氙燈電容器充電分析和充電時(shí)間估算

夏金飛

摘? 要：電容器充電器廣泛用于使用氙氣管的照相閃光燈，醫(yī)療應(yīng)用和脈沖激光器。這些類(lèi)型的電源使用低功率電源工作，以提供脈沖式高壓大電流輸出。通常，以非連續(xù)傳導(dǎo)模式工作的反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器用于給大容量電容器充電。對(duì)輸出大容量電容器充電所需的時(shí)間和輸入平均電流是最重要的參數(shù)。文章提出了一種用于電容器充電器的數(shù)學(xué)模型，以根據(jù)各種系統(tǒng)參數(shù)來(lái)估計(jì)所需的充電時(shí)間，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Excel和vb的工具，以估算在給定操作條件下為輸出電容器充電所需的時(shí)間，文章介紹了仿真，實(shí)驗(yàn)和模型結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電容器充電器;關(guān)鍵DCM反激;轉(zhuǎn)換器建模;DC-DC轉(zhuǎn)換器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM53? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）10-0060-02

Abstract： Capacitor chargers are widely used in photographic flash lamps using xenon tubes， medical applications and pulsed lasers. These types of power supplies work with low-power power supplies to provide pulsed high-voltage and high-current output. In general， flyback DC-DC converters operating in discontinuous conduction mode are used to charge large capacity capacitors. The time required to charge the output capacitor and the input average current are the most important parameters. In this paper， a mathematical model for capacitor charger is proposed to estimate the charging time according to various system parameters， and a tool based on Excel and VB is designed to estimate the time needed to charge the output capacitor under given operating conditions. The results of simulation， experiment and model are introduced in this paper.

Keywords： capacitor charger; key DCM flyback; converter modeling; DC-DC converter

1 介紹

高壓電容器充電器通常用于提供脈沖大功率。電容器充電器的應(yīng)用包括照相閃光燈充電器，醫(yī)療應(yīng)用，激光電源等。各種半導(dǎo)體制造商都有基于相似拓?fù)涞恼障嚅W光燈電容器充電器IC。散裝電容器通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器以較低的電流充電，并通過(guò)電子開(kāi)關(guān)脈沖輸出較高的能量給輸出負(fù)載。典型的電容器充電器布置如圖1所示。

對(duì)于由電池或低電壓電源供電的高壓應(yīng)用，請(qǐng)使用以臨界間斷模式（DCM）工作的反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種技術(shù)為器件提供了最少的元件數(shù)量和最佳應(yīng)力，從而使關(guān)鍵的DCM操作最大限度地降低了開(kāi)關(guān)損耗。圖2顯示了具有關(guān)鍵DCM反激功能的電容器充電器的典型電路。

2 縮寫(xiě)與首字母縮略詞

Lm：初級(jí)側(cè)勵(lì)磁電感;N：變壓器的比率;IP：最大初級(jí)電流限制;Co：輸出電容器;Vo：最終輸出電壓;K：向Co充電至Co所需的循環(huán)次數(shù);Vin：輸入電壓。

3 充電時(shí)間估算

在接通時(shí)間內(nèi)，通過(guò)初級(jí)側(cè)的峰值電流在接通時(shí)間內(nèi)達(dá)到Ip級(jí)別。

在噸期結(jié)束時(shí)，存儲(chǔ)在一次側(cè)電感l(wèi)m中的能量

在關(guān)閉時(shí)間內(nèi)，存儲(chǔ)在初級(jí)電感器中的能量通過(guò)次級(jí)傳遞到輸出電容器。這將對(duì)輸出電容器充電，并隨著在第k個(gè)周期輸出Vok而在第k+1個(gè)周期輸出Vok電壓而升高電平，從而完成了能量傳輸。

由于系統(tǒng)組件的電流能力有限，因此在一個(gè)周期內(nèi)將有限的電荷轉(zhuǎn)移到輸出電容器。 一個(gè)周期內(nèi)傳遞的能量為

充電所需的周期數(shù)為

在第k個(gè)周期，關(guān)閉時(shí)間設(shè)定為：

總充電時(shí)間為：

其中，在所有開(kāi)關(guān)周期中Ton是固定值，而Toffk隨著輸出電壓的升高而降低。在給定的電路參數(shù)不變的情況下，這導(dǎo)致恒定頻率的變頻操作。

4 模擬結(jié)果

在LTSPICE中進(jìn)行的瞬態(tài)仿真，以迭代方式求解模型方程，如圖4流程圖所示，并通過(guò)直接求解方程6和9。

針對(duì)以下系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真：

輸入電壓=5V;最終輸出電壓=315V;輸出電容器=10？滋F;最大初級(jí)電流限制=1.2A;變壓器的比率=10;初級(jí)側(cè)勵(lì)磁電感=10？滋H。

考慮使用理想的變壓器和開(kāi)關(guān)進(jìn)行分析， 需要進(jìn)一步分析以評(píng)估轉(zhuǎn)換器的損耗和寄生效應(yīng)。

圖5顯示了將輸出電容器從0充電到最終設(shè)定電平的完整充電周期。

圖6中顯示了使用LTSPICE的電容器充電器的仿真設(shè)置。

通過(guò)與LTSPICE瞬態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行比較，可以確認(rèn)分析模型的準(zhǔn)確性，如表1所示。結(jié)果表明結(jié)果之間密切相關(guān)。迭代計(jì)算和直接公式結(jié)果均顯示出一些誤差，因?yàn)檫@些模型沒(méi)有考慮損耗和電路寄生因素。

未來(lái)的工作將通過(guò)考慮損耗和電路寄生來(lái)改進(jìn)模型。

5 結(jié)論

本文基于電容器充電器展示分析了臨界間斷模式。

瞬間模擬，迭代模型和直接方程匹配到合理水平。數(shù)學(xué)模型不包括寄生效應(yīng)和損耗?；谂R界間斷模式（DCM）的關(guān)鍵電容器充電器具有以下充電時(shí)間依賴(lài)性：

不依賴(lài)于勵(lì)磁電感（Lm），而僅取決于匝數(shù)比（僅Toff取決于N）;隨輸出電容（Co）線性變化;隨最終輸出電壓（Vo）的平方而大致增加;與峰值開(kāi)關(guān)電流限制（Ip）和輸入電壓（vin）相反變化。

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