选择电容器的主要参数和选项 充电电源
准恒定功率电容器充电电源 电源案例研究
作者：Isaac Zuker艾萨克-祖克 Advice 电子有限公司首席技术官预计阅读时间：9 分钟
- 电容器充电电源可用于脉冲功率应用，如 IPL 或用于美容医学的脉冲激光器，以及用于驱动各种医疗或工业应用的脉冲激光器，还有许多其他应用领域。
- 选择电容器充电电源的关键参数。 最重要的参数将决定您选择哪种电容器充电电源，并最终将其集成到您的产品中：
电气参数
物理尺寸
可靠性
价格
其中，选择电容器充电器的主要电气参数如下：
1.输出功率：以焦耳/秒（或瓦特）为单位。它决定了电容器充电至所需工作电压的速度。
2.重复率：表示电容器每分钟或每秒可充电多少次。重复率越高，电容器充电电源提供的平均功率就越大。
3.额定输出电压：表示负载电容器的充电电压。
4.输入泄漏电流：表示对地泄漏电流的安全参数。例如，对于大多数医疗应用，漏电流通常应小于或等于 0.5mA，具体取决于设备等级和所需认证。
5.用户界面，通常至少包括激活/禁用信号，用于激活充电电源；"Vset "模拟控制信号，用于设置充电结束时的电容器电压；"充电结束 "信号，表示电容器已充满电；报警信号，表示出现故障。
电容器充电电源所采用的技术对上述所有参数都有影响，特别是对其物理尺寸、可靠性和价格。
在本文中，我们将讨论广泛使用的标准恒流电容器充电方法，并将其与 Advice Electronics Ltd. 的方法进行比较，后者可提供尺寸更小、更可靠和更具成本效益的准恒功率 (QCP) 电容器充电电源。标准恒流电容器充电方法。
标准恒流电容器充电方法
在 1 或 2 千焦耳/秒及以上的范围内，市场上大多数电容器充电电源都采用恒流电容器充电方法。
一点理论：电容器上的电压（伏特）等于输送到电容器上的电荷（库仑）除以电容器的电容（法拉）。输送到电容器上的电荷等于充电期间电流的积分。在这种情况下，由于电流是恒定的，因此电容器的电压充电曲线是线性的。
由于在任何时刻输送到负载（在本例中为电容器）的功率与输出电压乘以输出电流成正比，并且由于输出电流是恒定的，而电容器电压随时间线性增加（从零开始），因此我们得出结论，充电电源输送的输出功率最初为零，并在充电过程中线性增加。
例如，假设我们愿意使用恒流充电电源每秒提供 3 000 焦耳的能量。在充电过程开始时，电容器两端的电压为零，因此充电电源向电容器输送的功率也为零，然后功率线性增加，直至充电过程结束（即电容器两端达到所需的电压）。
如图 1 所示，由于电容器电压在充电期间呈线性增长，恒流电容器充电电源的输出功率（蓝线）也是如此。输送到电容器的能量（焦耳）等于下图 1 中蓝线下方的面积（纵轴单位为瓦特，横轴单位为毫秒）。由于我们需要的平均能量为每秒 3,000 焦耳（橙色线），而电源提供的充电功率从零开始线性增加，因此电源提供的最终峰值充电功率为每秒 6,000 焦耳，即 6,000 瓦特，如下图 1 所示。
图 1：恒流电容器充电器
这种方法很简单，电源结构也很直接，包括一个恒定电流控制环路。然而，这种方法对电源的功率元件（如功率半导体、功率变压器和功率扼流圈）的利用率很低，因为这些元件必须设计成至少能承受应用所需的两倍功率--这要么导致设备的可靠性降低，要么导致设备的体积更大、成本更高--更糟糕的是，往往会导致两者兼而有之。
准固态电源 (QCP) 电容器充电电源
这种方法背后的主要假设是，如果我们能向电容器提供恒定的功率，那么，我们就能通过在充电过程中提供 3,000W 的功率，每秒平均提供 3,000 焦耳的能量。由于这只是标准恒流充电电源所需的峰值功率的一半，因此我们将获得体积更小、更可靠和更具成本效益的电容器充电电源。
为此，让我们来计算一下充电期间电容器的电压和电流应如何变化。
从（IX）中我们可以得知，如果我们能在提供恒定功率的同时给电容器充电，那么电容器两端的电压将与所用时间的平方根成比例增长。
