一种LC谐振充电电源及提高其能量效率的方法技术

本发明专利技术公开了一种LC谐振充电电源，通过在充电回路和负载电路之间设置高压硅堆D，脉冲变压器Xformer次级输出的电流经过高压硅堆D后对负载电容Cload充电，由于高压硅堆D的存在，负载电压达到最大值后，负载上电压将不再通过脉冲变压器Xformer次级线圈回路振荡放电，电压可以长时间维持在最高充电电压，同时，脉冲变压器Xformer初级导通电流的截止时间加长，使得初级电容Cp上反压数值与提前触发的工作方式相比，幅值更高，电源的效率可以显著提升。此外，又由于初级电容Cp反压幅值增加，增大了储能电容Cm电压的工作范围，提高了充电电源的工作的稳定性和可靠性，应用性增强。同时，本发明专利技术还公开了一种提高LC谐振充电电源能量效率的方法。

A LC Resonant Charging Power Supply and Its Energy Efficiency Improvement Method

【技术实现步骤摘要】
一种LC谐振充电电源及提高其能量效率的方法
本专利技术主要涉及大功率充电电源装置
，具体地说，涉及一种LC谐振充电电源及提高其能量效率的方法。
技术介绍
高功率脉冲调制器在军事和民用领域有着广泛的应用，近年来随着Zpinch、环保、高能激光和微波等应用的深入发展，对脉冲调制器输出的功率、重复运行频率等要求越来越高。大功率高压充电系统作为脉冲功率调制器的重要组成部分，对其充电电压、功率及电源效率等要求也相应的增加。大功率充电电源通常采用全桥串联谐振的工作方式，该方案具有充电效率高、应用广的特点。但是随着重复运行频率的增加，由于可用充电时间的减小，电源的输出功率会大幅的增加，造成装置体积、重量的增加。谐振充电电源采用变压器脉冲升压充电，并利用中间储能电容，对变压器原边电容的能量进行补充以实现重频运行的充电方案，具有充电时间短、可重复充电频率高等优点，在脉冲功率装置中得到了广泛的应用，但其充电电源效率通常较低，且重复频率运行或长时间运行时会造成多余的能量累积在充电电源回路中，造成系统温度升高而导致一系列问题，因此不利于充电电源工作的稳定性及可靠性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种LC谐振充电电源及提高其能量效率的方法，克服现有技术中充电电源效率低、稳定性和可靠性较差的技术问题。本专利技术的LC谐振充电电源电路，包括谐振充电回路、负载电路及设置于充电回路和负载电路之间的高压硅堆D：所述谐振充电回路包括中控系统、触发控制模块、初级电容Cp、放电晶闸管开关S1、能量回收晶闸管开关S2、保护电感L1、谐振充电电感L2、脉冲变压器Xformer、能量补充晶闸管开关S3及储能电容Cm，所述中控系统与触发控制模块相连；所述触发控制模块分别与放电晶闸管开关S1、能量回收开关晶闸管开关S2和能量补充晶闸管开关S3的门极相连；所述初级电容Cp、放电晶闸管开关S1与脉冲变压器Xformer依次串联于谐振充电回路中，所述放电晶闸管开关S1的阴极与脉冲变压器Xformer的初级输入端相连；所述初级电容Cp的正极依次经谐振充电电感L2和保护电感L1后与能量回收晶闸管开关S2的阴极相连，其负极与能量回收晶闸管开关S2的阳极相连；所述储能电容Cm与初级电容Cp并联设置，其正极与能量补充晶闸管开关S3的阳极相连，所述能量补充晶闸管开关S3的阴极与保护电感L1和谐振充电电感L2的交叉节点相连；所述负载电路包括并联连接的负载电容Cload和最终负载Rload，以及串联在两者之间的气体开关Switch；所述高压硅堆D的一端与脉冲变压器Xformer次级输出端连接，其另一端与负载电容Cload连接。进一步地，所述高压硅堆D包括多个整流二极管，多个所述整流二极管同时串联、并联连接。进一步地，所述LC谐振充电电源还包括主放电开关控制板和回收补充开关控制板，所述触发控制模块通过主放电开关控制板与放电晶闸管开关S1的门级相连，并通过回收补充开关控制板分别与能量回收晶闸管开关S2和能量补充晶闸管开关S3的门极相连进一步地，所述高压硅堆D的耐压标称值为负载电容Cload充电电压幅值的1.8倍。