脈沖功率系統中防反峰電感的設計與仿真

前言

在脈沖功率系統中限流電感在某些情況下可以抑制放電反峰，那么具體是哪些情況有效、哪些情況無效？本文通過仿真波形來具體分析。

更新歷史

2019年12月21日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉載注明出處）
閱讀原文 - http://www.sztoxda.net/class/58

電感防反峰的實現原理

此文章為《高壓電源反峰防護》的補充，關于什么是反峰，以及反峰為什么會損壞電源請查看：http://www.sztoxda.net/class/51

在《高壓電源反峰保險絲——防反峰二極管的使用》一文中已經詳細闡述，反峰的防護重點是防止續流二極管中的電流過大導致續流二極管損壞。在充電回路中串聯限流電感，當反峰發生時，電感對電流有抑制作用。粗略計算，電路中的峰值電流等于電壓除以感抗，而感抗的大小電感量和頻率之積成正比，可知反峰電壓的諧振頻率越高，限流電感的保護效果越明顯。

仿真電路搭建

圖1：電感防反峰仿真電路

按照圖1所示電路搭建仿真電路其中，紅色部分D1、C1為充電機和續流二極管的簡化模型，D1為續流二極管、C1為充電機內部儲能；L2為限流電感、C2為主儲能電容、C2、R2及L1組成LRC網絡模擬放電波形。

生成仿真波形

仿真波形解讀

仿真參數：C1=1nF；L2=10mH；C2=10uF；R2=100mΩ；L1=5uH；
初始條件：電容C1、C2的初始電壓均為10kV，即充電電壓10kV。

圖2：電感防反峰仿真波形解讀

如圖2所示，其中AM1為流過續流二極管的電流波形，可以看到光標A所示的是AM1的最大值11.77A；VF1、VF2分別為限流電感前后的電壓波形。

由于續流二極管的存在VF1電壓不會有反壓，所以AM1峰值電流的大小就成了關鍵，峰值電流越小保護效果越明顯。

電感量對反峰的抑制效果的影響

仿真參數：C1=1nF；L2=10mH；C2=10uF；R2=100mΩ；L1=5uH；
初始條件：電容C1、C2的初始電壓均為10kV，即充電電壓10kV。

圖3：電感量對反峰抑制效果的影響

可以看到當反峰電壓、頻率一定的情況下，電感越大對反峰的抑制效果越明顯。

反峰電壓持續時間對抑制效果的影響

仿真參數：C1=1nF；L2=圖中標識；C2=10uF；R2=70-300mΩ；L1=5-40uH；
初始條件：電容C1、C2的初始電壓均為10kV，即充電電壓10kV。

設置參數盡量讓反峰電壓維持在80%左右，觀察續流二極管中的電流AM1與反峰持續時間之間的關系。

圖4：反峰持續時間對抑制效果的影響

圖4中可明顯看出，反峰持續時間越長，二極管中的峰值電流越大。如果繼續增大反峰時間，反峰電流會繼續增加，當反峰電流大于續流二極管能承受的峰值電流時會導致續流二極管的損壞。

總結

防反峰電感對反峰的抑制效果與反峰電壓的頻率有著密切的關系，實際使用時需要了解反峰電壓的峰值、持續時間等參數，通過仿真計算來驗證反峰電感是否合適。總的來說，電感量越大、反峰頻率越高對反峰的抑制效果越明顯。

對于持續時間較長的反峰不推薦采用此方法，更多反峰抑制方法請查看《高壓電源反峰防護》系列文章。

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