一种串联谐振式恒流充电电源的制作方法

本发明涉及应用于以电容器作为储能单元的脉冲功率系统的电容器充电电源，特别涉及一种提供千伏级充电电压的串联谐振式恒流充电电源。

背景技术：

脉冲功率系统是通过对脉冲能量进行时间压缩获得短脉冲、高功率的电装置，高压恒流充电电源作为脉冲功率系统的重要组成部分之一，按照应用需求对大容量储能电容充电，为脉冲功率系统提供初始能量。目前有三种比较成熟的电容器充电技术，包括带限流电阻的高压直流电源充电，工频谐振充电和高频开关变换器充电。带限流电阻的高压直流电源充电是通过充电限流电阻向储能电容器充电。这种方式能够保证电容在不放电时两端的电压始终与前面直流源电压相等，即始终可以被更新。这种技术简单可靠，成本较低，但是其缺点明显：充电效率低，一般不超过50％，因此只适用于低重复频率的场合。工频谐振充电是将工频交流电源经变压器升压后再由整流桥给滤波电容充电，以产生直流高压。当晶闸管被触发导通后，经过电感和二极管给负载电容传递能量。这种电路简单有效，充电电压较高，频率控制比较方便，但晶闸管作为开关器件决定了电路无法处于更新模式。此外，难以实现良好稳压也是其问题之一。

随着高频大功率开关器件和现代控制理论的发展，高频化已经成为各种电源发展的方向。高频开关变换器用很多个脉冲链向储能电容充电，每个开关周期内产生的充电脉冲传递很小一部分能量给负载，因此能够实现相当高的充电精度和充电效率。通过调整开关导通时间或工作频率能够控制能量传递的大小，而反馈技术的应用使得开关器件能够及时地开通或关断，因此在高频条件下电源可以工作在更新模式，不断补偿电容器上的电压损失。由于工作频率较高，使得变压器的体积大大缩小，降低了系统的体积和成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种串联谐振式恒流充电电源，以解决大容量储能电容的充电问题。

为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现，其包括

预处理组件，与城市电网连接，用于将城市电网中的三相交流电压转变成直流电压；

igbt全桥开关模块，与预处理组件通过电路连接，用于接收预处理组件输出的直流电压，并将直流电压转换成高频交流电压；

转换组件，其输入端与igbt全桥开关模块通过电路连接，用于转换高频交流电压，并输出直流高压；

反馈组件，与转换组件通过电路连接，用于采集转换组件输出的直流高压信号和电流信号；

控制组件，其输入端与反馈组件通过电路连接，输出端与igbt全桥开关模块通过电路连接，接收反馈组件采集的直流高压信号，并生成控制信号控制igbt全桥开关模块的导通和断开。

优选地，所述预处理组件包括：emi滤波器模块，与城市电网连接，用于对城市电网中的三相交流电进行高频滤波；低压整流滤波模块，其包括整流子模块和滤波电容子模块，且输入端与emi滤波器模块通过电路连接，输出端与igbt全桥开关模块通过电路连接，其作用是将三相交流电转变为直流电。

优选地，所述转换组件包括：谐振电容电感模块，与igbt全桥开关模块电路连接，用于传输高频交流电压；高压变压器模块，与谐振电容电感模块串联连接，用于实现高频交流电压的抬升；高频整流滤波模块，用于处理高压变压器模块抬升后的高频交流电压，滤除高频交流电压信号中的高频信号，输出实际所需的直流高压。

优选地，所述反馈组件包括：高压取样模块，与高频整流滤波模块电路连接，用于采集高频整流滤波模块输出的直流高压；电流取样模块，与谐振电感电容模块连接，其作用是从谐振电容电感模块中采集电流。

优选地，所述控制组件包括：控制电路模块，输入端分别与高压取样模块和电流取样模块连接，用于接收采集的电压和电流，并产生驱动脉冲信号；隔离驱动电路模块，通过电路连接设置于igbt全桥开关模块和控制电路模块之间，用于传输控制igbt全桥开关模块的开关电压。

