高压充电储能原理

根据基本电路原理可知，在充电储能过程中，直流高压电源的负载是PFN，这时不能向脉冲变压器和磁控管或速调管输出能量；并且，充电时要储存足够的电能以便放电时能够产生所需要的瞬时高压脉冲能量，这就说明，充电时间通常要比放电时间长。因此，为了达到上述要求以保证稳定工作，充电回路就必须满足如下条件。

1．充电电流尽量平缓，在脉冲变压器上产生的感应电压可以忽略不计。

2．每次充电结束时，PFN上的充电电压都要符合预置能量的要求。

3．尽可能提高充电效率。

为了满足上述要求，首先要保证直流高压电源的稳定供电，主要是消除高压整流电源的谐波电压，通常是采用并联滤波电容（图2-11-2中C0）来解决；另外，由于加了充电电感（L），只要充电电感的电感量足够大，以至于PFN的电感线圈和脉冲变压器原边励磁线圈的电感量都可以忽略不计，那么，这时的充电回路就可以简化为图2-11-3所示的充电原理示意图。

图2-11-3　高压充电储能原理

图中C代表PFN的等效电容，Vc就是PFN的充电电压；R代表充电回路的等效电阻

为了便于分析问题，我们暂不考虑充电二极管的影响，因此图中没有画上充电二极管，查看此时的充电过程和充电波形是什么形状，有什么缺点。然后再分析加上充电二极管之后会产生什么样的充电效果，这样，会让我们充分了解这种高压脉冲电路系统中的充电电感（L）和充电二极管（CR）在充电回路中的作用原理和充电回路的设计思路。

很明显，图示电路是一种典型的谐振型RLC串联充电电路，其充电过程及充电波形见图2-11-4。

该电路的充电过程是：在合上开关K的瞬间，因电感上的电流不能突变，电容上的电压不能突变，所以瞬间充电电压和瞬间充电电流都是零，此刻的电源电压全部加在L和R上。然后充电电流逐渐上升，电容器（C）上的充电电压逐渐增加。结果是，电感（L）上逐渐储存磁场能量，电容（C）上逐渐储存电场能量。当电感（L）和电容（C）上储存的能量相等时，电容（C）上的压降等于电源电压V0，即这时的充电电压是Vc＝V0，此时充电电流达到最大值。然后充电电流强度开始下降，但电流方向不变，于是电感内储存的能量开始向电容器转移。当充电电流降至零时，除了电阻损耗之外，电感中的磁场能量就全部转换为电容C（即PFN）中的电场能量，此时电容（C）上的充电电压接近等于2倍的电源电压，即Vc≈2V0。这时如不采取措施，因电容（C）上的充电电压Vc高于电源电压V0，所以电容（C）必然向回路反向放电，并且产生反向放电电流，电流强度逐渐增加。当反向电流达到最大值时，充电电压Vc又降至电源电压V0，然后反向电流强度开始降低，充电电压Vc开始低于电源电压V0。直到反向电流强度重新降到零时，充电电压Vc降到低于V0的一个新的较低电位，整个回路完成一次充电和放电的振荡过程，其振荡周期是T＝2π。之后，系统就以相同的周期一边振荡一边衰减，直至回路电流恒等于零，PFN的充电电压Vc稳定在电源电压即Vc＝V0为止。

以上分析也可以用数学公式进行推导。因PFN的电感线圈忽略不计，故这时的PFN相当于多个电容器并联，其等效并联电容是C＝nCn，其中，n是PFN的电容个数，Cn是每一个电容器的电容量；图中的L是充电电感；R是充电回路的等效电阻；充电回路的充电电流用i（t）表示。分析图示充电电路，我们很容易就可以写出如式2-11-1所示的充电回路的微分电压方程：

图2-11-4　高压充电电压与充电电流波形

图中横坐标为充电时间（t），纵坐标是PFN上的充电电压Vc和充电电流i（t）

如果用Vc（t）表示等效电容器上的充电电压，那么，因为Vc（t）＝∫i（t）dt，因此，这时的充电电流可用2-11-2式表示：于是，式2-11-1可以改写成以等效电容Vc（t）为自变量的电压微分方程，见式2-11-3：

设开始充电时的初始条件是：t＝0，i（0）＝0，Vc（0）＝O，那么，分别求解式2-11-1和式2-11-3，可得等效电容器上充电电压Vc（t）的数学表达式和充电回路充电电流i（t）的数学表达式，分别见式2-11-4和式2-11-5：

式中：α＝R/2·L，ω＝1/。

根据式2-11-4和式2-11-5，我们也可以绘制出PFN等效电容C上的充电电压Vc（t）和充电电流i（t）波形变化曲线。可见，数学推导与理论分析结果是一致的。这时的充电过程，先是在等效电容上达到最高充电电压（2V0），然后振荡衰减，其结果首先是造成充电电压的不稳，因而会引起放电过程的不稳定；同时，因充电电流的不稳定会在充电变压器上产生额外的高频感生电流；此外，还会造成大量的电能浪费。因此这并不是我们所期望的充电波形。

充电二极管其实就是为了解决上述问题而设置的。接上充电二极管（CR）之后的等效充电回路原理，见图2-11-5。这时不会产生反向放电电流，因而避免了振荡衰减过程，其原因分析介绍如下。

图2-11-5　有充电二极管时的高压充电储能原理

观察图2-11-5可知，因充电二极管（CR）的正向导通特性，所以接上CR之后不会影响正向充电过程。当等效电容（C）上的充电电压达到最大，即Vc＝2V0时，充电电流等于零，这时的PFN内储存了最大的电场能量。我们已经知道，在不串接充电二极管的情况下，会发生反向放电和振荡衰减现象；而串接了充电二极管CR之后，由于反向截至特性，充电二极管CR必然会阻止反向充电和振荡衰减现象的发生，于是，当等效电容上的充电电压达到最大值（2V0）之后，充电回路就停止了工作，充电波形，见图2-11-6。

图2-11-6　有充电二极管时的高压充电电压与充电电流波形

可见，这时的PFN具有最高的充电电压，并会保持最高电压不变，直到进入放电脉冲为止。这正是我们所期望的充电波形，因此，充电二极管CR也是高压脉冲调制系统的重要器件之一。