高功率重复频率脉冲充电电源设计与实验研究

基于高功率重复频率脉冲功率源的需求，开展了高功率脉冲充电电源的重复频率特性研究，分析了基于全桥串联谐振充电原理的恒流充电技术。根据高功率Marx型脉冲功率源的工作要求，计算了串联谐振充电的各个关键参数。研制的紧凑型高功率脉冲充电电源，最大输出电压±50 kV，充电电流2.5 A，重复频率1~50 Hz连续可调，可在重复频率条件下长时间稳定运行。该充电电源体积小、质量轻、抗干扰能力和抗负载短路能力强，已经应用于高功率重复频率脉冲功率源技术研究，实现了10万次重复频率无故障运行。     

正负双极性重复频率充电电源研制

针对紧凑型高功率脉冲驱动源的重复频率充电需求,开展了基于LC全桥串联谐振原理的恒流充电技术研究,并根据紧凑型Marx脉冲功率源的工作方式开展了电源关键参数设计,完成了一种正负双极性充电的紧凑型高压电源研制,实现20 ms内对单边等效负载电容为0.15μF的双极性Marx驱动源充电至±45 kV,平均充电功率大于15.5 kW。该电源采用单个高频高压变压器实现了正负双极性高电压同步输出;采用变压器、整流电路、隔离保护电路、电压检测电路一体化绝缘封装设计,既减小了装置体积又降低了高压绝缘风险;通过隔离保护、电磁屏蔽等设计有效解决了Marx发生器放电过程中瞬时高压信号对电源控制系统的干扰和损伤。     

双谐振拓扑高压脉冲电容器充电电源

脉冲电容的充电电源是脉冲功率技术中的关键设备，为研究更高精度的高压脉冲电容充电电源，基于一种较为新颖的双谐振拓扑结构，通过推导传递函数，分析了其电压和电流传输特性。根据双谐振电路存在两个谐振点的特性，提出基于双谐振变换器的充电电源充电方式，即充电阶段采用串联谐振工作模式，到高压保持阶段通过频率调制降低开关频率至接近第二谐振点，实现对脉冲电容自放电压降的动态补偿，从而保证高压充电电源充电精度的同时，极大地提高脉冲电容的高压稳定度。为验证所提出方式的可行性，基于Matlab/simulink搭建仿真模型，分别对串联谐振全桥变换器和双谐振全桥变换器两种拓扑结构进行仿真，实验结果验证了所提出双谐振拓扑的频率调制方式的可行性。     

并联谐振变换器式电容器充电电源

针对采用串联谐振变换器电容器充电电源的不足,通过分析、改进并联谐振变换器拓扑,研制了基于并联谐振全桥变换器研制的10 kJ/s,100 kV电容器充电电源,变换器开关采用脉冲宽度调制技术,开关频率达40 kHz,电源的反馈控制电路基于数字信号处理全数字控制器。并给出了充电电源及主要部件高频高压变压器的设计注意事项、经验及实验结果。     

直流供电零电流变换串联谐振激光电源

设计了一款采用串联谐振全桥逆变电路结构的灯泵浦激光电源.在对电源信号发生电路、隔离驱动电路和逆变谐振电路等模块进行分析和设计的基础上,设计了一款重频达5 Hz,最高重频达10 Hz的灯泵激光器驱动电源.该电源不但满足5 Hz灯泵激光器的技术要求,而且具有尺寸小、充电效率高和结构简单等优点.     

时基反馈控制的Tesla变压器初级电源

LC谐振充电是Tesla变压器常用的初级电容充电技术，但存在对控制时序要求高、易受电磁干扰和不具备故障保护能力等缺陷。针对这个问题，提出了一种时基反馈控制的LC谐振充电电源。该电源与传统LC谐振电源的主要区别在于，采用特殊设计的时基反馈电路取代多路时基控制器，将能量回收开关反向阻断瞬间的电压突变调制为谐振晶闸管触发信号，从而在能量回收结束时刻启动谐振充电，实现各工作回路准确按照预定时序运行。时基反馈电路由高压元件构成，不易受电磁干扰，且在原理上具备负载短路保护能力。该技术已经应用于CKP1000，CKP5000等多台Tesla型超宽谱脉冲源。实验结果表明，在强脉冲辐射环境下，该电源能够1000 Hz重频稳定运行，且能够在Tesla变压器初级短路故障时进行快速自动保护。     

