CN106877469B - 一种时基反馈控制的lc谐振充电电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时基反馈控制的LC谐振充电电路。它包括前级直流电源HV、储能电容C1、谐振电感L1、谐振晶闸管S1、回收电感L2、回收二极管D2、时基反馈电路、负载电容C2；其中，储能电容C1‑谐振电感L1‑谐振晶闸管S1‑负载电容C2构成了谐振充电回路，回收电感L2‑回收二极管D2‑负载电容C2构成了能量回收回路；时基反馈电路由隔直电容C3、限流电阻R1、隔离变压器T1、泄放二极管D1组成，在能量回收结束时刻产生谐振晶闸管S1的触发信号。本发明实现了谐振充电回路和能量回收回路工作延时的自动控制，且能够在后级负载电路短路故障时自动停止充电，具备故障保护能力。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种LC谐振充电电路。
背景技术
电容充电电源是脉冲功率系统中的重要设备，主要用于给脉冲功率源初级储能电容充电，满足系统对初级充电电压、初级输入功率和运行重复频率的需求。LC谐振充电技术是脉冲功率系统中主要的两种高效率充电技术之一(另外一种是高频恒流充电技术)，在Tesla型脉冲功率源和高重频脉冲功率源中应用广泛。
典型LC谐振充电电路原理图如附图1，包括前级直流电源HV、谐振充电回路、能量回收电路、多路时基控制器等部分。其中，前级直流电源HV为储能电容C1供电，储能电容C1-谐振电感L1-谐振晶闸管S1-负载电容C2构成了谐振充电回路，回收电感L2-回收晶闸管S2-负载电容C2构成了能量回收回路。多路时基控制器输出两路时基触发信号，分别去控制谐振晶闸管S1和回收晶闸管S2。
由于向感性负载放电等因素，负载电容C2初始电压一般为反向电压。谐振充电全过程分为两个阶段。第一阶段为能量回收过程。多路时基控制器首先向回收晶闸管S2发出触发信号，回收晶闸管S2导通，负载电容C2和回收电感L2之间发生LC谐振，谐振过程持续到回收晶闸管S2电流过零截止，谐振时间为半个振荡周期。谐振结束时，负载电容C2电压由负极性翻转为正极性，即由与充电电压相反极性翻转为与充电电压相同极性，习惯上称之为“能量回收”。第二阶段为谐振充电过程。能量回收过程结束后，多路时基控制器向谐振晶闸管S1发出触发信号，谐振晶闸管S1导通，储能电容C1、谐振电感L1和负载电容C2之间发生CLC谐振，即储能电容C1通过谐振电感L1向负载电容C2充电。谐振充电过程持续到谐振晶闸管S1电流过零截止，谐振充电时间为半个振荡周期。谐振充电结束后，整个充电过程结束。
典型LC谐振充电电路存在的问题是：一、多路时基控制器需要输出两路延时触发信号，系统较复杂度；二、所处电磁环境较为恶劣，如果多路时基控制器受到干扰，则可能两路触发信号时序发生紊乱，从而导致充电电压过高等危险情况；三、如果负载电容C2后级电路故障，那么一旦谐振晶闸管S1导通，前级直流电源HV就会通过谐振电感L1短路放电，导致前级直流电源HV和谐振晶闸管S1烧毁，并且短路大电流会扩大负载电容C2后级电路故障范围。
发明内容
本发明旨在为脉冲功率系统提供一种时基反馈控制的LC谐振充电电路，以简化充电控制，提高抗电磁干扰能力，并对充电电路和后级电路提供故障保护。
本发明的技术方案如下：
一种时基反馈控制的LC谐振充电电路，包括前级直流电源HV、谐振充电回路、能量回收回路以及时基反馈电路，其中谐振充电回路主要由储能电容C1、谐振电感L1、谐振晶闸管S1、负载电容C2依次串联构成，前级直流电源HV为储能电容C1供电，能量回收回路主要由回收电感L2、单向导通器件、负载电容C2依次串联构成；有别于现有技术的是：
所述时基反馈电路主要由隔直电容C3、限流电阻R1、隔离变压器T1和另一单向导通器件组成；其中，隔离变压器T1初级正端接所述单向导通器件的负极，隔离变压器T1初级负端接限流电阻R1一端，限流电阻R1另一端经隔直电容C3接所述单向导通器件的正端；所述另一单向导通器件的正极接限流电阻R1与隔直电容C3之间的节点，所述另一单向导通器件的负极接隔离变压器T1初级正端；隔离变压器T1次级正端接所述谐振晶闸管S1门极，隔离变压器T1次级负端接谐振晶闸管阴极。
