激光电容半桥串联谐振充电电源研究

电力电子技术 Power Electronics Vol.44， No.3 March 2010 第 44 卷第 3 期 2010 年 3 月 定稿日期：2009-12-16 作者简介：撒 昱（1975-），男，山东庆云人，博士，研究方向 为激光技术。 1 引 言 脉冲固体激光器多采用电容作为储能元件，通 过电容放电将电能转换为光能， 电容放电的重复频 率可以从零点几赫兹到几十千赫兹。 对于重复率在 百赫兹以下的激光器， 电容中的电能一般会完全泄 放，因此电容充电电源不同于普通的直流电源，其工 作负载范围非常宽，开始时近似短路，后期则近似开 路, 其输出电压从零变到设定值。目前， 用于电容器 充电的电源主要有工频 LC 谐振充电、可调电压源、 恒流加逆变器构成的恒流源、 谐振 DC/DC 变换器。 其中谐振 DC/DC 变换器由于体积小、效率高、控制 性能好等而得到了广泛应用[1]。 对于中等功率的灯泵浦脉冲固体激光器而言， 激光储能电容充电电压越高，所需电容容值越小，泵 浦脉冲越短。通常电容从几十微法到几十毫法，充电 电压在 0.4～3 kV 之间，因此充电电源多采用带变压 器升压的电路结构。 上百瓦到十几千瓦量级的激光 电容充电电路多采用半桥或全桥电路来实现[2-3]。 软 开关方法也是一种被广泛采用和讨论的方法。 以 IGBT为开关元件的半桥电路， 由于 IGBT本身电流 关断的拖尾现象，更适合采用软开关方法。在此结合 开关频率 20 kHz、最大充电电流 2.1 A、最高充电电 压 1.86 kV的激光电容充电电路，了工作于电流 断续模式的串联谐振半桥充电电路的工作特性，给 出了软开关条件、平均充电电流、谐振电容稳态和暂 态电压、电流的计算方法，并通过实验进行了验证。 2 串联谐振软开关半桥充电电路原理 在图 1 所示的电路中，Uin是电网经整流滤波后 得到的输入电压，两个开关管 VQ1，VQ2采用 IGBT， IGBT 本身所具有的二极管 VD1，VD2又被称做自由 轮二极管；Cb 为谐振电容，Lr 为附加谐振电感；T 为 中频变压器；VDz1～VDz4 组成了中频整流桥；C 为激 光储能电容。 对于串联谐振电路，当开关频率 f＜f0/2 （f0为谐振频率）时，电流工作在断续模式，此时开关 管为 ZCS开通，ZVS关断[4]。其工作时序如图 2所示， 其工作过程可分为 a，b，c，d 4 个阶段， 各阶段的电 流情况如图 3所示。 激光电容半桥串联谐振充电电源研究 撒 昱， 曹启明， 王升平， 高惠敏 （天津大学， 天津 300072） 摘要：在重复率脉冲固体激光器中，由于储能电容需要频繁的充放电，通常采用谐振充电电路以适应其负载的大范 围变化。为此研制了开关频率为 20 kHz，充电电流为 2.1 A，最高充电电压为 1.86 kV 的半桥串联谐振充电电路。该电 路工作于电流断续模式，开关管的开通和关断均为软开关。 通过对周期电压、电流递推公式的分析，表明该工作模式 中每个周期的平均充电电流均为恒定。 应用递推公式计算稳态和暂态谐振电容电压和电流，结果显示暂态最大工作 电压是稳态最大电压的 2 倍，暂态最大电流为稳态最大峰值电流的 1.5 倍，为谐振电容和开关管的选取提供了依据。 关键词：激光电源； 半桥串联谐振； 软开关； 电容充电 中图分类号：TM910；TN248 文献标识码：A 文章编号：1000-100X（2010）03-0014-03 Research on Half-bridge Series Resonant Soft-switch Charger of Laser Capacitance SA Yu， CAO Qi-ming， WANG Sheng-ping， GAO Hui-min （Tianjin University， Tianjin 300072， China） Abstract：In repetitive pulse solid -state laser，energized capacitance needs charging and discharging frequently，which is usually realized by resonant circuit to suit wide load range.So a half -bridge series resonant charge circuit is developed which supplies charging current 2.1 A and maximum charging voltage 1.86 kV with 20 kHz switch frequency.The circuit runs in current interrupt mode，which guarantees transistor opening and closing at soft-switch.The periodic voltage and cur- rent recursion formula are analyzed，and show that average charging current is permanent in each period，transient maxi- mum voltage of resonant capacitor is twice of the steady state，and the transient