高压电源内部储能定义为升压变压器之后整流电路部分的储能,由于这部分能量会在每次电容放电时跟随电容一起放出,当输出电压降低过快时可能会导致高压整流二极管电流过大,限流电阻发热等一系列问题,所以普通的直流源不适用于电容充电,尤其是高频电容充放电场合。
图2:高压直流电源升压整流电路
下面来简单计算一下消耗在限流电阻上的能量有多大。上图是一个50kV、15kW的普通直流电源的倍压整流部分。这是一个4倍压电路,变压器输出电压U_T经过倍压电路以后会放电四倍,即:
其中
得出储能Q=20.3125J,放电时负载电容电压降至0V相当短路状态,电容的储能全部消耗在限流电阻R1 至 R5上,如果按照放电频率50Hz来计算,单单放电时消耗在限流电阻上的功率就达到1kW,显然这样的功率对于体积十分有限的限流电阻来说势必造成损坏。
针对电容充电电源改进后的电路如下:
图3:电容充电电源升压整流电路
经过工艺的改进将变压器的输出电压提升至额定电压,省去倍压电路。同样50kV,15kW的电源滤波电容减小至680pF,此时储能为:
计算得知储能Q=1.7J,远远小于有倍压电路的普通直流高压电源。同时将限流电阻更换为了谐振电感,进一步减小发热,经过这样的改进,使得电容充电电源的重复放电频率提升至1kHz。
高压直流电源为了降低输出电压纹波,所以会尽量增大电源内部的储能,意外放电时通过输出限流电阻来防止高压二极管损坏,这样的结构导致高压直流电源不适用于高频电容充放电应用。