基于多相交错技术的电容器充电电源设计

徐宇航，王刚

（1.中国科学院 空天信息创新研究院，北京，100190；2.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京，100049）

0 引言

高功率粒子加速器、强激光、雷达、闪光灯等脉冲功率系统有着广泛的应用[1]。在脉冲功率系统中，常用大容量电容器充电储能为整个系统提供能量。因此，实现电容器高效快速地充电对整个系统有重要意义。目前，充电电源可以分为恒压、恒流等方式。常见技术包括带电阻器的高压直流电源技术、谐振充电电源技术和高频变换器电源技术等[2]。近年来，随着高频大功率开关器件和电力电子技术的发展，高频变换器充电方案逐渐占主流。因为，高频化后电感等无源器件体积能够减少[3]。

电容充电电源属于特种电源，应结合电容充电过程进行设计。电容器开始充电时，电容器电压为零，等效于短路，这就要求电源有抗负载短路的能力。随着电容充电，输出电压逐渐升高，需要电源有宽范围输出能力。如果电源不能继续升压，充电就会停止。储能电容充电过程中，过压过流会发生爆炸，因此电源需要时刻检测过压过流情况进行保护。在快速充电场景下，电源的输出功率进一步增加，器件将面临巨大的电流电压应力。

针对以上需求，基于多相并联交错技术，本文设计了一款两级式级联电源。第一级采用双相Buck 电路进行限流，第二级采用四相电感储能的方式进行升压。控制电路部分，以STM32G474 为核心。在第一级电路，用STM32 高精度Hrtim 定时器生成双相PWM 波，用STM32 内置比较器进行逐波限流算法控制。在第二级电路，由STM32 产生四相PWM 波，并通过其ADC 的中断功能实现过压过流保护。为了增强抗干扰能力，主功率电路和控制电路之间采用隔离芯片进行隔离。

1 电路原理分析

高压电容器充电电源电路见图1，其为两级电路构成。第一级为双相同步整流Buck 电路，由开关管1S，S2，续流二极管1D，2D，滤波电感1L,2L，滤波电容1C,C2构成，用于实现限流功能，防止充电初始时电流过大烧毁电容。1S和S2的控制信号相差180°。电路采用STM32G474芯片控制，芯片通过高精度Hrtim 定时器产生双相PWM 波，通过变压器驱动电位浮动的上管1S，S2。利用芯片内置比较器实现逐波限流算法，以第一相为例，比较器通过精密采样电阻1R逐周期检测流过1L电流，检测到电流过大时1S关闭，1D导通续流，直到下一开关周期为止。通常，第一级电路只会在充电初始阶段电流过大触发限流作用，随着电容充电，输入电流减少，后期不再触发限流功能，1S，S2将以占空比100%开启。

图1 充电电源电路拓扑

第二级是四相电感储能电路，由开关管S3，S4，S5,S6，续流二极管D3，D4，D5，D6，储能电感L3，L4，L5，L6构成。S3，S4，S5，S6的控制信号之间差90°。以第一相为例，首先S3导通180°，电感L3储能。然后S3关断，电感L3放能，通过续流二极管D3给负载电容充电。电路控制方面，STM32 生成四相PWM 波，通过栅极驱动芯片驱动MOS 管S3，S4，S5，S6。STM32 分别通过霍尔传感器和隔离误差放大芯片检测输出电流和电压进行保护。

2 参数设计

考虑到第一级电路通常只在充电初始的一小段时间内发挥作用限流，剩余大部分时间1S，S2以占空比100%开启，所以，推导公式时假设1S，S2始终以占空比100%开启。由图1 简化可得图2。图2 中1L，2L，1C，C2组成LC 滤波器，其作用相当于对电源输入进行滤波，现在暂时略去。第二级电路中每一相是交错并联关系，器件参数是一致的，只在控制策略上相位差90°，因此可把电路单相化进行分析，得到图3，其中负载Cload由原来变成

图2 第一级简化后电路拓扑

图3 单相化后电路

设S3开关频率f，3L的电感量L，输入电压Vin，总共的充电时间t。因为S3每个开关周期内导通180°，所以3L每次储能时间为假设3L每次能量释放完全，所以储能初始电流为零，可列式子分析式子可知一个开关周期内储能时3L的电流i以增加到最大值储存能量假设电感能量全部无损耗转移到电容，将电容器充电至Vout，根据能量守恒可列式子最后可以推出储能电感

表1 的数据来源于实际工程应用，以此为依据进行设计。前面推导过程中曾假设限流功能没有启用，也没有额外损耗。实际情况下应该考虑这些情况，适当修正充电时间t，按照t=0.2s代入公式计算得L3的电感量L=5.56µH，电流最大值Imax=43A。考虑到实际可购买的器件，以型号IHDF1300AEEH5R0K1A 电感作为参考，最后选择储能电感值为5µH。根据经验，选择L1=L2=5µH，C1=C2=22µF作为输入滤波。经过整理，得到表2 的设计参数。

表1 样机设计需求

表2 设计参数

3 软件仿真

使用仿真软件按照表2 的设计参数对电路进行了仿真分析。因为电路将采用STM32G474 进行全数字控制，所以仿真的时候可以用C 代码模块来进行闭环仿真。图4 是构建的环路控制模块，其中C 代码模块输入两路Buck 过流信号，输出六路PWM 信号控制两级电路。图5 是C 代码的具体细节，包括模拟STM32 的定时器输出100kHz 的PWM波输出，模拟STM32 比较器检测两路Buck 电流，如果电流大于40A，该周期剩余时间PWM 就会变成低电平一直到下一周期。

图4 控制环路模块

图5 C 模块核心代码

图6 展示了电源输出的电压电流仿真波形，可知电源在0.24s 内将3600μF 的电容充能至480V，并且将充电初始瞬间的大电流能控制在70A 以下，避免烧毁电容器。电源可以分成两阶段工作，前一阶段第一级限流功能启动，充电较慢。第二阶段，随着输入电流降低，不再限流，充电较快。从仿真结果看，设计的电源满足电容器充电的基本需求同时有效降低器件应力。经过多相并联后，各器件如Mos 管，二极管等电流应力在几十安培左右，选取器件方便，具有工程可行性。

图6 输出电压电流仿真波形

4 结语

本文结合电容充电过程设计了一种两级级联式电源。通过一级限流，一级放大的方式实现了输出宽范围、抗负载短路的功能。采用多相交错并联技术有效降低快速充电时器件电流应力，方便器件选型。使用STM32G4 进行复杂的数字控制并保护电路。最后通过理论验证、样机设计和软件仿真，证明设计方案满足电容器充电的需求，并具有工程可行性。