13KV高压大功率电容器充电电源的设计
在电子装置、设备中，有不少脉冲式功率设备，如用于切割、焊接和医疗方面的脉冲激光电源，雷达发射机中的脉冲调制器等，最常见的如日光灯，在这些装置中大都有电容器存在，脉冲功率的形成就是通过快速释放电容器的储能来达到的。客观上的需要，给电容器充电的充电电源也就应运而生了。
最初的充电电源就是用普通的电源给电容器充电，这在日常电路中经常用到，如图1所示。近十年来开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优点开始涉足充电领域，回扫阶梯充电电源、串联谐振式充电电源就都是很典型的代表，本文所要阐述的就是充电功率达13KW的串联谐振式充电电源。
我们知道，电容器充电过程中，充电开始阶段近乎短路，对于这种负载短路情况，若用恒定功率输出的传统电源进行充电是无法适应的，而串联谐振变换式充电电源就具有耐短路负载的适应能力。
2系统工作原理
电容充电过程可分为两个阶段：充电阶段和维持阶段，见图2所示。充电阶段电压从零伏充电至目标电压，为连续充电阶段；维持阶段是放电前的准备阶段，可进行电压补充，也称为补充阶段。
图3就串联谐振式充电电源的工作原理作一个分析。
根据开关管和与其并联的二极管的通断情况，将一个工作周期的工作情况分成4种模式，并结合图4所示进行分析，图中V3(t0)为储能电容的模式初始电压值，Vg为输入直流电压，V2为电容CS两端电压。
模式1：t0≤t≤t1 见图4a所示。
当t＝t0时开关管S1、S4导通，谐振电流Ir给为CL折算到变压器初级的等效电容，=n2CL），直到t＝t1，Ir回零，CS、
充至最高电压。由于Ir(0)＝0，S1、S4零电流导通。根据图4a
有：
即：
其中：
其中
t0、tx分别是每种模式的起始、结尾时刻
模式2：t1≤t≤t2 见图4b所示
当t＝t1时，二极管D1、D4导通，Ir反向，电容CS放电，给
充电，直至t＝t2时，Ir再次回零。由于Ir(t2)=0，所以S1、S4零电流关断。根据图4b
其中，
其中
t0、tx分别是每种模式的起始、结尾时刻
至此，电路完成了一个谐振周期，将进入下一个周期，即开关管S2、S3（模式3）和D2、D3（模式4）将陆续导通。模式3与模式1相同，模式4与模式2相同，仅仅是电流Ir相反而已，四种模式间的区别可从图4中清楚地看出。因此，模式3与模式4就不另作分析了。
3电源主要参数的选择
3.1电源技术指标：
输出电压：最大24kv，在10kv-24kv须连续可调
充电负载：2200uh电容器
充电时间：≤60秒
充电重复精度：≤0.5%
3.2开关工作频率Fr的选择
从上文我们知道，该变换器的一个重要优点就是开关管工作在零电流导通、关断状态，开关损耗很小，而实现零电流开关的重要条件就是FS≤0.5F0。考虑到需保证零电流导通、关断状态，同时为了提高充电速度，缩短充电时间，选择FS=0.5F0。
开关频率的选择主要由开关管决定。使用IGBT作开关，开关频率可以选的较高，一般20-30kHz；选择高频可控硅，国产可控硅号称频率可达20kHz，实际选择一般10kHz。
3.3谐振电容、电感的计算
根据文献3，每经一个谐振周期，上的电压将升高
考虑到应有的余量，故选择2DGL-30KV/1A的高压硅堆。
4控制电路的实现
4.1控制芯片MC34066
本电源采取调频方式，实行定宽调频控制电路，控制芯片采用高性能谐振式控制芯片MC34066。MC34066具有很多优点：可定宽变频或定截止时间变频工作；具有可调节的软启动电路；具有温度补偿的基准稳压器；具有双路输出的大电流推挽电路等，很适合于用在谐振电路上。
4.2控制电路框图（见图6）
4.3开机控制电路
由于电容开始充电时，负载相当于短路，具有较大的冲击电流。为了减小开机充电时较大的冲击电流，采取两项措施。
由于谐振电流的大小跟输入电压成正比，所以减小Vg是一项有力措施，因此在整流电路部分加了一个电阻缓冲器，见图3所示，开机信号一来，电流通过缓冲电阻，依靠缓冲电阻的分压作用，使加在变换器上的电压减小，在几秒钟过后，再将缓冲电阻短路，Vg恢复到最大电压，加大充电电流。
另外，还利用了MC34066的软启动功能，开机软启动也是降低开机充电电流的好办法。这种办法是通过减小充电脉冲次数来减小脉冲电流的有效值，一般来说，充电时间跟负载电容的大小有关，电容越大，缓冲时间就需越长。
4.4补充电路的实现
电容器充满之后，便进入了持续阶段。由于电容器内部寄生串联电阻和漏电流的存大，导致电容电压有所下降，这时就需要进行补充。采用滞后比较器实现自动补充是一种较好的办法，具体方法可见图7所示。
工作原理为：由电阻R1、R2和比较器构成了一个滞后比较器，由于R2的正反馈作用，在比较器的输入端形成一高一低的两个电压门限，当输入电压高于高门限（预置电平）时，输出低电平去封锁驱动信号，因而输出电压降低；当取样电压降至低门限时，比较器输出高电平，解除信号封锁，进行电压补充。
5结论
本文对串联式电容充电电源进行了理论分析，并提出了主要参数的计算方法和工程实施的控制方案，具有较好的使用价值。
本大功率充电电源是在其产品发射机CFA高压电源基础上改进的，电源输出功率由原来的8KW，提高到13KW。满足了充电指标要求，通过了买方的验收，并得到了好评。
参考文献
[1] A Capacitor-Charging Power Supply Using a Series-Resonant Topology， constant On-Time/Variable Fequency control， and Zero-Current Switching， IEEE Transactions on Industrial Electronics， 1991， 38(6)
[2] A Series Resonant converter with constant on-time control for capacitor charging applications.
IEEE Pesc， 1990 .pp.147-154
[3]线型调制器谐振逆变充电技术的分析
范青 汪帮金 尚雷 《现代电子》 1998年第一期
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