优选地，所述igbt全桥开关模块包括多个通过电路连接的开关电路，每个开关电路由一个igbt器件，一个二极管器件和一个电容器件通过并联连接形成，作为串联谐振式恒流充电电源的开关器件控制电路导通。

优选地，所述隔离驱动电路模块的输入端与控制电路模块电路连接，用于接收控制驱动脉冲信号，其输出端与igbt全桥开关模块中的每个igbt器件的栅极连接，用于传输开关电压，进一步控制igbt器件的开关频率。

优选地，所述的反馈组件与所述谐振电容电感模块、igbt全桥开关模块、控制电路模块、隔离驱动电路模块共同组成移相全桥零电压电流式开关的工作电路，以减小igbt器件的开通和关断损耗。

优选地，三相市交流电经过emi滤波器模块将高频信号滤波后，首先经过低压整流滤波模块将交流电压转变成直流电压，再经过igbt全桥开关模块将直流电压转变成高频交流电压，然后经过谐振电容电感模块对高频交流电压进行高效传输至高压变压器模块中进行电压的抬升；最后，将高压变压器模块输出的电压经过高频整流滤波模块处理后串联输出，得到实际所需直流高压。

优选地，所述高压取样模块从高频整流滤波模块进行高压采样，以及电流取样模块从谐振电容电感模块进行电流采样，并将获得的高频交流电压和高频电流信号传输至控制电路模块，控制电路模块根据设定的基准电压进行判断与处理，产生不同频率的驱动脉冲信号，并传输给隔离驱动电路模块，隔离驱动电路模块传输开关电压至igbt全桥开关模块，进而实现对igbt全桥开关模块的控制。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种串联谐振式恒流充电电源，具有如下有益效果：(1)可适应宽范围负载变化，适用于向大容量负载储能电容充电；(2)在输出短路或打火短路状态下仍然能安全可靠地工作。(3)开关损耗小、效率高；(4)对电网的谐波干扰小；(5)具有极快的过载保护和过压保护能力，负载开路时输出电压也不会升高，稳定在一个固定电平上；(6)具有恒流、调压功能。

附图说明

图1为本发明的串联谐振式恒流充电电源框架图；

图2为本发明的串联谐振式恒流充电电源主拓扑。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图1～附图2，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明，但本发明的实施和保护不限于此。

本发明提供了一种串联谐振式恒流充电电源，如图1所示，该串联谐振式恒流充电电源包括：emi(electromagneticinterference，电磁干扰)滤波器模块1，与城市电网连接，用于对城市电网中的三相交流电进行高频滤波，有效抑制有害电磁波对工作电路或其他敏感器件单元的干扰；低压整流滤波模块2，与emi滤波器模块1连接，其包括整流子模块和滤波电容子模块，其作用是对emi滤波器模块1滤除高频信号后的三相交流电进行整流滤波并转变为直流电压；igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)全桥开关模块3，与低压整流滤波模块2连接，用于接收经低压整流滤波模块2整流滤波后的直流电压，并将直流电压转换成高频交流电压；谐振电容电感模块4，与igbt全桥开关模块3电路连接，用于传输高频交流电压；高压变压器模块5，与谐振电容电感模块4串联连接，用于实现高频交流电压的抬升；高频整流滤波模块6，与高压变压器模块5电路连接，用于处理高压变压器模块5抬升后的高频交流电压，滤除高频交流电压信号中的高频信号，输出实际所需的直流高压提供给大容量的负载储能电容；高压取样模块7，与高频整流滤波模块6连接，用于采集高频整流滤波模块6输出的直流高压；电流取样模块8，与谐振电感电容模块4连接，其作用是从谐振电容电感模块4中采集经igbt全桥开关2处理后的高频电流；控制电路模块9，输入端分别与高压取样模块7和电流取样模块8连接，用于接收高压取样模块7和电流取样模块8采集的直流高压和电流；隔离驱动电路模块10，通过电路连接设置于igbt全桥开关模块3和控制电路模块9之间，以实现主电路(除控制电路模块9以外的电路模块)与控制电路模块9之间的隔离，且其输入端与控制电路9连接，用于接收控制信号，其输出端与igbt全桥开关模块3连接，用于控制igbt全桥开关模块3的开关频率。