本专利技术的另一个方面，还提供一种提高LC谐振充电电源能量效率的方法，所述LC谐振充电电源为其上任一项所述的LC谐振充电电源，所述方法包括如下步骤：S1，对初级电容Cp及储能电容Cm充电，达到指定电压时，触发控制模块输出触发信号促使放电晶闸管开关S1导通；S2，初级电容Cp上电压经过脉冲变压器Xformer升压后，对负载电容Cload充电；S3，当脉冲变压器Xformer次级输出充电电压达到振荡充电电压最高值后，气体开关Switch触发导通，对最终负载Rload放电；S4，初级电容Cp经放电晶闸管开关S1放电，电流过零时，放电晶闸管开关S1截止，原边电容Cp上电压值为负值，此时，中控系统发出触发脉冲使能量回收晶闸管开关S2导通，将初级电容Cp反压通过回路Cp-S2-L1-L2-Cp进行能量回收；S5，初级电容Cp完成能量补充后，充电工作完成，重新返回步骤S1。进一步地，在步骤S4能量回收过程中，依据储能电容Cm上电压数值以及初级电容Cp上电压数值，中控系统通过预先设计的不同触发时序分别触发能量回收晶闸管开关S2和能量补充晶闸管开关S3，使得初级电容Cp上电压值经过能量回收和补充后与初始充电电压数值相等。进一步地，步骤S3中气体开关Switch触发导通时刻设置在达到脉冲变压器Xformer次级输出充电电压最大值后的任意时刻。进一步地，初级电容Cp经脉冲变压器Xformer放电后，部分能量效率公式如下：其中，Cload为负载电容Cload的电容值，Ucload为负载电容Cload的充电电压，Cp为初级电容Cp的电容值，UCp0为初级电容Cp的初始充电电压，Ucp-为初级电容Cp经过一个充电周期后的反压。进一步地，所述储能电容Cm用于补充给初级电容Cp电压值的工作电压范围用如下公式计算：式中，Ucm为储能电容Cm上电压值，Ucp-为初级电容Cp经过一个充电周期后的反压，UCp0为初级电容Cp的初始充电电压。进一步地，储能电容Cm输出的最大脉冲个数为储能电容Cm最大的有效能量与每个周期初级能源回路损失的能量的比值，设定最大脉冲个数为N，其表达式：式中，Cm为储能电容Cm的电容值，Cp为初级电容Cp的电容值，UCp0为初级电容Cp的初始充电电压，Ucp-为初级电容Cp经过一个充电周期后的反压。故此，本专利技术的LC谐振充电电源及即提高其能量效率的方法，通过在充电回路和负载电路之间设置高压硅堆D，高压硅堆D的一端与脉冲变压器次级输出端连接，其另一端与负载电容Cload连接，即脉冲变压器Xformer次级输出的电流经过高压硅堆D后对负载电容Cload充电，由于高压硅堆D的存在，负载电压达到最大值后，负载上电压将不再通过脉冲变压器Xformer次级线圈回路振荡放电，电压可以长时间维持在最高充电电压，同时，脉冲变压器Xformer初级导通电流的截止时间加长，使得初级电容Cp上反压数值与提前触发的工作方式相比，幅值更高，电源的效率可以显著提升。此外，又由于初级电容Cp反压幅值增加，增大了储能电容Cm电压的工作范围，提高了充电电源的工作的稳定性和可靠性，应用性增强。附图说明构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术一实施例的LC谐振充电电源的电路图；图2是本专利技术负载电容充电电压、高压硅堆两端电压差及初级电容充电电压的波形图；图3是本专利技术一种提高LC谐振充电电源能量效率的方法的流程图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。图1是本专利技术一实施例的LC谐振充电电源的电路图。