在基于以上方案，本发明还作了如下方案优化以及其中器件的优化选型：
上述单向导通器件采用二极管D2。
上述另一单向导通器件采用二极管D1。
上述限流电阻R1改为设置在隔离变压器T1初级正端。
上述隔直电容C3的位置改为在隔离变压器T1初级回路外、一端接所述另一单向导通器件的负极，另一端接所述谐振晶闸管S1负极。
在隔离变压器T1初级回路外、所述另一单向导通器件的负极所在支路上设置有电阻R2用于消除隔直电容C3与隔离变压器T1初级回路杂散电感之间的振荡。
隔离变压器T1次级还并联有电阻R3，隔离变压器T1次级正端经正向的二极管D3接至所述谐振晶闸管S1门极，用于提高触发的可靠性。
上述谐振晶闸管S1与另外的至少一个谐振晶闸管组成并联晶闸管组，所述时基反馈电路为多路并联的谐振晶闸管提供同步触发信号。
根据多路并联的谐振晶闸管，时基反馈电路采用相应的多个隔离变压器，所述多个隔离变压器的初级依次串联，次级相互独立。
本发明的基本工作原理如下：
能量回收阶段，回收二极管处于导通状态，其两端压降很小，即施加在隔直电容负端和隔离变压器正端之间的正向电压很小，且泄放二极管正向偏置，因此隔离变压器初级没有电流流过，次级没有信号产生。
能量回收结束时刻，经过短暂的瞬态过程之后，回收二极管因为电流过零而反向关断，负载电容电压迅速施加在回收二极管两端，且回收二极管负极电位处于高电位，正极处于低电位，即隔离变压器初级正端处于高电位，隔直电容负极处于低电位。此时，在该电位差驱动之下，隔离变压器初级-限流电阻-隔直电容支路产生快速上升的电流脉冲，电流脉冲宽度由隔直电容、限流电阻、回收电感限定。经过耦合作用，隔离变压器次级输出快速电流脉冲，去触发谐振晶闸管。谐振晶闸管导通之后，储能电容通过谐振电感为负载电容谐振充电。
本发明具有以下优点：
一、时基反馈电路在能量回收结束时刻产生谐振晶闸管的触发信号，实现谐振充电回路和能量回收回路工作时序的自动控制，从而不需要多路时基控制器，而且回收开关可以采用二极管。
二、时基反馈电路电气结构简单，且是强电电路，抗电磁干扰能力强，能够适应复杂电磁环境。
三、如果负载电容或后级电路故障，那么负载电容初始电压为零，时基反馈电路不产生触发信号，谐振晶闸管不导通，充电过程停止，起到故障保护作用。
附图说明
图1典型LC谐振充电电路原理图。
图2本发明的时基反馈控制的LC谐振充电电路原理图。
图3为图2所示电路的一种常规变型。
图4为本发明的一个较佳实施例的电路图。
图5为基于图2所示电路的一种改型。
图6本发明的时基反馈控制的LC谐振充电电路实验工作波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的时基反馈控制的LC谐振充电电路做详细描述。
图2给出了本发明的时基反馈控制的LC谐振充电电路原理图。包括前级直流电源HV、储能电容C1、谐振电感L1、谐振晶闸管S1、回收电感L2、回收二极管D2、时基反馈电路、负载电容C2。其中，前级直流电源HV为储能电容C1供电，储能电容C1-谐振电感L1-谐振晶闸管S1-负载电容C2构成了谐振充电回路，回收电感L2-回收二极管D2-负载电容C2构成了能量回收回路。时基反馈电路由隔直电容C3、限流电阻R1、隔离变压器T1、泄放二极管D1组成。其中，隔离变压器T1的初级正端接回收二极管D2负极，隔离变压器T1初级负端接限流电阻R1，限流电阻R1另一端接隔直电容C3正端，隔直电容C3负端接回收二极管D2正端。泄放二极管D1正极接隔直电容C3正端，泄放二极管D1负极接隔离变压器T1初级正端。隔离变压器T1次级正端接谐振晶闸管S1门极，隔离变压器T1次级负端接谐振晶闸管S1阴极。
由于向感性负载放电等因素，负载电容C2初始电压一般为反向电压。谐振充电全过程分为两个阶段。
