西莫论坛第五期研讨会——高压电容充电电源技术

renzando

目前电能的存储主要是以电容充电的方式来存储，储存于电容器中的能量释放完毕后 ,需要利用电容器充电电源(CCPS)重新充电至特定电压。充电速率、 负载电容容量范围、 电压稳定度、 纹波、 功率因数、 效率等都是衡量电源性能的重要指标。
那电容充电电源主要有哪些充电方式呢？电路拓扑又各有什么优缺点呢？请大家根据适应的场合和特点来谈谈吧。

本次研讨会就是向论坛的会员简要介绍一下高压电容电源的相关知识，讨论其相关技术，为广大的电源设计会员们提供一点帮助。

本次研讨会规则：
1、本贴主要讨论电容器充电电源(CCPS)及其相关内容，其他类型电源方面，请勿涉及。
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1.带充电电阻器的高压直流电源

这种技术利用高压直流电源通过充电电阻器向储能电容器充电。当电容器电压等于电源

输出电压时，充电模式结束。放电模式中，充电电阻器将电源与脉冲负载隔离。

该技术的优点是简单、可靠和成本低。主要缺点是效率较低。理想情况下 ,充电模式中消耗在充电电阻上的能量与存储在电容器中的能量相同。因最大效率是 50% ,故该电路主要用于功率等级低、电路简单、体积、重量、输出电压调整率、效率要求都不严格的地方

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2.谐振充电电源

谐振充电电路见图。交流输入电源利用变压器升压 ,经过整流后被电容器C2滤波 ,产生高压直流电压 U0 。C2 >>C1 。晶闸管 T1触发后电流流经电感 L 和二极管D1 ，从C2向C1传递能量。充电模式结束电压 u( t)的值为 2U0 。

虽该技术简单而有效 ,但存在限制 ,大容量的C2提高了成本。图2 仅需要一个晶闸管。但其电压等级可能需要多个晶闸管串联或采用闸流管。脉冲负载的重复频率需要满足负载放电前 C1安全充电 ,直到i ( t)为零 ,这样可以使 T1关断。开关特性决定了该电路无法运行于更新模式。

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开关变换器用一系列脉冲或脉冲链向储能电容充电 ,而不是用一个脉冲来充电。因能量用小脉冲的方式传递到储能电容器中 ,故输出电压稳定度得到改善。开关变换器可工作于软开关状态 ,技术更先进 ,开关损耗小、谐波分量小、频率高、储能元件体积小等优点。下面对几种普遍用于电容器充电电源的变换器进行分析和对比。

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3.1 串联谐振变换器充电电源

在串联谐振变换器中谐振电容和电感连接在变压器的低压侧,整流管和储能电容连接在高压侧。变压器的变比都较大 ,储能电容反射到原边的电容量相对于谐振电容非常大 ,故谐振频率不受影响。

当电路工作在高频时，变压器的漏感可用作谐振电感。突出特性是在短路状态下能够正常工作。电路的特征阻抗可用来限制峰值电流 ，开关频率也可控制谐振电流的峰值。或当电路刚启动时工作在低频，然后慢慢升高到谐振频率。该方法既可限制启动时的峰值电流又可减少充电时间，缺点是电路的元件必须能够在变频模式下工作。

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3.2反激变换器

反激变换器充电电源见图,工作原理为开关闭合 ,变压器原边电流增大。当增大到规定值时开关断开 ,电流传输到付边绕组 ,能量通过付边绕组传输给储能电容。当开关闭合时能量传输结束 ,重复下一个周期。

电路的优点是变压器相对来说较小 ,从而减小电源尺寸、 重量、 费用和变压器的损耗。电路具有短路保护功能，但开路须保护。缺点是开关损耗较大,二极管耐压为3 倍的输出电压 ,电路器件应力很大 ,适合于小功率场合。

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3.3 LCL串并联谐振变换器充电电源

LCL 串并联谐振充电电源见图 ,可工作在恒和恒压两种模式,主要由开关频率决定。串并联负载谐振变换器 ,包含3个谐振元件 ,有谐振频率。其中一个谐振频率独立于负载阻。当工作在该谐振频率时电路可提供恒定的负载流 ,见图。串并联负载谐振变换器可在整个过中工作在一个频率 ,控制电路很简单。在不使用正电路的情况下功率因数可达0.9。

renzando

3.4 指令共振充电电源

下图指令共振充电电源原理图。通过固体串联开关把大储能电容的能量通过升压变压器 ,然后通过单次脉冲传输给 PFN (脉冲行成线) 电容。整机效率达到 95 % ,大部分损耗在变压器和电容上。主要问题是原边电容需要储存大量的能量 ,为了具有好的调整率和保护负载不产生电弧 ,需要切断很大的电流 ,且变压器的尺寸非常大。电路的优点是对 CL 的改变不敏感 ,设计简单。

该拓扑电路可用于多脉冲充电电路 ,其变压器的尺寸、损耗和费用将减小。多脉冲每次储存在变压器中的剩余能量少于单脉冲 ,故如不计效率 ,能量回收电路并不是很必要。当充电脉冲数目增加时 ,电压调整率也将得到改善。

renzando

3. 5 充电电源最新研究方向

目前人们主要研究方向为大功率、 模块化充电电源。下图为基于并联逆变器的 8 kJ / s 高频电容充电电源。简单有效的磁耦合技术能够使多个逆变单元共用一个谐振槽路,且能够高效的工作。并联耦合 H 桥 ,逆变器的均流技术由平衡阻抗解决。可通过并联多个 H 桥逆变器代替电源并联得到大功率、 高效的电容充电电源。

renzando

下图为35 kJ / s 的25 kV 电容充电电源脉冲功率系统，采用三相串联谐振变换器。该谐振变换器采用干式变压器,稳定性和维护性大大改变 ,是单项逆变器传统电源和普通变压器的前进方向。功率因数和满载效率达到 90 % ,且适用于大功率场合。

齿轮设计

用于电动车的制动电能回收应当比较理想

renzando

以上的内容也就是当今高压电容充电电源常用的几种方式，随着现在半导体技术的高速发展，高压大电流已经成为趋势！
半导体的串并联、电路拓扑的串并联也是研究热点，好多论文就是串一个或者并一个就是一个新的创新！

jorken

貌似这个在电动汽车充电站运用发展前景很好

renzando

回复 11# 齿轮设计

这个当然是一个用途，但是电动汽车仅仅是中低压，普通的变流器即可，超级电容或者其他的高密度电池也是发展方向！

renzando

主要介绍了 3 种充电技术: ①带充电电阻的高压直流充电电源; ② 谐振型充电电源; ③ 高频开关变换器充电电源。第 ①种技术效率低 ,最大效率为 50 %。第 ② 种比第 ① 种效率提高了 ,但需要耐高压器件。前两种充电方式无法补偿电容的电压泄漏。第③ 种应用电力电子技术 ,使用半导体开关 ,通过 ZVS和 ZCS技术 ,提高了效率 ,改善了电压调整率 ,同时又能够补偿电容泄漏引起的电压跌落 ,是现在 CCPS的发展方向。对于大功率的充电电源 ,可使用并联及三相串联谐振充电技术。

wayne

前排留名，表示不是做这行的，今天纯是学习来滴

renzando

回复 13# jorken


    看来大家对电动汽车都很感兴趣啊！充电站应该会用电网结合变流器来的吧

renzando

回复 16# wayne


    大家共同学习！有回复必答！呵呵

zyp2560185

表示也不是做这行的    也来围观下

renzando

回复 19# zyp2560185


    感兴趣可以看看，围观也欢迎！