基于AC-link技术串联谐振充电电源实验研究
当前脉冲功率系统．高压电容通常采用线性电源谐振充电或传统谐振高频开关电源恒流充电。线性电源工作在工频条件下，变压器的体积庞大且笨重。此外，为了满足应用的需求，输出需要进行充分的滤波，通常需要大容量的高压电容，高储能需要为电源设计额外的保护系统。传统谐振高频开关电源采用谐振电路。能够工作在软开关条件下。工作频率大大提高，相比线性电源，电源的体积和重量大大降低。但输入为非线性整流，输入的功率因数较低，无校正时约为0.6，且向电网注入大量的谐波。电源内部存在DC-link部分，通常为大容量的电解电容。体积和重量占整个电源较大的比重，且电容内部存在较高的储能。随着机动新概念武器的发展，如主动拒止武器和电磁发射等，对电源的体积和重量提出了更高的要求。基于AC．link技术的串联谐振电容充电电源无线性整流和DC-link部分．采用了串联谐振技术，开关工作在零电流条件下。软开关条件下工作频率提高，减小了变压器的体积，使得电源的功率密度提高。新颖的控制方式使得三相输入电流跟随三相输入相电压，实现高的电能质量。
2 工作原理
充电电源结构由三相输入滤波器、IGBT组成的矩阵开关、LC串联谐振电路、高频高压变压器和全桥高压整流电路组成，如图1所录12-161。三相输入滤波器是由￡和C组成的二阶低通滤波器。滤波电容器采用Y形结构。滤波电容器除了用于降低回路中电流谐波。最重要的是起能量储存作用。供给串联谐振电路和负载．减小三相交流电压的畸变。矩阵开关由12个IGBT组成．每两个IGBT组成一个双向开关，电流可双向流动。连接方式可以是两个IGBT的C极相连，也可以是e极相连。6组双向开关组成桥式整流结构，矩阵开关与串联谐振电路相连。能够实现零电流开关和能量的双向流动。在工作过程中，通过检测三相交流电压和负载电压．控制矩阵开关中IGBT的开关时序和开关时间．控制每一相向谐振电路提供的电荷量，使得三相输入电流跟随三相输入相电压。
3 电源实验研究
设计了一台充电速率为60 kj/s，输出电压为50 kV的基于AC-link串联谐振高压充电电源的样机，长宽高分别为750 mm，432mm和311 mm。对电源开展了实验研究．分别对三相电网电压数字化信号、IGBT驱动信号、输入线电流、开关电流、谐振电流和输出电压进行了测试和分析。
3.1 数字化三相电网
数字化三相电网电压信号测试在电源工作的条件下进行。在电源工作全过程中，过零比较器的输出存在干扰，在三相电网电压的交界点，由于受换相过程中控制器控制精度和过零点较高的电压变化率du/dt的影响，干扰特别明显。这些干扰会引起控制器的输出错误的驱动信号。为了避免这种现象的出现．控制器采用数字滤波方式．有效抑制干扰所带来的影响。滤波前后的波形对比如图2所示。
可见，未经过数字滤波的信号在过零点附近发生振荡，干扰超过低电平门限后会引起控制器输出错误的信号。经数字滤波后的信号没有振荡，但有一定的延时，约为20μs，在实际工作中，过零同步信号对控制影响不大。
3.2 驱动信号测试
控制器输出的驱动信号是整个充电电源最关键的信号，关系整个电源的性能指标及可靠性。控制器驱动信号测试采用TLA5203B逻辑分析仪。A2(0)~A2(2)为三相电网电压数字化信息，对应a相，b相，c相的极性，高电平代表相电压为正，低电平代表相电压为负；A2(4)～A2(7)和A3(0)~A3(7)为V1一V12信号。电网为正序接入，相电压极性为(011)，因此可得ua<0,0 3.3 电源测试 测试电路由电容充电电源、负载电容、负载电阻和高压开关组成。负载电容为2μF，负载电阻为10Ω水电阻．高压开关为11P1110K／40型冷阴极闸流管。利用P6015A高压无源探头测量负载电容器上的电压，高压有源探头和电流传感器测量三相交流输入电压、开关电流和谐振电流。负载电压和谐振电流波形如图3a所示，电源线性地给2μF负载电容充电，充电结束时，电压为50 kv，充电时间为4 ms，平均充电电流为2.5 A，则电源平均充电速率为62.5 kj／s。由电源的平均充电速率和体积可得电源的功率密度为0.62 W／cm3。输入电流、电压波形如图3b所示。输入线电流波形为正弦，波形平滑，且能够很好地跟随相电压波形，实现高的功率因数。在工作时间内功率因数测量平均值为0.99。 充电初期和末期的开关电流如图4所示。随着充电电压的升高，在输入电压同相位条件下，换流时间从1μs增加到2μs，电流前半周期从6μs，输出能量逐渐增大；后半周期由于分布电容的影响变小，此外开关在换流过程中未出现电流尖峰，为自然软切换，降低了开关的损耗，提高电源的效率。 在电源 输出链接阻性负载和连续工作条件下，使用IDEAL806电能分析测量仪输入的电能质量，图5为50次电压和电流谐波分布。电压谐波小于1％，最大值出现在5次谐波处；电流谐波小于10％，最大值出现在7次谐波处。每相电压的总谐波畸变率THDu分别为1.2％，1.4％和1.3％，对应有的电流THDi为9.5％，9.5％和8.5％。电源输入有功功率为67kw，输出电压为25kw，负载电阻为10kΩ，输出功率为62.5kw，电源整体效率为93％。 4 结论 设计了一台充电速率为60kj/s，输出电压为50kv的样机，对三相电网电压数字化信号、IGBT驱动信号、输入线电流、开关电流、谐振电流和输出电压进行了测试和分析。试验结果表明，电源平均充电速率为62.5kj/s功率密度为0.62w/cm3；电流波形能够很好地跟随电压波形，实现高的功率因数，功率因数测量平均水平值为0.99；每相电压谐波总含量小于2％，电流谐波总含量小于10％；矩阵开关工作再软开关条件下，且实现软开关切换过程，能够实现高的效率在阻性条件下，效率为93％。