第一阶段为能量回收过程。负载电容C2初始电压为负，回收二极管D2正向自动导通，负载电容C2和回收电感L2之间发生LC谐振，谐振过程持续到回收二极管D2电流过零截止。此时，负载电容C2电压由负极性翻转为正极性，即由与充电电压相反极性翻转为与充电电压相同极性，完成了能量回收。在能量回收过程中，回收二极管D2处于导通状态，其两端压降很小，即施加在隔直电容C3负端和隔离变压器T1正端之间的正向电压很小，且泄放二极管D1正向偏置，因此隔离变压器T1初级没有电流流过，次级没有信号产生。
第二阶段为谐振充电过程。能量回收结束时刻，经过短暂的瞬态过程之后，回收二极管D2因为电流过零而反向关断，负载电容C2电压迅速施加在回收二极管D2两端，且回收二极管D2负极电位处于高电位，正极处于低电位，即隔离变压器T1初级正端处于高电位，隔直电容C3负极处于低电位。此时，在该电位差驱动之下，隔离变压器T1初级-限流电阻R1-隔直电容C3支路产生快速上升的电流脉冲，电流脉冲宽度由隔直电容C3、限流电阻R1、回收电感L2限定。经过耦合作用，隔离变压器T1次级输出快速电流脉冲，去触发谐振晶闸管S1。谐振晶闸管S1导通后，储能电容C1、谐振电感L1和负载电容L2之间发生CLC谐振，即储能电容C1通过谐振电感L1向负载电容C2充电。谐振充电过程持续到谐振晶闸管S1电流过零截止，谐振充电时间为半个振荡周期。谐振充电结束后，整个充电过程结束。
在本发明的时基反馈控制的LC谐振充电电路中，时基反馈电路控制谐振开关与回收开关的相对导通延时，确保了谐振充电过程在能量回收过程结束之后启动，且该相对导通时延与回收开关的启动时间无关。因此，回收开关可以选择为二极管。此时，能量回收过程首先自动启动，谐振充电过程延后自动启动，即整个充电电源实现了自动运行，无需外部多路时基控制器。
本发明的时基反馈控制的LC谐振充电电路具有负载短路故障自动保护能力。如果在负载电容C2向后级电路放电的过程中或能量回收过程中，负载电容C2或者后级电路发生故障，那么负载电容C2或回收电感L2中储能的能量会迅速通过故障点释放掉。这种情况下，负载电容C2电压迅速降低为零，回收二极管D2两端没有电压，时基反馈电路无法产生触发信号，谐振晶闸管S1保持关断状态，隔离了前级直流电源HV和储能大电容C1与后级故障部分，避免前级直流源HV因短路放电损坏，也避免了后级电路故障扩大化。
本发明的时基反馈控制的LC谐振充电电路中，储能电容C1、谐振电感L1和回收电感L2的参数设计方法与典型LC谐振充电电源参数设计方法一致。隔直电容C3、限流电阻R1和隔离变压器T1的参数根据谐振晶闸管S1触发信号要求而定。
图4所示电路为进一步改进的实施例，比图2所示电路多了三个元件，R2、R3、D3。其中，R2一般为数欧姆，其作用是消除C3与T1初级回路杂散电感(该电感不可能消除)之间的振荡，防止谐振晶闸管S1被误触发。R3和D3的作用也是为了提高触发的可靠性。R3一般可取10欧姆左右。在强电磁干扰环境下，所述时基反馈电路中有可能感应出较微弱的电流，如数十毫安，导致谐振晶闸管S1被误触发。增加R3和D3正是为了防止谐振晶闸管S1被该微弱感应电流误触发。R3为该微弱感应电流提供了泄放途径。而且，该电流流经R3时，R3两端产生的电压小于D3的正向开通阈值(一般硅二极管正向开通阈值为0.7V)，不足以使D3开通。也就是说，R3和D3阻断了微弱感应电流流向谐振晶闸管S1门极的路径。
在大功率充电电源中，谐振晶闸管一般不止一只晶闸管，而是并联晶闸管组。如图5中所示，谐振晶闸管由S1和S2并联而成。因此，需要为多路并联的谐振晶闸管提供同步触发信号。因此，图5增加了隔离变压器T2，其初级与隔离变压器T1初级串联。这种情况下，T1和T2初级电流完全相同。相应地，T1和T2次级耦合出的谐振晶闸管触发信号也完全同步，且幅值脉宽均相同，从而为S1和S2提供完全同步的触发，使S1和S2同时导通。