如下图 2 所示，该图模拟了在 3,000 焦耳/秒（或 3,000 瓦）的恒定功率下，1,200uF 电容器上的电压被充电至 500 伏。纵轴（电压）单位为伏特，横轴（时间）单位为毫秒。模拟得到的充电时间为 50 毫秒，这与下面通过电容器中存储的能量除以输出的功率计算得出的充电时间相符：
图 2：恒功率充电时的模拟电容器电压
从（X）中我们可以得知，如果我们能以恒定的功率对电容器充电，那么充电过程开始时（t=0 时）的电流将是无限大的，并随着时间的推移而减小。
下图 3 显示了电容器在恒定功率下充电时的电流模拟结果（单位为安培）（横轴单位为毫秒）。在第一时刻（未显示第一毫秒），电流为无穷大，然后稳步下降，直至电容器完全充满电。一旦电容器充满电，电流会降至零（50 毫秒后），电压保持不变。
图 3：恒功率充电时的模拟电容器电流
要优化利用充电电源的功率硬件，实际的解决方案是以最大恒定电流开始为电容器充电，直到达到电容器充电器的最大输出功率，然后继续以恒定功率为电容器充电，直到达到电容器两端的理想电压。
下图 4 描述了这一过程，显示了准恒定功率 (QCP) 电容器充电电源充电时电容器两端电压的模拟结果（纵轴单位为伏特，横轴单位为毫秒）。模拟参数为
1.电容值： 1,200uF
2.充电结束时的电压：500V
3.充电器电流限制：22 安培
4.恒功率输出：3,250W
在最初的 7 毫秒内，充电电流被限制在 22 安培，电压呈线性增长，然后输送到电容器的充电功率保持恒定（3250W），直到实现完全充电（500V）。
图 4：准恒功率充电时的模拟电容器电压
下图 5 显示了 QCP 电容器充电电源在充电期间向电容器输送的充电电流（纵轴单位为安培，横轴单位为毫秒）。在最初的 7 毫秒内，充电电流限制在 22 安培，并在充电过程中逐渐减小。
图 5：准恒功率充电时的模拟电容器电流
下图 6 显示了输出功率是如何从零线性增加的（在恒流充电期间），在最初的 7 毫秒内达到满功率（3,250 瓦），然后输出功率保持恒定，直到电容器电压达到所需的电压（500 伏）--然后在充电 50 毫秒后降至零（纵轴单位为瓦特，横轴单位为毫秒）。
图 6：准恒功率充电时的模拟输出功率
下图 7 显示的是在充电期间记录的电容器两端电压的示波图，该示波图是使用真正的 QCP 电容器充电电源（Advice Electronics，型号 LCH-3000-500）获得的。图 7 中的示波器是用安捷伦 DSO7014B 示波器记录的。
图 7：准恒功率充电时测量的电容器电压振荡图
图 7 所示的测量结果（电容器在 50 毫秒内从零充电至 500 伏）与图 4 所示的理论模拟充电曲线非常相似：两者几乎完全相同，只是在 8 毫秒至 22 毫秒期间略有偏差，如下图 8 所示，其中电容器电压测量值（黄色，如图 7 所示）被适当缩放，并叠加到模拟准恒功率（QCP）充电曲线（蓝色，如图 4 所示）上。
图 8：测量的电容器电压与模拟的 QCP 充电曲线叠加
比较两种方法的实用性
为了在 50mS 内将 1,200uF 的电容器充电至 500V，恒流电容器充电电源需要提供 6KW 的峰值功率（如图 1 所示），而 QCP 电容器充电电源需要提供 3.25KW 的峰值功率才能达到同样的效果。从上述讨论中我们可以了解到，QCP 电容器充电电源必须提供的峰值功率仅相当于平均所需输出功率的 108%。恒流电容器充电电源必须提供相当于平均所需输出功率 200% 的峰值功率，大约是 QCP 电容器充电电源所需峰值功率的两倍。
这一因素对电容器充电电源的设计、尺寸、可靠性和成本都有重大影响。我们的结论是，有效的准恒功率（QCP）电容器充电电源方法要求其功率元件的应力大大降低，尺寸更小，从而降低了成本，提高了可靠性，同时工作峰值功率大大低于恒流装置。
因此，电容器充电电源（如 Advice Electronics 的 LCH-XXX 系列电容器充电电源）的尺寸更小、可靠性更高、性价比更高。
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