本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域和高電壓技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種串聯(lián)諧振充電電源。

背景技術(shù)：

串聯(lián)諧振充電電源具有輸出平均電流恒定、抗負載短路、效率高、功率密度大等優(yōu)點，是一種理想的電容充電電源，在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域和高電壓技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛應用。

傳統(tǒng)串聯(lián)諧振充電電源(如圖1所示)采用全控型功率半導體器件MOSFET或者IGBT作為逆變開關(guān)。首先，受全控型功率半導體器件功率水平的限制，在高壓大功率應用場合往往需要將多只器件進行串、并聯(lián)，無疑增加了電源系統(tǒng)復雜性。其次，在逆變橋路與高頻整流橋路之間串接高頻變壓器，通過提高逆變開關(guān)工作頻率的方式以減輕電源的體積和重量。高頻變壓器含有鐵芯，為避免鐵芯發(fā)熱以及出于變壓器自身的絕緣考慮需要將高頻變壓器浸在變壓器油中，因此高頻變壓器的體積和重量通常在電源系統(tǒng)中占有很大的比重。再次，隨著半導體器件工作頻率的提高帶來了器件開關(guān)損耗增大、變壓器損耗增大、變壓器分布參數(shù)影響以及電磁兼容等一系列問題，導致整個電源系統(tǒng)的可靠性隨之降低。最后，高壓直流熔斷器串接在電感L1和二極管D1之間，無法實現(xiàn)逆變橋發(fā)生直通故障時對高壓直流電源的快速保護。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決傳統(tǒng)串聯(lián)諧振充電電源較為復雜、體積和重量較大、可靠性低等問題，本發(fā)明提出了一種新型串聯(lián)諧振充電電源。

解決方案如下：

該新型串聯(lián)諧振充電電源，包括高壓直流電源Ud、電感L1、高壓直流熔斷器F1、二極管D1、電容器C1、逆變橋、高頻整流橋和負載電容C2；其中電感L1、高壓直流熔斷器F1和二極管D1串聯(lián)在主回路中，電容器C1并聯(lián)在主回路中逆變橋的正端與負端之間；有別于現(xiàn)有技術(shù)的主要是：

所述逆變橋主要由兩組高頻晶閘管和相應的兩組續(xù)流二極管、諧振電容和諧振電感組成，其中一組諧振電容Cs1和諧振電感Ls1、另一組諧振電容Cs2和諧振電感Ls2分別串聯(lián)接入所述逆變橋的高壓端、低壓端；所述逆變橋整體上與高頻整流橋串聯(lián)；所述電容C1為脈沖電容器，高壓直流熔斷器F1串接在電容器C1的正端與所述逆變橋的正端之間。

在以上方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可進一步作如下優(yōu)化限定：

上述脈沖電容器無極性，自身電感為10～30nH。

上述高頻整流橋可選用(兩組共計四個)快恢復二極管。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點：

1.采用高頻晶閘管作為逆變開關(guān)，其與傳統(tǒng)全控型半導體逆變開關(guān)相比，具有單管通流能力強、工作電壓高、耐沖擊電流強以及驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，在相同電源功率水平下電源內(nèi)部開關(guān)器件的數(shù)量減少，驅(qū)動電路得到簡化，提高了電源自身設(shè)計可靠性。

2.取消了傳統(tǒng)串聯(lián)諧振充電電源中的高頻變壓器，電源的體積和重量明顯減小，從而使得在逆變開關(guān)允許的范圍內(nèi)可以降低逆變開關(guān)的工作頻率，有利于降低半導體功率器件的開關(guān)損耗，提高電源整體的效率；

3.將高壓直流熔斷器串接在電容器C1的正端和逆變橋正端之間，利用逆變橋直通故障時電容器C1產(chǎn)生的脈沖電流將熔斷器快速熔斷，避免了傳統(tǒng)串聯(lián)諧振充電電源通過高壓直流電源輸出電流將熔斷器熔斷導致無法實現(xiàn)對高壓直流電源快速保護的問題。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)串聯(lián)諧振充電電源的電路原理圖；

