氙灯电容器充电分析和充电时间估算
来源:用户上传
作者:
摘 要：电容器充电器广泛用于使用氙气管的照相闪光灯，医疗应用和脉冲激光器。这些类型的电源使用低功率电源工作，以提供脉冲式高压大电流输出。通常，以非连续传导模式工作的反激式DC-DC转换器用于给大容量电容器充电。对输出大容量电容器充电所需的时间和输入平均电流是最重要的参数。文章提出了一种用于电容器充电器的数学模型，以根据各种系统参数来估计所需的充电时间，设计了一个基于Excel和vb的工具，以估算在给定操作条件下为输出电容器充电所需的时间，文章介绍了仿真，实验和模型结果。
关键词：电容器充电器;关键DCM反激;转换器建模;DC-DC转换器
中图分类号：TM53 文献标志码：A 文章编号：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 介绍
高压电容器充电器通常用于提供脉冲大功率。电容器充电器的应用包括照相闪光灯充电器，医疗应用，激光电源等。各种半导体制造商都有基于相似拓扑的照相闪光灯电容器充电器IC。散装电容器通过DC-DC转换器以较低的电流充电，并通过电子开关脉冲输出较高的能量给输出负载。典型的电容器充电器布置如图1所示。
对于由电池或低电压电源供电的高压应用，请使用以临界间断模式（DCM）工作的反激式DC-DC转换器。这种技术为器件提供了最少的元件数量和最佳应力，从而使关键的DCM操作最大限度地降低了开关损耗。图2显示了具有关键DCM反激功能的电容器充电器的典型电路。
2 缩写与首字母缩略词
Lm：初级侧励磁电感;N：变压器的比率;IP：最大初级电流限制;Co：输出电容器;Vo：最终输出电压;K：向Co充电至Co所需的循环次数;Vin：输入电压。
3 充电时间估算
在接通时间内，通过初级侧的峰值电流在接通时间内达到Ip级别。
在吨期结束时，存储在一次侧电感lm中的能量
在关闭时间内，存储在初级电感器中的能量通過次级传递到输出电容器。这将对输出电容器充电，并随着在第k个周期输出Vok而在第k+1个周期输出Vok电压而升高电平，从而完成了能量传输。
由于系统组件的电流能力有限，因此在一个周期内将有限的电荷转移到输出电容器。 一个周期内传递的能量为
充电所需的周期数为
在第k个周期，关闭时间设定为：
总充电时间为：
其中，在所有开关周期中Ton是固定值，而Toffk随着输出电压的升高而降低。在给定的电路参数不变的情况下，这导致恒定频率的变频操作。
4 模拟结果
在LTSPICE中进行的瞬态仿真，以迭代方式求解模型方程，如图4流程图所示，并通过直接求解方程6和9。
针对以下系统参数进行仿真：
输入电压=5V;最终输出电压=315V;输出电容器=10？滋F;最大初级电流限制=1.2A;变压器的比率=10;初级侧励磁电感=10？滋H。
考虑使用理想的变压器和开关进行分析， 需要进一步分析以评估转换器的损耗和寄生效应。
图5显示了将输出电容器从0充电到最终设定电平的完整充电周期。
图6中显示了使用LTSPICE的电容器充电器的仿真设置。
通过与LTSPICE瞬态分析结果进行比较，可以确认分析模型的准确性，如表1所示。结果表明结果之间密切相关。迭代计算和直接公式结果均显示出一些误差，因为这些模型没有考虑损耗和电路寄生因素。
未来的工作将通过考虑损耗和电路寄生来改进模型。
5 结论
本文基于电容器充电器展示分析了临界间断模式。
瞬间模拟，迭代模型和直接方程匹配到合理水平。数学模型不包括寄生效应和损耗。基于临界间断模式（DCM）的关键电容器充电器具有以下充电时间依赖性：
不依赖于励磁电感（Lm），而仅取决于匝数比（仅Toff取决于N）;随输出电容（Co）线性变化;随最终输出电压（Vo）的平方而大致增加;与峰值开关电流限制（Ip）和输入电压（vin）相反变化。
参考文献：
[1]黄良文.电容器的种类及特性[J].物理通报，2007（05）：63.
[2]马幼源.几种常见的电容器[J].物理教学，1958（03）：28-30.
[3]杨国栋，吴勇强.氙闪光灯光电性能评价及可靠性预计[J].真空电子技术，2010（01）：8-14.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15180093.htm
