控制。在第二級電路，由STM32 產生四相PWM 波，并通過其ADC 的中斷功能實現過壓過流保護。為了增強抗干擾能力，主功率電路和控制電路之間采用隔離芯片進行隔離。

1 電路原理分析

高壓電容器充電電源電路見圖1，其為兩級電路構成。第一級為雙相同步整流Buck 電路，由開關管1S，S2，續流二極管1D，2D，濾波電感1L,2L，濾波電容1C,C2構成，用于實現限流功能，防止充電初始時電流過大燒毀電容。1S和S2的控制信號相差180°。電路采用STM32G474芯片控制，芯片通過高精度Hrtim 定時器產生雙相PWM 波，通過變壓器驅動電位浮動的上管1S，S2。利用芯片內置比較器實現逐波限流算法，以第一相為例，比較器通過精密采樣電阻1R逐周期檢測流過1L電流，檢測到電流過大時1S關閉，1D導通續流，直到下一開關周期為止。通常，第一級電路只會在充電初始階段電流過大觸發限流作用，隨著電容充電，輸入電流減少，后期不再觸發限流功能，1S，S2將以占空比100%開啟。

圖1 充電電源電路拓撲

第二級是四相電感儲能電路，由開關管S3，S4，S5,S6，續流二極管D3，D4，D5，D6，儲能電感L3，L4，L5，L6構成。S3，S4，S5，S6的控制信號之間差90°。以第一相為例，首先S3導通180°，電感L3儲能。然后S3關斷，電感L3放能，通過續流二極管D3給負載電容充電。電路控制方面，STM32 生成四相PWM 波，通過柵極驅動芯片驅動MOS 管S3，S4，S5，S6。STM32 分別通過霍爾傳感器和隔離誤差放大芯片檢測輸出電流和電壓進行保護。

2 參數設計

考慮到第一級電路通常只在充電初始的一小段時間內發揮作用限流，剩余大部分時間1S，S2以占空比100%開啟，所以，推導公式時假設1S，S2始終以占空比100%開啟。由圖1 簡化可得圖2。圖2 中1L，2L，1C，C2組成LC 濾波器，其作用相當于對電源輸入進行濾波，現在暫時略去。第二級電路中每一相是交錯并聯關系，器件參數是一致的，只在控制策略上相位差90°，因此可把電路單相化進行分析，得到圖3，其中負載Cload由原來變成

圖2 第一級簡化后電路拓撲

圖3 單相化后電路

設S3開關頻率f，3L的電感量L，輸入電壓Vin，總共的充電時間t。因為S3每個開關周期內導通180°，所以3L每次儲能時間為假設3L每次能量釋放完全，所以儲能初始電流為零，可列式子分析式子可知一個開關周期內儲能時3L的電流i以增加到最大值儲存能量假設電感能量全部無損耗轉移到電容，將電容器充電至Vout，根據能量守恒可列式子最后可以推出儲能電感

表1 的數據來源于實際工程應用，以此為依據進行設計。前面推導過程中曾假設限流功能沒有啟用，也沒有額外損耗。實際情況下應該考慮這些情況，適當修正充電時間t，按照t=0.2s代入公式計算得L3的電感量L=5.56μH，電流最大值Imax=43A。考慮到實際可購買的器件，以型號IHDF1300AEEH5R0K1A 電感作為參考，最后選擇儲能電感值為5μH。根據經驗，選擇L1=L2=5μH，C1=C2=22μF作為輸入濾波。經過整理，得到表2 的設計參數。

表1 樣機設計需求

表2 設計參數

3 軟件仿真

使用仿真軟件按照表2 的設計參數對電路進行了仿真分析。因為電路將采用STM32G474 進行全數字控制，所以仿真的時候可以用C 代碼模塊來進行閉環仿真。圖4 是構建的環路控制模塊，其中C 代碼模塊輸入兩路Buck 過流信號，輸出六路PWM 信號控制兩級電路。圖5 是C 代碼的具體細節，包括模擬STM32 的定時器輸出100kHz 的PWM波輸出，模擬STM32 比較器檢測兩路Buck 電流，如果電流大于40A，該周期剩余時間PWM 就會變成低電平一直到下一周期。

圖4 控制環路模塊

圖5 C 模塊核心代碼

圖6 展示了電源輸出的電壓電流仿真波形，可知電源在0.24s 內將3600μF 的電容充能至480V，并且將充電初始瞬間的大電流能控制在70A 以下，避免燒毀電容器。電源可以分成兩階段工作，前一階段第一級限流功能啟動，充電較慢。第二階段，隨著輸入電流降低，不再限流，充電較快。從仿真結果看，設計的電源滿足電容器充電的基本需求同時有效降低器件應力。經過多相并聯后，各器件如Mos 管，二極管等電流應力在幾十安培左右，選取器件方便，具有工程可行性。

圖6 輸出電壓電流仿真波形

4 結語

本文結合電容充電過程設計了一種兩級級聯式電源。通過一級限流，一級放大的方式實現了輸出寬范圍、抗負載短路的功能。采用多相交錯并聯技術有效降低快速充電時器件電流應力，方便器件選型。使用STM32G4 進行復雜的數字控制并保護電路。最后通過理論驗證、樣機設計和軟件仿真，證明設計方案滿足電容器充電的需求，并具有工程可行性。