maximum current is 1.5 times of steady state peak current.The result instructs the choice of resonant capacitor and switch transistors. Keywords：laser power supply； half-bridge series resonant； soft-switch； capacitor charger 图 1 串联谐振半桥电路 14 a，c 段电流流过 IGBT，b，d 段电流流过自由轮 二极管， 方程中时间零点分别取自 a，b，c，d 段各自 的起始点，各段可写出统一的电路方程： Lr′ didt + 乙 iCr =△u， i（0）=0 （1） 由于 C′垌Cb，故 Cb与 C′的串联等效电容 Cr≈Cb。 针对图 3的 4种情况，△u取值如下： △u1=Uin2 -uC′-U1 ， a段； △u2=Uin2 +uC′-U2 ， b段； △u3=-Uin2 +uC′-U3 ， c段； △u4=- Uin2 -uC′-U4 ， d ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ 段 （2） 式中：U1～U4为 a，b，c，d 各段 uCb的初值。 需要注意 ，方程 （1）成立的前提是 ：在 a，d 段 △u＞0；在 b，c 段 △u＜0。 定义特征阻抗 R= Lr′/Cr姨 ， 谐振角频率 ω0= 1/（Lr′Cr）姨 ，可以得到式（1）的解： i（t）= △uR sinω0t ， uCb（t）=UCb（0）+△u（1-cosω0t） （3） 由式（3）可见，i（t）以周期为 2π/ω0 的正弦波形 式存在。 a，b，c，d各阶段的初始和终止电流为零，电 流持续时间为 π/ω0。 3 软开关条件 在电流断续模式，开关管在开通时电流为零，由 于谐振电感的作用，限制了电流的增长速度，故可保 证 ZCS开通。 在关断时，已进入了谐振的后半周期， 电流流过自由轮二极管，此时为 ZCZVS关断。因此保 证电路软开关的条件是： ①电源工作于电流断续模 式，即保证开关频率 f≤f0 /2=1/（4π Lr′Cr姨 ）；②开关 管在谐振的后半周期关闭， 即开通时间满足 π/ω0≤ Ton＜2π/ω0。 4 平均充电电流计算 4.1 临界状态的平均谐振电流 考虑 f=f0 /2 时临界情况，电流刚好达到连续，a， b，c，d各段的持续时间均为 π/ω0。在短时间内，uC′可 认为基本不变，流经 BA 间的电流 i 和 uCb具有周期 复现性。 在 a，b，c，d 4个阶段中，前一阶段的终值总 是下一阶段的初值，根据式（3）可以求得 a，b，c，d 各 段 uCb的终值与初值的关系： UCb（π/ω0）=UCb（0）+2△u （4） 再依据式（2）中各阶段不同的 △u，可得： U2=-U1+Uin-2uC′， a段； U3=-U2+Uin+2uC′， b段 U4=-U3-Uin+2uC′， c段； U1=-U4-Uin-2uC′， d ≤ 段 （5） 考察每段中 t∈（0，π/ω0）区间，i（t）的平均值为： I= πω0 π/ω0 0乙 △uR sinω0t= 2△uπR （6） 考虑到整流桥的整流作用，综合式（2），（5）和（6）， 可得临界状态谐振平均充电电流为： If= I a+Id + Ib+I c 4 = Uin πR （7） 由式（7）可见，在 Uin 和 R 不变的情况下，半桥 串联谐振充电的平均电流保持恒定， 因此该电路也 被称为脉动恒流充电电路。 4.2 一般状态的平均谐振电流和平均充电电流 当 f＜f0 /2 时，电流发生间断，此时的平均电流必 然小于临界状态，并且可用简单的比例关系求解： I= ff0 If= ff0 ·Uin πR （8） 由此可见， 通过降低开关频率也可降低平均电 流，充电功率随之降低。 式（8）中电流是变压器初级电流，实际充电电流 为变压器次级电流，即： I c= ff0 · Uin πKR （9） 5 充电时间和最高充电电压 由于该电路属于恒流充电， 因此储能电容电压 是线性增长的。 △uC= △QC = I ct C = f f0 · Uin πKRC t （10） 当 uC′增长到 Uin/2 时，已不满足式（1）成立的前 提条件，电路不能继续谐振，b，d 段电流为零，a，c 段 电流和 uCb也会迅速减少，减小的速度取决于线路损 耗。 因此充电的极限电压约为 KUin/2。 给定剩余电压和充电设定电压，依据式（10）可 以求出充电时间。 图 3 各段电流流向 C′为变压器等效之后的激光储能电容，C′=K2C K为忽略了 VDz1～VDz4导通压降后变压器的升压比 Lr′为变压器漏感和 Lr之和；uCb为 Cb上的电压，B 端为正 uC′为电容 C′的电压，uC′=uC /K；i 为流经 Lr′的电流，从 B 到 A为正 图 2 工作时序图 激光电容半桥串联谐振充电电源研究 15 电力电子技术 Power Electronics Vol.44， No.3 March 2010 第 44 卷第 3 期 2010 年 3 月 6 谐振电容 Cb的电压 6.1 稳态电压 Cb 在电路中除了作为谐振电容外， 还有隔直 流、通交流的作用，电压在稳态时会呈现正负对称的 周期振荡，结合式（5）可得： U1=-U3=-2uC′， U2=-U4=Uin （11） 由于 uC′