大功率高压恒流充电源研制

设计制作了一台大功率高压恒流充电源。该电源采用全桥串联谐振恒流充电拓扑结构,实现了0~30kV范围内输出可调,设计最大平均充电功率5kW。简要分析了电路的工作过程,给出了电路参数设计方法和设计实例,并进行了电路仿真和初步实验研究。实验中,使用该电源对18μF电容实现了30kV,0.1Hz重频充电,充电功率约1.35kW,目前电源已累计充放电万余次,运行稳定可靠。     

基于Marx的任意极性方波脉冲电源设计北大核心CSCD

设计了一种基于Marx电路的方波脉冲电源,该电源采用磁环隔离驱动方案与全桥Marx电路相结合,实现了正极性、负极性和双极性高压方波脉冲的输出,解决了常规脉冲电源只能输出特定极性脉冲的限制。对电路的运行模式经行了理论分析,并搭建了16级实验样机。实验结果表明:在空载条件下,实现了频率1 kHz,幅值10 kV的正极性、负极性及双极性高压方波脉冲输出。其最小脉宽1μs,极性可调。该脉冲电源结构紧凑,可以实现输出电压、脉宽、脉冲极性可调。最后使用该方波脉冲电源驱动平行板介质阻挡放电反应器。结果表明:该方波脉冲电源可以作为介质阻挡放电驱动源。     

基于FPGA的脉冲电源及其控制系统设计

针对等离子体特定领域的应用需求,研制了一种基于上位机监控且具有手动/自动控制功能的脉冲电源。详细介绍了脉冲电源主电路、检测电路、驱动电路、数字脉宽调制(DPWM)产生模块以及脉冲变压器的设计方法。该电源采用现场可编程门阵列(FPGA)作为主控芯片,产生DPWM信号及继电器控制信号,经驱动电路放大后驱动逆变全桥及继电器。设计了过温和短路保护电路,通过DS18B20温度传感器和QBC10PS5霍尔电流传感器对电源模块的工作温度和电流进行实时采样。实际应用测试表明,该电源满足设计指标要求。     

太赫兹器件测试用高重复频率高压脉冲电源

为了开展太赫兹器件试验研究，设计了高重复频率脉冲电源系统。电源输出脉冲电压30 kV，脉冲电流200 mA，最大重复频率3 kHz，脉冲宽度10~100 μs，采用本地PLC加远程计算机控制模式来实现电源的本控及遥控。对系统的核心部件:充电电源和脉冲开关的拓扑结构进行了研究，并开展了仿真和试验。结果表明:采用LC串联谐振恒流充电技术以提高充电电源工作效率以及在负载打火情况下的可靠性；基于MOSFET并进行优化设计的串联脉冲开关可以获得快速的脉冲前后沿。电源系统的输出指标满足负载工作要求，在高重复频率、打火条件下能够稳定工作。     

正负双极性直流高压充电电源设计北大核心CSCD

高压脉冲电容器是脉冲功率系统中应用较广的储能器件。根据大容量能库型脉冲装置对充电电源的技术要求,研制了一种输出电压±0.5~±10 kV可调、最大平均功率约3 kW、双极性一体化直流高压充电电源。设计上采用控制电路与正负双极性直流高压输出主电路一体化方式,通过隔离、屏蔽和保护措施,解决了目前双极性直流高压充电电源存在的正负极性电压不平衡、采样控制信号与高压地未隔离问题,减小了电源体积,提高了电源的鲁棒性、可靠性和电磁干扰能力。100多台充电电源在18.3 MJ脉冲装置中同时运行,在复杂电磁干扰环境下可靠稳定工作。     

