基于高頻變壓器漏抗理論的脈沖電源多模塊并聯(lián)充電誤差機理研究

朱博峰 魯軍勇 張 曉 戴宇峰 馬 濤

基于高頻變壓器漏抗理論的脈沖電源多模塊并聯(lián)充電誤差機理研究

朱博峰 魯軍勇 張 曉 戴宇峰 馬 濤

（海軍工程大學艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430033）

基于高頻變壓器的串聯(lián)諧振充電設備是當前電容型脈沖功率電源系統(tǒng)先進的充電方式之一?，F(xiàn)有文獻針對其充電原理已進行過大量研究，主要致力于充電過程的數(shù)學建模及其與其他充電方式的性能對比。本文針對此種充電設備在實際使用過程中的充電誤差與并聯(lián)電源模塊個數(shù)相關(guān)聯(lián)的特殊現(xiàn)象，首先根據(jù)實際電路拓撲分析充電誤差的產(chǎn)生機理，并推導充電誤差與負載大小的定量關(guān)系，進而結(jié)合有限元和電路仿真證明理論分析的正確性，最后提出消除誤差的控制方案并完成實驗驗證。相關(guān)研究結(jié)論對優(yōu)化電磁發(fā)射裝置用電容型脈沖功率電源系統(tǒng)具有一定的實際意義。

高頻變壓器；繞組漏抗；脈沖電源；電容器；充電電源；串聯(lián)諧振

0 引言

電容器型脈沖功率電源是當前電磁軌道發(fā)射裝置走向工程化最可能的直接能量源[1]，而基于高頻開關(guān)電能變換和串聯(lián)諧振電能轉(zhuǎn)移原理的脈沖電容器高頻諧振充電方法是其充電子系統(tǒng)當前研究和應用的熱點技術(shù)之一。

國內(nèi)外在脈沖電容器充電技術(shù)領域業(yè)已經(jīng)歷了較長的研究和發(fā)展過程，并主要致力于不斷提高充電效率、減小電流波動沖擊及實現(xiàn)輕小化等具體優(yōu)化方向。目前，脈沖電容器常見的充電原理主要有恒壓直流充電、工頻諧振充電和高頻諧振充電等[2-4]，其中高頻開關(guān)串聯(lián)諧振充電方式以其電壓控制精度高、恒流臺階升壓沖擊小及體積相對更為緊湊等優(yōu)勢受到青睞[5-6]。文獻[7]介紹了一種電壓25kV、充電功率為35kJ/s的高頻串聯(lián)諧振充電電源；文獻[8]介紹了一種電壓3kV、充電功率為1.2kJ/s的高頻串并聯(lián)諧振充電電源；文獻[9]介紹了一種電壓50kV、充電功率為45kJ/s的高頻諧振充電電源的電磁兼容優(yōu)化方法；文獻[10]介紹了一種用于Tesla型加速器初級儲能電容的高頻諧振充電電源，其實際輸出電壓、電流參數(shù)等級約為1 000V和80A；文獻[11]介紹了一種電壓40kV、充電功率為20kJ/s的高頻諧振充電電源；文獻[12]提出一種適用于高頻諧振充電電源的參數(shù)設計方法；文獻[13]介紹了一種電壓10kV、充電功率43kJ/s的高頻諧振充電電源；文獻[14]介紹了一種用于CO2激光器的電壓36kV、充電功率為10kJ/s的高頻諧振充電電源；文獻[15]提出一種基于感應隔離的并聯(lián)充電型脈沖電源；文獻[16]研究了高頻諧振充電電源的寄生電容對其應用性能的影響規(guī)律；文獻[17]研究了移相串聯(lián)諧振充電電源的電流控制策略；文獻[18]研究了脈沖電源充電機整流器半導體器件瞬態(tài)過電流損壞的問題；文獻[19]研究了一種基于串聯(lián)諧振且充電速率僅為15kJ/s的小型充電裝置。

綜合以上可查公開文獻，目前脈沖電容器用高頻諧振充電電源的相關(guān)研究和應用主要集中于功率及能量需求相對較小的場合，還沒有直接利用高頻諧振充電電源作為大型脈沖功率電源系統(tǒng)（充電功率需求可達數(shù)百kJ/s，能量規(guī)?？蛇_MJ）的充電子系統(tǒng)的公開案例，也沒有研究負載大?。ú⒙?lián)電源模塊個數(shù)）影響充電誤差的文獻。本文針對電磁軌道發(fā)射裝置用電容型脈沖功率電源的充電設備在使用過程中遇到的充電電壓誤差隨并聯(lián)電源模塊個數(shù)的增加而增大的實際問題，展開相關(guān)的理論分析和仿真研究，提出問題的解決方案并完成實驗驗證。

1 充電電路原理及誤差現(xiàn)象

1.1 充電主回路原理

圖1為所研究脈沖電容器充電電源的原理示意圖，直流電源經(jīng)過高頻逆變器后，變?yōu)轭l率和輸出電流均可調(diào)的交流電，然后經(jīng)過變壓器升壓和全橋無控整流器變?yōu)楦邏褐绷鳛楸辉囯娙萜鞒潆?。相對于高壓交流電?jīng)全控整流器給電容器充電的方式，這種充電裝置內(nèi)部的可控半導體可以工作在軟開關(guān)模式下，有利于安全運行并降低開關(guān)損耗。另外，變壓器一次側(cè)設計的LC諧振元件用于實現(xiàn)臺階升壓和恒流充電，減小對負載即電容器的沖擊。圖2為上述充電電源的主電路拓撲。