本发明的一个时基反馈控制的LC谐振充电电路的设计实例，用于Tesla型高功率电磁脉冲源的初级电容器充电，设计要求为：负载电容C2＝80μF，充电电压U0≈680V；前级直流源HV采用三相市电全桥整流，储能电容C1＝5mF，储能电压U1＝540～580V；谐振电感L1＝350μH，回收电感L2＝85μH。根据式(2)，为获得合适的谐振晶闸管触发电流，选取隔直电容C3＝0.22μF，限流电阻R1＝50Ω，隔离变压器T1变比为1:1。图6(a)～图6(d)给出了电源实验工作波形。图6(a)是电源单次工作波形，其中CH1是负载电容C2充电电压波形，CH2是谐振充电电流波形，CH3是时基反馈电路输出电流波形。可以看出，负载电容电压从约-450V充电到约+680V，总充电时间约820μs，其中0～260μs为能量回收阶段，td＝260μs时刻时基反馈电路给出谐振触发信号，260μs～820μs为谐振充电阶段，谐振电流峰值65A。图6(b)是时基反馈电路输出电流的放大波形，幅值5.6A，上升率5A/μs，半高宽12μs，满足谐振晶闸管强触发要求。图6(c)给出了电源1000Hz重复频率工作时输出电压电流波形。由于时基反馈电路采用高压元件，因而基本不需特别电磁加固措施，就能可靠工作在强脉冲辐射条件下。图6(d)给出了发生负载短路故障时，电源的输出电压(CH1)、谐振充电电流(CH2)和时基反馈电路输出电流(CH3)的波形。可以看到，最后一炮时发生负载短路故障，电源输出电压迅速降为零，时基反馈电路立即停止输出触发脉冲，电源停止了谐振充电，电路中不再有电流，从而实现了负载短路故障保护。
Claims (9)
1.一种时基反馈控制的LC谐振充电电路，包括前级直流电源HV、谐振充电回路、能量回收回路以及时基反馈电路，其中谐振充电回路主要由储能电容C1、谐振电感L1、谐振晶闸管S1、负载电容C2依次串联构成，前级直流电源HV为储能电容C1供电，能量回收回路主要由回收电感L2、第二单向导通器件、负载电容C2依次串联构成；其特征在于：
所述时基反馈电路主要由隔直电容C3、限流电阻R1、隔离变压器T1和第一单向导通器件组成；其中，隔离变压器T1初级与限流电阻R1串联构成一个串联组，隔离变压器T1初级正端作为所述串联组的一端接所述第二单向导通器件的负极，隔离变压器T1初级负端接限流电阻R1一端，限流电阻R1另一端作为所述串联组的另一端接第一单向导通器件的正极；所述第二单向导通器件的正极经隔直电容C3接第一单向导通器件的正极；所述第一单向导通器件的负极接所述串联组的一端；隔离变压器T1次级正端接所述谐振晶闸管S1门极，隔离变压器T1次级负端和第二单向导通器件的负极均接谐振晶闸管S1阴极。
2.根据权利要求1所述的时基反馈控制的LC谐振充电电路，其特征在于：所述第二单向导通器件采用二极管D2。
3.根据权利要求1所述的时基反馈控制的LC谐振充电电路，其特征在于：所述第一单向导通器件采用二极管D1。
4.根据权利要求1所述的时基反馈控制的LC谐振充电电路，其特征在于：所述限流电阻R1改为设置在隔离变压器T1初级正端。
5.根据权利要求1所述的时基反馈控制的LC谐振充电电路，其特征在于：所述隔直电容C3的位置改为在隔离变压器T1初级回路外、一端接所述第一单向导通器件的负极，另一端接所述第二单向导通器件的负极。
6.根据权利要求1所述的时基反馈控制的LC谐振充电电路，其特征在于：在隔离变压器T1初级回路外、所述第一单向导通器件的负极所在支路上设置有电阻R2用于消除隔直电容C3与隔离变压器T1初级回路杂散电感之间的振荡。
7.根据权利要求1所述的时基反馈控制的LC谐振充电电路，其特征在于：隔离变压器T1次级还并联有电阻R3，隔离变压器T1次级正端经正向的二极管D3接至所述谐振晶闸管S1门极，用于提高触发的可靠性。
8.根据权利要求1所述的时基反馈控制的LC谐振充电电路，其特征在于：所述谐振晶闸管S1与另外的至少一个谐振晶闸管组成并联晶闸管组，所述时基反馈电路为多路并联的谐振晶闸管提供同步触发信号。
9.根据权利要求8所述的时基反馈控制的LC谐振充电电路，其特征在于：根据多路并联的谐振晶闸管，时基反馈电路采用相应的多个隔离变压器，所述多个隔离变压器的初级依次串联，次级相互独立。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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