需要说明的是，串联谐振式恒流充电电源主拓扑如图2所示，虚线框所圈出的(a)、(b)、(c)、(d)分别为igbt全桥开关模块3、谐振电容电感模块4、高压变压器模块5和高频整流滤波模块6；其中，所述igbt全桥开关模块3包括igbt器件q1～q4、二极管器件d1～d4和电容器件c1～c4，进一步地，一个igbt器件q1，一个二极管器件d1和一个电容器件c1通过并联连接形成第一开关电路，同理形成第二开关电路、第三开关电路和第四开关电路；第一开关电路和第二开关电路形成串联电路后再与第三开关电路和第四开关电路形成的串联电路以并联电路连接，作为串联谐振式恒流充电电源开关器件控制电路导通，且所述igbt器件q1～q4包括源极、栅极和漏极；其中，所述谐振电容电感模块4包括谐振电感l1和谐振电容c5串联组成谐振电容电感电路，其输入端连接在第一、第二开关电路之间，用于完成高频信号的传输；其中，所述高压变压器模块5包括铁芯、原边绕组l2和多个副边绕组l3，形成多绕组高压变压器用于抬升电压，所述原边绕组l2的一端与谐振电容电感模块4的输出端相连接，另一端连接在第三、第四开关电路之间；高频整流滤波模块6与副边绕组l3连接，采用交流-直流(ac-dc)转换器实现。

本实施例中，380v/50hz的三相市电流通过emi滤波模块1(型号ft310-50)和低压整流滤波模块2转换为525v的直流电，其中低压整流滤波模块2采用整流模块mjys-qkzl-100和4700μf滤波电容对三相市电流进行整流滤波处理。充电过程中，控制电路模块9输出开关驱动脉冲信号，驱动脉冲信号传输至隔离驱动电路模块10，隔离驱动电路模块10提供开关电压(12v或15v)分别输送到四个igbt全桥开关q1～q4的栅极。在开关电压的控制下，525v的直流电经igbt全桥开关模块3后转换为525v/20khz的高频交流电，并通过谐振电感l1及谐振电容c5组成的串联谐振电路传输525v/20khz高频交流电至高压变压器模块5，并经过四绕组高压变压器将525v/20khz高频交流电抬升至2100v/20khz，再经高频整流滤波模块6进行滤除高频信号，最终串联输出2100v直流高压。

其中，电流取样模块8和高压取样模块7组成反馈回路；反馈回路、谐振电容电感模块4、igbt全桥开关模块3、控制电路模块9和隔离驱动电路模块10一起组成移相全桥零电压电流式开关(zvzcs-pwm)的工作电路，使igbt器件实现软开关，减小igbt器件的开通和关断损耗。

进一步地，高压取样模块7和电流取样模块8分别采集高频整流滤波模块6输出的高频交流电压信号和谐振电容电感4输出的电流信号反馈给控制电路模块9的控制板，控制板的核心器件uc34066对反馈的高频交流电压信号和高频电流信号进行判断和处理，产生控制igbt全桥开关模块3的不同频率的驱动脉冲信号至隔离驱动电路模块10来控制igbt全桥开关模块3的开关频率。当高压取样模块7反馈的取样电压与控制电路模块9设定的基准电压相差较大时，控制电路模块9产生的驱动脉冲信号多，即igbt全桥开关模块3的开关频率高；当控制电路模块9设定的基准电压与高压取样模块7反馈的取样电压之差为零时，控制电路模块9发出关闭信号，关断输出驱动脉冲信号，实现稳压的目的。

综上所述，与现有恒流充电电源设计相比，本发明所提供的串联谐振式恒流充电电源具有安全可靠性高、开关损耗小、转换效率高等优势。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。