圖2是本發(fā)明串聯(lián)諧振充電電源的電路原理圖；

圖3是本發(fā)明串聯(lián)諧振充電電源的測試結(jié)果顯示圖；

圖4是本發(fā)明串聯(lián)諧振充電電源的重頻測試結(jié)果顯示圖；

圖5是本發(fā)明串聯(lián)諧振充電電源逆變橋直通測試結(jié)果顯示圖。

具體實施方式

如圖2所示，本發(fā)明的串聯(lián)諧振充電電源包括高壓直流電源Ud、電感L1、二極管D1、電容器C1、高壓直流熔斷器F1、高頻晶閘管S1～S4、續(xù)流二極管D11～D14、諧振電容Cs1～Cs2、諧振電感Ls1～Ls2、高頻整流橋D21～D24和負載電容C2；

高頻晶閘管S1～S4、續(xù)流二極管D11～D14、諧振電容Cs1～Cs2、諧振電感Ls1～Ls2組成的逆變橋與高頻整流橋D21～D24串聯(lián)。

串聯(lián)諧振電容Cs1和串聯(lián)諧振電感Ls1、串聯(lián)諧振電容Cs2和串聯(lián)諧振電感Ls2分別串聯(lián)接入逆變橋路的高壓端和低壓端。

高壓直流熔斷器F1串聯(lián)接在電容C1的正端和逆變橋路的正端之間。

電容C1為脈沖電容器，無極性且自身電感極小(10～30nH)，在正常工作時用于緩沖無功能量為諧振電流提供返流通道；當逆變橋發(fā)生直通故障時，利用C1→L→R放電產(chǎn)生的脈沖電流，峰值近似表示為(L為故障支路的等效電感，R為故障支路的等效電阻，U為C1上的電壓，C為電容C1的容量)，其量值可達千安級(kA)對應的I²t將非常大，在高壓直流電源主電流到來之前直接將高壓直流熔斷器熔斷以實現(xiàn)高壓直流電源的快速保護。

所述電感L1和二極管D1用于減小電源輸出電流脈動和防止電流返流，對高壓直流電源進行保護。

所述電感L1、二極管D1和電容C1回路，在逆變橋發(fā)生直通故障時，其時間常數(shù)遠大于故障支路的等效時間常數(shù)，以限制故障時高壓直流電源輸出電流。

現(xiàn)結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步描述：

圖2中，高壓直流電源Ud的輸出電壓為630V～800V，負載電容C2的容量C2＝1.8mF。逆變開關(guān)的工作頻率為5kHz，充電電源平均充電電流大于50A。S1～S4選用500A/1600的高頻晶閘管。二極管D1、續(xù)流二極管D11～D14、高頻整流橋D21～D24選用400A/2000V的快恢復二極管。電感L1＝30μH，電容C1＝90μF，高壓直流熔斷器規(guī)格為1500V/30A。

諧振電容Cs1～Cs2、諧振電感Ls1～Ls2的參數(shù)可依據(jù)文獻“串聯(lián)諧振充電丁原分析及設(shè)計，強激光與粒子束，vol16，No.12，2004.12”和文獻“高壓電容器充電電源的研制，電氣技術(shù)，2010年增刊”進行設(shè)計。具體的，諧振阻抗可表示為Z＝2U₀/(πI_av)，U0為高壓直流電壓，Iav為平均充電電流。綜合考慮電源的充電能力以及半導體器件的安全裕量，諧振阻抗Z取6.86Ω。諧振電流采用電流斷續(xù)模式，諧振頻率取開關(guān)頻率的2倍以上為11.38kHz。

聯(lián)立上式，可以得到諧振電容Cs1＝Cs2＝4.08μF，諧振電感Ls1＝Ls2＝48μH。

對以上實施例進行實際測試，結(jié)果如圖3所示，CH2為諧振電流，CH3為逆變晶閘管驅(qū)動，CH4為負載電容充電電壓。實測負載電容充電電壓為600V，充電時間為19ms，計算得到電源平均充電電流為56.4A。圖4給出了電源50Hz重頻充、放電測試結(jié)果，CH2為諧振電流，CH4為負載電容充電電壓。圖5給出了逆變橋路直通測試圖，CH1為負載電容電壓，CH2為電容C1輸出電流，CH3為諧振電流，CH4為高頻晶閘管電壓，可以看出逆變橋直通時高壓直流熔斷器在幾十微妙(μs)時間內(nèi)動作，切斷了高壓直流電源供電。