三電平ZCS充電結構的工作特性研究
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2 工作特性及參數設計
充電電源有2個(gè)重要的指標：充電精度和重復精度。
充電精度是指負載電壓達到額定值、開(kāi)關(guān)管零電流關(guān)斷時(shí)實(shí)際電壓與額定電壓之差與額定電壓的比值，這個(gè)比值越小，充電精度越高。充電精度的定義式為：
由前一節的分析可知：半電壓模式下的充電電流為全電壓模式下的3／4，所以半電壓模式下的階梯電壓較小，在負載電壓達到額定值時(shí)等候零電流關(guān)斷的這段時(shí)間內負載電電壓的增加值較全壓模式為小，所以充電精度有所提高。半電壓模式的充電精度值約為全電壓模式的3／4。
對于充電電源而言，負載從儲能電容中提取的能量在充電初期較小，而在充電末期增加迅速，可以由負載能量公式得出：本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/181403.htm
可以看到：負載提取的能量隨負載電壓的增加而增大。所以，如何才能減小負載在充電末期的能量需求，減小儲能電容上電壓的下降速度，保持其上電壓的穩定性?
從上節的分析可以看到：全電壓模式下的充電電流較大、充電速度快，而半電壓模式下的充電電流較小、充電速度慢，對負載電容而言，半電壓模式下其對能量的提取較全電壓模式下為小，所以應該在充電末期采用半電壓模式充電。但是對于整個(gè)充電時(shí)間而言，半電壓模式花費的充電時(shí)間長(cháng)，所以為了既保證充電時(shí)限，又提高儲能電容電壓的穩定性，可以采用先用全電壓模式工作，再半電壓模式工作的方式。為了實(shí)現模式轉換，充電電路參數需要遵守如下設計原則：
(1)變壓器參數按半電壓模式設計；
(2)諧振參數按全電壓模式設計。
當變壓器參數按半電壓模式設計時(shí)，變壓器的匝比提高一倍。在這種情況下，充電電源全電壓模式工作時(shí)負載達到額定電壓時(shí)變壓器的初級電壓為Us／2，這樣，根據變壓器的伏秒特性e△t=N△BS，當e減小一半時(shí)，在其它參數不變的情況下，變壓器磁芯的截面積減小一半，可以大大減小變壓器磁芯的重量。除此之外，變壓器匝比提高后，負載達到額定電壓后的初級電壓降低，由式(1)和式(2)可以看到：充電末期的正向充電電流并沒(méi)有達到最大值(2倍的初期充電電流)，反向續流也沒(méi)有減小到0。階段1的電流峰值減小，實(shí)現充電結束時(shí)的ZCS(零電流關(guān)斷)，可以提高充電精度。
由于半電壓模式下負載需求瞬時(shí)功率減小，所以?xún)δ茈娙菀部梢詼p小，這就減小了儲能環(huán)節的重量和體積。但是儲能電容不能減小太多，因為儲能電容太小，一次充電結束后整流前級為其補電，由于功率因數校正電路的影響，會(huì )使得儲能電容上的電壓波動(dòng)較大，在充電電源以重復頻率工作時(shí)不能保證較高的重復精度。
3 仿真實(shí)驗
如圖4為三電平ZCS恒流充電電源仿真模型。
三電平ZCS恒流充電電源的工作參數如下：
諧振頻率40kHz，開(kāi)關(guān)頻率20kHz，變壓器匝比110或220，儲能電容5 000μF或10 000μF，負載電容0．24μF，負載額定電壓50kV，額定功率30kJ／s，重復頻率1 00Hz。
為了突出三電平變換器的優(yōu)點(diǎn)，分別做以下3個(gè)實(shí)驗：
(1)變壓器匝比110時(shí)，三電平變換器僅采用全電壓模式充電，諧振電感8．64μH，諧振電容1．87μF，儲能電容為5 000μF及10 000μF；
(2)變壓器匝比220時(shí)，三電平變換器僅采用全電壓模式充電，諧振電感3．2μH，諧振電容4．96μF，儲能電容為5 000μF及10 000μF；
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