大功率TEA CO2激光器的脉冲激励电源

为了进行大功率TEA CO2 激光器的研究工作,选用大功率旋转火花开关作为功率开关器件,制作了一种由高压谐振充电电路、高抗干扰的开关触发器、大功率旋转火花开关以及倒空式L-C反转电路等组成的脉冲激励电源。在大功率TEA CO2 激光器的实际工作中进行了测试和评估。实际结果表明,我们研制的脉冲激励电源可以满足大功率TEA CO2 激光器的特殊工作要求。其重复工作频率可以在100Hz～400Hz之间任意设定,输出工作电压可达40kV～50kV,电源平均功率大于220kW,电源峰值功率高达1000MW。     

150 kV全固态高压脉冲发生器设计

设计了一种基于全固态MOSFET半导体开关器件的Marx脉冲发生器。充电回路用快恢复二极管代替充电电阻,减小了充电部分功率损耗;将主电路和驱动电路集成在一起,采用自取电模式给驱动电路供电;由光纤传输驱动信号,抑制了放电回路对触发信号的干扰;采用顺/逆时针方向环形分布的紧凑型拓扑结构,不仅减小了回路电感,而且实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的Marx发生器充电部分仅需提供900 V低压,用180级单元串联,获得最高幅值为150 kV、脉宽1~5 s可调的高压快脉冲,前沿控制在500 ns以内。利用该脉冲发生器在50 k电阻和5 pF电容并联的等效负载上进行了一系列实验;比较分析了脉冲发生器工作过程中影响脉冲上升沿的几个主要因素,包括回路电感、MOSFET驱动电压及主回路分布电容等,并讨论了提升脉冲前沿的技术措施。     

高功率密度电容器充电电源

针对高压脉冲电容器充电电源高功率小型化的发展需求,采用谐振软开关技术和热设计技术研制了开关频率为50 kHz的充电电源,要求在电源10 kV的额定输出电压下充电速率达到20 kJ/s（额定输出电压下峰值功率40 kW）,功率密度达到2 MW/m3。分析了分布参数的存在对高频逆变器工作特性的影响,介绍了针对不同分布参数影响的应对措施。初步试验研究了间歇工况下高功率小型化电源热设计技术,基于电源间歇工作特点,结合不同电源组件发热特性,设计了不同的散热措施,给出了各器件的温升数据。完成了充电电源性能测试实验,实验结果表明:电源功率密度达到2.15 MW/m3。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线，研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构，每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成，每两级构成一个模块，整体采用SF6气体绝缘，储能密度达到25.7 kJ/m3；采取开放式气体开关，其中两级为触发开关，其余为过电压自击穿开关；触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns，功率密度达到157 GW/m3；受充电电源功率限制，重复频率5 Hz充电70 kV，连续5脉冲输出功率约17 GW，脉冲波形重复性较好。     

便携式谐振倍压电容充电电源的设计

对输入电压为24 V,输出电压3 kV的便携式谐振倍压电容充电电源进行了设计与验证。针对高变压比的特点,电源采用串联谐振拓扑与倍压整流相结合的拓扑结构,避免了高频变压器副边匝数过多、分布参数过大可能造成的不利影响。对高频变压器、谐振电容、开关器件等核心元件进行了设计和调试。最后采用该电源进行电容充电实验,其测试结果验证了设计的正确性。     

重频条件下电容器充电电源谐振电路的稳定

重频条件下电容器充电电源谐振电路由于谐振电容剩余电压的存在从而产生异常振荡,进而引发开关过流导致电源故障。针对这一问题,在分析谐振电路工作原理基础上,提出了在每个充电周期结束后,通过控制电源自身的部分开关导通,从而释放谐振电容剩余电压的解决方法,不仅可以让谐振电路趋于稳定,还避免了添加泄放电路的缺点,其控制方法也简单通用。对800 V/6 A的充电电源进行了电路仿真和实验验证,仿真和实验结果均表明,本文提出的方法可以在充电周期结束后将谐振电容上的剩余电压迅速归零,谐振电流也趋于稳定,有效抑制了谐振电路的异常振荡,从而验证了方法的有效性和实用性。