直流高壓電源與電容充電電源的區別

前言

電容充電電源（電容充電機）是脈沖功率系統中重要的組成部分之一，肩負著系統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別和相同點呢？

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2019年12月4日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉載注明出處）
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高壓直流源與充電電源的相同點

二者都是將市電的單相AC220V（大功率時三相AC380V）交流電轉換為高壓直流電（HVDC），其整體結構下圖所示：

圖1：高壓電源框圖

高壓電源內部儲能區別

高壓電源內部儲能定義為升壓變壓器之后整流電路部分的儲能，由于這部分能量會在每次電容放電時跟隨電容一起放出，當輸出電壓降低過快時可能會導致高壓整流二極管電流過大，限流電阻發熱等一系列問題，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合。

圖2：高壓直流電源升壓整流電路

下面來簡單計算一下消耗在限流電阻上的能量有多大。上圖是一個50kV、15kW的普通直流電源的倍壓整流部分。這是一個4倍壓電路，變壓器輸出電壓U_T經過倍壓電路以后會放電四倍，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\( 2U_T \)。此時倍壓電容的儲能為：

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

得出儲能Q=20.3125J，放電時負載電容電壓降至0V相當短路狀態，電容的儲能全部消耗在限流電阻R1 至 R5上，如果按照放電頻率50Hz來計算，單單放電時消耗在限流電阻上的功率就達到1kW，顯然這樣的功率對于體積十分有限的限流電阻來說勢必造成損壞。

針對電容充電電源改進后的電路如下：

圖3：電容充電電源升壓整流電路

經過工藝的改進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，此時儲能為：

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

計算得知儲能Q=1.7J，遠遠小于有倍壓電路的普通直流高壓電源。同時將限流電阻更換為了諧振電感，進一步減小發熱，經過這樣的改進，使得電容充電電源的重復放電頻率提升至1kHz。

高壓直流電源為了降低輸出電壓紋波，所以會盡量增大電源內部的儲能，意外放電時通過輸出限流電阻來防止高壓二極管損壞，這樣的結構導致高壓直流電源不適用于高頻電容充放電應用。

高壓電源反峰防護區別

高壓直流電源在意外拉弧（ARC）、輸出短路時，次級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導致高壓二極管的損壞。所以在直流高壓電源內部會集成限流電阻，限流電阻在設計時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往往會伴隨著反峰電壓，關于反峰電壓的產生可以參考這篇文章《高壓電源反峰防護》。由于電容充電電源內部儲能通常較小、所以在限流電阻計算時要考慮的不是內部儲能的釋放而是反峰電壓對高壓二極管帶來的沖擊。通常可以在限流器件之前還要增加一組續流二極管來分擔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于大功率電容充電電源來說過大的限流電阻會導致整機效率的降低，所以對于大功率高壓充電機來說可以使用限流電感來限流。

雖然電源內部有一定的防反峰能力，但是只能應對低幅值、短時間的反峰。高壓充電電源往往是脈沖功率技術整套系統的一個組成部件，很多情況下需要系統級考慮，消除反峰對充電機的影響。

控制電路的區別

普通的直流高壓電源用于電容充電時會存在過沖的問題，這是由于直流高壓電源采用雙閉環（電壓環、電流環）PID控制。PID控制應用在恒壓系統時沒有問題，它可以保證設定值與實際輸出值相等。而在電容充電系統中，充電過程中電壓始終低于設定電壓，這時電壓環的輸出達到最大狀態，電流環起作用，電源以設定的電流向電容充電。充滿電時電壓環的輸出開始下降。電壓環從最大輸出狀態切換到停止輸出的狀態需要一定的時間，而這段時間高壓電源始終在工作，這就導致了實際充電的電壓大于設定電壓。
針對這一問題，海伏科技的高壓電源采用全數字化算法，拋棄傳統的使用運算放大器實現的PID算法，數字化算法可以在達到設定電壓時立刻停止高壓輸出。除此之外還加入了硬件比較器，當電容電壓達到設定值時立刻停止輸出。經過這樣的改進，充電的重復精度可以達到千分之一。

控制系統抗干擾能力的區別

不同于直流高壓電源，電容充電電源在儲能電容放電時往往會產生幾十上百kA（千安）甚至更大的電流，現場的電磁環境通常比較惡劣。電容充電電源自身應該有比較強的抗干擾能力。海伏科技在電容充電電源系統集成中，全部采用光纖通訊，保證控制電信號不出箱。并且開發出一系列適用于強電磁干擾場合的主控、配件等滿足客戶的應用。

總結

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字化算法將二者進行了統一，同一臺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用需求，同時保證電源的穩定可靠。我們銷售的每一臺電源都要確定客戶使用場景，確保將電源參數調整至最佳狀態。

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