前言

電容充電電源（電容充電機(jī)）是脈沖功率系統(tǒng)中重要的組成部分之一，肩負(fù)著系統(tǒng)能量來源的重要作用，那么電容充電電源與普通的高壓直流電源有什么區(qū)別和相同點(diǎn)呢？

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2019年12月4日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉(zhuǎn)載注明出處）
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高壓直流源與充電電源的相同點(diǎn)

二者都是將市電的單相AC220V（大功率時(shí)三相AC380V）交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電（HVDC），其整體結(jié)構(gòu)下圖所示：

圖1：高壓電源框圖

高壓電源內(nèi)部?jī)?chǔ)能區(qū)別

高壓電源內(nèi)部?jī)?chǔ)能定義為升壓變壓器之后整流電路部分的儲(chǔ)能，由于這部分能量會(huì)在每次電容放電時(shí)跟隨電容一起放出，當(dāng)輸出電壓降低過快時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致高壓整流二極管電流過大，限流電阻發(fā)熱等一系列問題，所以普通的直流源不適用于電容充電，尤其是高頻電容充放電場(chǎng)合。

圖2：高壓直流電源升壓整流電路

下面來簡(jiǎn)單計(jì)算一下消耗在限流電阻上的能量有多大。上圖是一個(gè)50kV、15kW的普通直流電源的倍壓整流部分。這是一個(gè)4倍壓電路，變壓器輸出電壓U_T經(jīng)過倍壓電路以后會(huì)放電四倍，即:

\( 4U_T = U_{OUT} = 50kV \)

\( U_T=12.5kV \)

其中\( C_1 \)上的電壓為 \( U_T \),\( C_2 \),\( C_3 \),\( C_4 \)上的電壓為\( 2U_T \)。此時(shí)倍壓電容的儲(chǔ)能為：

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

得出儲(chǔ)能Q=20.3125J，放電時(shí)負(fù)載電容電壓降至0V相當(dāng)短路狀態(tài)，電容的儲(chǔ)能全部消耗在限流電阻R1 至 R5上，如果按照放電頻率50Hz來計(jì)算，單單放電時(shí)消耗在限流電阻上的功率就達(dá)到1kW，顯然這樣的功率對(duì)于體積十分有限的限流電阻來說勢(shì)必造成損壞。

針對(duì)電容充電電源改進(jìn)后的電路如下：

圖3：電容充電電源升壓整流電路

經(jīng)過工藝的改進(jìn)將變壓器的輸出電壓提升至額定電壓，省去倍壓電路。同樣50kV，15kW的電源濾波電容減小至680pF，此時(shí)儲(chǔ)能為：

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

計(jì)算得知儲(chǔ)能Q=1.7J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有倍壓電路的普通直流高壓電源。同時(shí)將限流電阻更換為了諧振電感，進(jìn)一步減小發(fā)熱，經(jīng)過這樣的改進(jìn)，使得電容充電電源的重復(fù)放電頻率提升至1kHz。

高壓直流電源為了降低輸出電壓紋波，所以會(huì)盡量增大電源內(nèi)部的儲(chǔ)能，意外放電時(shí)通過輸出限流電阻來防止高壓二極管損壞，這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致高壓直流電源不適用于高頻電容充放電應(yīng)用。

高壓電源反峰防護(hù)區(qū)別

高壓直流電源在意外拉?。ˋRC）、輸出短路時(shí)，次級(jí)濾波電容的能量需要通過高壓二極管釋放，如果沒有電流限制措施過大的放電電流會(huì)導(dǎo)致高壓二極管的損壞。所以在直流高壓電源內(nèi)部會(huì)集成限流電阻，限流電阻在設(shè)計(jì)時(shí)一是要保證足夠的耐壓，在輸出短路的瞬間能承受電源的額定輸出電壓不被過壓擊穿，二是要保證有足夠的阻值限制短路電流不至于電流過大損壞高壓二極管。

電容充電電源在電容放電時(shí)往往會(huì)伴隨著反峰電壓，關(guān)于反峰電壓的產(chǎn)生可以參考這篇文章《高壓電源反峰防護(hù)》。由于電容充電電源內(nèi)部?jī)?chǔ)能通常較小、所以在限流電阻計(jì)算時(shí)要考慮的不是內(nèi)部?jī)?chǔ)能的釋放而是反峰電壓對(duì)高壓二極管帶來的沖擊。通?？梢栽谙蘖髌骷斑€要增加一組續(xù)流二極管來分擔(dān)流過整流二極管的反峰電流。雖然限流電阻可以有效的降低反峰帶來的浪涌電流但是對(duì)于大功率電容充電電源來說過大的限流電阻會(huì)導(dǎo)致整機(jī)效率的降低，所以對(duì)于大功率高壓充電機(jī)來說可以使用限流電感來限流。

雖然電源內(nèi)部有一定的防反峰能力，但是只能應(yīng)對(duì)低幅值、短時(shí)間的反峰。高壓充電電源往往是脈沖功率技術(shù)整套系統(tǒng)的一個(gè)組成部件，很多情況下需要系統(tǒng)級(jí)考慮，消除反峰對(duì)充電機(jī)的影響。

控制電路的區(qū)別

普通的直流高壓電源用于電容充電時(shí)會(huì)存在過沖的問題，這是由于直流高壓電源采用雙閉環(huán)（電壓環(huán)、電流環(huán)）PID控制。PID控制應(yīng)用在恒壓系統(tǒng)時(shí)沒有問題，它可以保證設(shè)定值與實(shí)際輸出值相等。而在電容充電系統(tǒng)中，充電過程中電壓始終低于設(shè)定電壓，這時(shí)電壓環(huán)的輸出達(dá)到最大狀態(tài)，電流環(huán)起作用，電源以設(shè)定的電流向電容充電。充滿電時(shí)電壓環(huán)的輸出開始下降。電壓環(huán)從最大輸出狀態(tài)切換到停止輸出的狀態(tài)需要一定的時(shí)間，而這段時(shí)間高壓電源始終在工作，這就導(dǎo)致了實(shí)際充電的電壓大于設(shè)定電壓。
針對(duì)這一問題，海伏科技的高壓電源采用全數(shù)字化算法，拋棄傳統(tǒng)的使用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的PID算法，數(shù)字化算法可以在達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)立刻停止高壓輸出。除此之外還加入了硬件比較器，當(dāng)電容電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)立刻停止輸出。經(jīng)過這樣的改進(jìn)，充電的重復(fù)精度可以達(dá)到千分之一。

控制系統(tǒng)抗干擾能力的區(qū)別

不同于直流高壓電源，電容充電電源在儲(chǔ)能電容放電時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生幾十上百kA（千安）甚至更大的電流，現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境通常比較惡劣。電容充電電源自身應(yīng)該有比較強(qiáng)的抗干擾能力。海伏科技在電容充電電源系統(tǒng)集成中，全部采用光纖通訊，保證控制電信號(hào)不出箱。并且開發(fā)出一系列適用于強(qiáng)電磁干擾場(chǎng)合的主控、配件等滿足客戶的應(yīng)用。

總結(jié)

盡管直流高壓電源與電容充電電源有著諸多的不同，海伏科技的高壓電源采用全數(shù)字化算法將二者進(jìn)行了統(tǒng)一，同一臺(tái)電源可以通過前面板菜單來選擇工作在直流電源模式或是電容充電模式，更大限度的滿足您的應(yīng)用需求，同時(shí)保證電源的穩(wěn)定可靠。我們銷售的每一臺(tái)電源都要確定客戶使用場(chǎng)景，確保將電源參數(shù)調(diào)整至最佳狀態(tài)。

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