如图1所示，LC谐振充电电源包括谐振充电回路、负载电路及设置于充电回路和负载电路之间的高压硅堆D：谐振充电回路包括中控系统、触发控制模块、初级电容Cp、放电晶闸管开关S1、能量回收晶闸管开关S2、保护电感L1、谐振充电电感L2、脉冲变压器Xformer、能量补充晶闸管开关S3及储能电容Cm，中控系统与触发控制模块相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LC谐振充电电源，其特征在于，包括谐振充电回路、负载电路及设置于充电回路和负载电路之间的高压硅堆D：所述谐振充电回路包括中控系统、触发控制模块、初级电容Cp、放电晶闸管开关S1、能量回收晶闸管开关S2、保护电感L1、谐振充电电感L2、脉冲变压器Xformer、能量补充晶闸管开关S3及储能电容Cm，所述中控系统与触发控制模块相连；所述触发控制模块分别与放电晶闸管开关S1、能量回收开关晶闸管开关S2和能量补充晶闸管开关S3的门极相连；所述初级电容Cp、放电晶闸管开关S1与脉冲变压器Xformer依次串联于谐振充电回路中，所述放电晶闸管开关S1的阴极与脉冲变压器Xformer的初级输入端相连；所述初级电容Cp的正极依次经谐振充电电感L2和保护电感L1后与能量回收晶闸管开关S2的阴极相连，其负极与能量回收晶闸管开关S2的阳极相连；所述储能电容Cm与初级电容Cp并联设置，其正极与能量补充晶闸管开关S3的阳极相连，所述能量补充晶闸管开关S3的阴极与保护电感L1和谐振充电电感L2的交叉节点相连；所述负载电路包括并联连接的负载电容Cload和最终负载Rload，以及串联在两者之间的气体开关Switch；所述高压硅堆D的一端与脉冲变压器Xformer次级输出端连接，其另一端与负载电容Cload连接。...

【技术特征摘要】
1.一种LC谐振充电电源，其特征在于，包括谐振充电回路、负载电路及设置于充电回路和负载电路之间的高压硅堆D：所述谐振充电回路包括中控系统、触发控制模块、初级电容Cp、放电晶闸管开关S1、能量回收晶闸管开关S2、保护电感L1、谐振充电电感L2、脉冲变压器Xformer、能量补充晶闸管开关S3及储能电容Cm，所述中控系统与触发控制模块相连；所述触发控制模块分别与放电晶闸管开关S1、能量回收开关晶闸管开关S2和能量补充晶闸管开关S3的门极相连；所述初级电容Cp、放电晶闸管开关S1与脉冲变压器Xformer依次串联于谐振充电回路中，所述放电晶闸管开关S1的阴极与脉冲变压器Xformer的初级输入端相连；所述初级电容Cp的正极依次经谐振充电电感L2和保护电感L1后与能量回收晶闸管开关S2的阴极相连，其负极与能量回收晶闸管开关S2的阳极相连；所述储能电容Cm与初级电容Cp并联设置，其正极与能量补充晶闸管开关S3的阳极相连，所述能量补充晶闸管开关S3的阴极与保护电感L1和谐振充电电感L2的交叉节点相连；所述负载电路包括并联连接的负载电容Cload和最终负载Rload，以及串联在两者之间的气体开关Switch；所述高压硅堆D的一端与脉冲变压器Xformer次级输出端连接，其另一端与负载电容Cload连接。2.根据权利要求1所述的LC谐振充电电源，其特征在于，所述高压硅堆D包括多个整流二极管，多个所述整流二极管同时串联、并联连接。3.根据权利要求1所述的LC谐振充电电源，其特征在于，还包括主放电开关控制板和回收补充开关控制板，所述触发控制模块通过主放电开关控制板与放电晶闸管开关S1的门级相连，并通过回收补充开关控制板分别与能量回收晶闸管开关S2和能量补充晶闸管开关S3的门极相连。4.根据权利要求1所述的LC谐振充电电源，其特征在于，所述高压硅堆D的耐压标称值为负载电容Cload充电电压幅值的1.8倍。5.一种提高LC谐振充电电源能量效率的方法，其特征在于，所述LC谐振充电电源为权利要求1至4中任一项所述的LC谐振充电电源，所述方法包括如下步骤：S1，对初级电容Cp及储能电容Cm充电，达到指定电压时，触发控制模块输出触发信号促使放电晶闸管开关S1导通；S2，初级电容Cp上电压经过脉冲变压器Xformer升压后，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷毅，李志强，王弘刚，洪志强，
申请(专利权)人：湖南华成迈创电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43