直流高压电源与电容充电电源的区别

1090 浏览 • 2019-12-04 22:02
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前言

电容充电电源(电容充电电源)是脉冲功率系统中重要的组成部分之一,肩负着系统能量来源的重要作用,那么电容充电电源与普通的高压直流电源有什么区别和相同点呢?

更新历史

2019年12月4日 - 初稿

作者:海伏科技——小涛(转载注明出处)
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高压直流源与充电电源的相同点

二者都是将市电的单相AC220V(大功率时三相AC380V)交流电转换为高压直流电(HVDC),其整体结构下图所示:

高压电源框图

图1:高压电源框图

高压电源内部储能区别

高压电源内部储能定义为升压变压器之后整流电路部分的储能,由于这部分能量会在每次电容放电时跟随电容一起放出,当输出电压降低过快时可能会导致高压整流二极管电流过大,限流电阻发热等一系列问题,所以普通的直流源不适用于电容充电,尤其是高频电容充放电场合。

高压直流电源升压整流电路

图2:高压直流电源升压整流电路

下面来简单计算一下消耗在限流电阻上的能量有多大。上图是一个50kV、15kW的普通直流电源的倍压整流部分。这是一个4倍压电路,变压器输出电压U_T经过倍压电路以后会放电四倍,即:

4U_T = U_{OUT} = 50kV

U_T=12.5kV

。其中C1上的电压为 U_T,C2,C3,C4上的电压为2U_T。此时倍压电容的储能为:

Q =\frac 1 2 C_1 U_T^2+\frac 1 2 (C_2+C_3+C_4 )(2U_T)^2

得出储能Q=20.3125J,放电时负载电容电压降至0V相当短路状态,电容的储能全部消耗在限流电阻R1 至 R5上,如果按照放电频率50Hz来计算,单单放电时消耗在限流电阻上的功率就达到1kW,显然这样的功率对于体积十分有限的限流电阻来说势必造成损坏。

针对电容充电电源改进后的电路如下:

电容充电电源升压整流电路

图3:电容充电电源升压整流电路

经过工艺的改进将变压器的输出电压提升至额定电压,省去倍压电路。同样50kV,15kW的电源滤波电容减小至680pF,此时储能为:

Q =\frac 1 2 C_1 U_{OUT}^2

计算得知储能Q=1.7J,远远小于有倍压电路的普通直流高压电源。同时将限流电阻更换为了谐振电感,进一步减小发热,经过这样的改进,使得电容充电电源的重复放电频率提升至1kHz。

高压直流电源为了降低输出电压纹波,所以会尽量增大电源内部的储能,意外放电时通过输出限流电阻来防止高压二极管损坏,这样的结构导致高压直流电源不适用于高频电容充放电应用。

高压电源反峰防护区别

高压直流电源在意外拉弧(ARC)、输出短路时,次级滤波电容的能量需要通过高压二极管释放,如果没有电流限制措施过大的放电电流会导致高压二极管的损坏。所以在直流高压电源内部会集成限流电阻,限流电阻在设计时一是要保证足够的耐压,在输出短路的瞬间能承受电源的额定输出电压不被过压击穿,二是要保证有足够的阻值限制短路电流不至于电流过大损坏高压二极管。

电容充电电源在电容放电时往往会伴随着反峰电压,关于反峰电压的产生可以参考这篇文章《高压电源反峰防护》。由于电容充电电源内部储能通常较小、所以在限流电阻计算时要考虑的不是内部储能的释放而是反峰电压对高压二极管带来的冲击。通常可以在限流器件之前还要增加一组续流二极管来分担流过整流二极管的反峰电流。虽然限流电阻可以有效的降低反峰带来的浪涌电流但是对于大功率电容充电电源来说过大的限流电阻会导致整机效率的降低,所以对于大功率高压充电机来说可以使用限流电感来限流。

虽然电源内部有一定的防反峰能力,但是只能应对低幅值、短时间的反峰。高压充电电源往往是脉冲功率技术整套系统的一个组成部件,很多情况下需要系统级考虑,消除反峰对充电机的影响。

控制电路的区别

普通的直流高压电源用于电容充电时会存在过冲的问题,这是由于直流高压电源采用双闭环(电压环、电流环)PID控制。PID控制应用在恒压系统时没有问题,它可以保证设定值与实际输出值相等。而在电容充电系统中,充电过程中电压始终低于设定电压,这时电压环的输出达到最大状态,电流环起作用,电源以设定的电流向电容充电。充满电时电压环的输出开始下降。电压环从最大输出状态切换到停止输出的状态需要一定的时间,而这段时间高压电源始终在工作,这就导致了实际充电的电压大于设定电压。
针对这一问题,海伏科技的高压电源采用全数字化算法,抛弃传统的使用运算放大器实现的PID算法,数字化算法可以在达到设定电压时立刻停止高压输出。除此之外还加入了硬件比较器,当电容电压达到设定值时立刻停止输出。经过这样的改进,充电的重复精度可以达到千分之一。

控制系统抗干扰能力的区别

不同于直流高压电源,电容充电电源在储能电容放电时往往会产生几十上百kA(千安)甚至更大的电流,现场的电磁环境通常比较恶劣。电容充电电源自身应该有比较强的抗干扰能力。海伏科技在电容充电电源系统集成中,全部采用光纤通讯,保证控制电信号不出箱。并且开发出一系列适用于强电磁干扰场合的主控、配件等满足客户的应用。

总结

尽管直流高压电源与电容充电电源有着诸多的不同,海伏科技的高压电源采用全数字化算法将二者进行了统一,同一台电源可以通过前面板菜单来选择工作在直流电源模式或是电容充电模式,更大限度的满足您的应用需求,同时保证电源的稳定可靠。我们销售的每一台电源都要确定客户使用场景,确保将电源参数调整至最佳状态。

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