圖2 電容器充電電源主電路拓撲

當僅考慮充電拓撲中的諧振電路時，則整個充電回路可以簡化為圖3所示的經(jīng)典串聯(lián)諧振電路。

圖3 經(jīng)典串聯(lián)諧振電路

圖4 折算后的串聯(lián)諧振電路

根據(jù)文獻[4]，在每一個諧振周期內(nèi)，兩個電容上的初始電壓逐步增加，且每次增加的幅度固定，在經(jīng)歷了個諧振周期后，兩個電容的初始電壓分別為

每一個諧振周期的平均充電電流為

1.2 充電誤差現(xiàn)象

圖5 電壓誤差實測曲線

2 充電誤差機理分析

多模塊并聯(lián)充電與單模塊充電電壓誤差不一致，且由于充電誤差僅與負載電容的大小有關(guān)，即與充電電流的大小相關(guān)，而測量方法、控制方法均一致，因此主要考慮大功率變壓器二次側(cè)輸出電壓隨著負載變化而出現(xiàn)波動，從而導致誤差。

2.1 變壓器輸出波動

2.2 繞組漏抗壓降

圖6 高頻變壓器幾何參數(shù)

綜上所述，根據(jù)阻抗計算公式可得變壓器繞組間的電抗電壓為

阻抗壓降的另一個分量即電阻壓降相對容易求解，即

3 充電誤差仿真再現(xiàn)

3.1 變壓器漏磁仿真

由于多模塊并聯(lián)充電誤差主要來自高頻變壓器，因此為了對充電電壓誤差進行準確仿真，需要首先準確獲取高頻變壓器的漏抗參數(shù)，本節(jié)利用有限元仿真手段計算實際充電電路中高頻變壓器的漏抗參數(shù)，并與該變壓器的設計參數(shù)進行比對。仿真時首先根據(jù)高頻變壓器的實際尺寸建立其四分之一軸對稱模型，并設置一、二次繞組匝數(shù)和激勵電流，然后在求解空氣域外圍設置磁通平行邊界條件，最后求解電流峰值對應狀態(tài)下的電磁場分布。磁感應強度和漏磁能量分布分別如圖7和圖8所示。

圖7 磁感應強度分布

圖8 漏磁能量分布

3.2 充電主電路仿真

根據(jù)實際電路拓撲建立主電路及逆變電路仿真模型分別如圖9和圖10所示，并分別仿真并聯(lián)電源模塊數(shù)為1、3、5、7、10時的充電電壓誤差情況，由于一定時間后充電電壓逐漸趨于穩(wěn)態(tài)（平頂波形），據(jù)此把仿真時長設定為10s以保證各個仿真條件下誤差對比基礎一致。仿真得到的不同并聯(lián)模塊個數(shù)條件下充電電壓和電流波形分別如圖11和圖12所示，可以看出充電電壓的穩(wěn)態(tài)誤差隨著并聯(lián)模塊個數(shù)的增加而明顯加大。

圖9 主電路仿真模型

圖10 逆變電路仿真模型

圖11 充電電壓波形

圖12 充電電流波形

4 誤差補償方案及驗證

4.1 補償方法

根據(jù)仿真和測試結(jié)果可知，充電電壓誤差隨并聯(lián)模塊個數(shù)的變化關(guān)系近似為線性，因此本文提出線性回歸法補償由高頻變壓器漏電抗引起的多模塊并聯(lián)充電電壓誤差，即利用數(shù)據(jù)擬合的方式得到任意并聯(lián)模塊個數(shù)與電壓誤差的解析關(guān)系，進而將該補償環(huán)節(jié)加入電壓閉環(huán)控制回路以提高充電電壓的準確度。電壓誤差擬合曲線如圖13所示。

4.2 實驗驗證

經(jīng)過利用4.1節(jié)提出的線性回歸法的修正，本文所研究的充電電壓誤差現(xiàn)象被消除，證明了理論分析和仿真方法的正確性。補償電壓與正常電壓的對比如圖14所示。

圖13 電壓誤差擬合曲線

圖14 補償電壓與正常電壓的對比

5 結(jié)論

當電磁發(fā)射用電容型脈沖功率電源系統(tǒng)以高頻諧振方式進行充電時，充電電壓的誤差會隨并聯(lián)模塊個數(shù)的增加而增大，其本質(zhì)原因主要是高頻變壓器的漏抗壓降會隨著負載電流的增大而增大，導致實際有效輸出電壓降低。通過建立電壓誤差與模塊個數(shù)的定量數(shù)學關(guān)系，可以消除上述充電誤差。本文的研究方法和相關(guān)結(jié)論對電容型脈沖電源的充電子系統(tǒng)設計具有一定的實際意義。

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Charging error analysis of multi parallel pulse power modules based on leakage reactance of high frequency transformer

ZHU Bofeng LU Junyong ZHANG Xiao DAI Yufeng MA Tao

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The series resonant charging equipment based on high frequency transformer is one of the advanced charging methods of capacitive pulse power supply. The existing literature has done a lot of research on its charging principle, mainly focusing on the mathematical modeling of the charging process and the performance comparison with other charging methods. This paper aims at the special phenomenon that the charging error of this kind of charging equipment is related to the number of parallel modules in actual use. Firstly, the mechanism of charging error is studied according to the actual circuit topology, and the quantitative relationship between charging error and load is deduced. Furthermore, the correctness of the theoretical analysis is verified by combining the finite element method and circuit simulation. Finally, the control scheme to eliminate the error is proposed and the experimental verification is completed. The conclusion of related research has certain practical significance for optimizing the capacitive pulse power supply system of the electromagnetic launcher.

high frequency transformer; winding leakage reactance; pulse power supply; capacitor; charging power; series resonant

2021-06-30

2021-08-20

朱博峰（1990—），男，博士，研究方向為脈沖功率技術(shù)。

國家自然科學基金青年項目（52107173）

國家自然科學基金重點項目（92066204、92166205）