三电平ZCS充电结构的工作特性研究
2 工作特性及参数设计
充电电源有2个重要的指标：充电精度和重复精度。
充电精度是指负载电压达到额定值、开关管零电流关断时实际电压与额定电压之差与额定电压的比值，这个比值越小，充电精度越高。充电精度的定义式为：
由前一节的分析可知：半电压模式下的充电电流为全电压模式下的3／4，所以半电压模式下的阶梯电压较小，在负载电压达到额定值时等候零电流关断的这段时间内负载电电压的增加值较全压模式为小，所以充电精度有所提高。半电压模式的充电精度值约为全电压模式的3／4。
对于充电电源而言，负载从储能电容中提取的能量在充电初期较小，而在充电末期增加迅速，可以由负载能量公式得出：
可以看到：负载提取的能量随负载电压的增加而增大。所以，如何才能减小负载在充电末期的能量需求，减小储能电容上电压的下降速度，保持其上电压的稳定性?
从上节的分析可以看到：全电压模式下的充电电流较大、充电速度快，而半电压模式下的充电电流较小、充电速度慢，对负载电容而言，半电压模式下其对能量的提取较全电压模式下为小，所以应该在充电末期采用半电压模式充电。但是对于整个充电时间而言，半电压模式花费的充电时间长，所以为了既保证充电时限，又提高储能电容电压的稳定性，可以采用先用全电压模式工作，再半电压模式工作的方式。为了实现模式转换，充电电路参数需要遵守如下设计原则：
(1)变压器参数按半电压模式设计；
(2)谐振参数按全电压模式设计。
当变压器参数按半电压模式设计时，变压器的匝比提高一倍。在这种情况下，充电电源全电压模式工作时负载达到额定电压时变压器的初级电压为Us／2，这样，根据变压器的伏秒特性e△t=N△BS，当e减小一半时，在其它参数不变的情况下，变压器磁芯的截面积减小一半，可以大大减小变压器磁芯的重量。除此之外，变压器匝比提高后，负载达到额定电压后的初级电压降低，由式(1)和式(2)可以看到：充电末期的正向充电电流并没有达到最大值(2倍的初期充电电流)，反向续流也没有减小到0。阶段1的电流峰值减小，实现充电结束时的ZCS(零电流关断)，可以提高充电精度。
由于半电压模式下负载需求瞬时功率减小，所以储能电容也可以减小，这就减小了储能环节的重量和体积。但是储能电容不能减小太多，因为储能电容太小，一次充电结束后整流前级为其补电，由于功率因数校正电路的影响，会使得储能电容上的电压波动较大，在充电电源以重复频率工作时不能保证较高的重复精度。
3 仿真实验
如图4为三电平ZCS恒流充电电源仿真模型。
三电平ZCS恒流充电电源的工作参数如下：
谐振频率40kHz，开关频率20kHz，变压器匝比110或220，储能电容5 000μF或10 000μF，负载电容0．24μF，负载额定电压50kV，额定功率30kJ／s，重复频率1 00Hz。
为了突出三电平变换器的优点，分别做以下3个实验：
(1)变压器匝比110时，三电平变换器仅采用全电压模式充电，谐振电感8．64μH，谐振电容1．87μF，储能电容为5 000μF及10 000μF；
(2)变压器匝比220时，三电平变换器仅采用全电压模式充电，谐振电感3．2μH，谐振电容4．96μF，储能电容为5 000μF及10 000μF；
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