脉冲功率系统中防反峰电感的设计与仿真

前言

在脉冲功率系统中限流电感在某些情况下可以抑制放电反峰，那么具体是哪些情况有效、哪些情况无效？本文通过仿真波形来具体分析。

更新历史

2019年12月21日 - 初稿

作者：海伏科技——小涛（转载注明出处）
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电感防反峰的实现原理

此文章为《高压电源反峰防护》的补充，关于什么是反峰，以及反峰为什么会损坏电源请查看：https://www.hvtop.com/class/51

在《高压电源反峰保险丝——防反峰二极管的使用》一文中已经详细阐述，反峰的防护重点是防止续流二极管中的电流过大导致续流二极管损坏。在充电回路中串联限流电感，当反峰发生时，电感对电流有抑制作用。粗略计算，电路中的峰值电流等于电压除以感抗，而感抗的大小电感量和频率之积成正比，可知反峰电压的谐振频率越高，限流电感的保护效果越明显。

仿真电路搭建

图1：电感防反峰仿真电路

按照图1所示电路搭建仿真电路其中，红色部分D1、C1为充电机和续流二极管的简化模型，D1为续流二极管、C1为充电机内部储能；L2为限流电感、C2为主储能电容、C2、R2及L1组成LRC网络模拟放电波形。

生成仿真波形

仿真波形解读

仿真参数：C1=1nF；L2=10mH；C2=10uF；R2=100mΩ；L1=5uH；
初始条件：电容C1、C2的初始电压均为10kV，即充电电压10kV。

图2：电感防反峰仿真波形解读

如图2所示，其中AM1为流过续流二极管的电流波形，可以看到光标A所示的是AM1的最大值11.77A；VF1、VF2分别为限流电感前后的电压波形。

由于续流二极管的存在VF1电压不会有反压，所以AM1峰值电流的大小就成了关键，峰值电流越小保护效果越明显。

电感量对反峰的抑制效果的影响

仿真参数：C1=1nF；L2=10mH；C2=10uF；R2=100mΩ；L1=5uH；
初始条件：电容C1、C2的初始电压均为10kV，即充电电压10kV。

图3：电感量对反峰抑制效果的影响

可以看到当反峰电压、频率一定的情况下，电感越大对反峰的抑制效果越明显。

反峰电压持续时间对抑制效果的影响

仿真参数：C1=1nF；L2=图中标识；C2=10uF；R2=70-300mΩ；L1=5-40uH；
初始条件：电容C1、C2的初始电压均为10kV，即充电电压10kV。

设置参数尽量让反峰电压维持在80%左右，观察续流二极管中的电流AM1与反峰持续时间之间的关系。

图4：反峰持续时间对抑制效果的影响

图4中可明显看出，反峰持续时间越长，二极管中的峰值电流越大。如果继续增大反峰时间，反峰电流会继续增加，当反峰电流大于续流二极管能承受的峰值电流时会导致续流二极管的损坏。

总结

防反峰电感对反峰的抑制效果与反峰电压的频率有着密切的关系，实际使用时需要了解反峰电压的峰值、持续时间等参数，通过仿真计算来验证反峰电感是否合适。总的来说，电感量越大、反峰频率越高对反峰的抑制效果越明显。

对于持续时间较长的反峰不推荐采用此方法，更多反峰抑制方法请查看《高压电源反峰防护》系列文章。

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