串联谐振高压电容充电电源设计及分析

针对高功率脉冲驱动源的重复频率充电需求,基于全桥串联谐振恒流充电技术,研制了一台紧凑型串联谐振高压电容充电电源,平均充电功率12 kW。该电源采用超级电容器预储能和全桥串联谐振电路,大幅降低了场地供电需求,结合模块化集成设计,实现了一体化、便携式设计。针对脉冲驱动源工作需求,分析了全桥串联谐振电路的基本原理和工作过程,给出了电路参数设计方法和Pspice电路仿真结果,利用该电源对等效电容量为0.3 μF的脉冲驱动源进行了充电测试,实现了45 ms内充电60 kV以上,实验结果表明, 其输出能力满足PFL-Marx脉冲驱动源的20 Hz重频充电需求。     

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。     

二次升压的重复频率脉冲电源

介绍一种采用脉冲变压器二次升压工作方式实现高电压脉冲输出的设计电路，电路的主要特点是可以对电容负载实现快速充电，通常其充电时间可控制在几百纳秒内。由于在电路中的开关器件为氢闸流管和磁压缩装置，因此系统具有千赫兹的连续重复频率工作能力。目前，以这种方式工作的重复频率脉冲电源系统，脉冲调制过程的能量传输效率大于70％，输出脉冲电压大于600kV，连续重复频率大于100Hz.     

重复频率脉冲磁场初级能源

为产生重复频率脉冲磁场的螺线管,研制了一种新型的初级能源,它采用半桥串联谐振恒流充电拓扑结构,可在0~2.5 kV范围内实现输出可调,最大平均充电功率达4.7 kW。该电路最大特色在于无需使用外加谐振元件,只利用变压器的漏感和半桥桥臂电容组成谐振元件。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,并进行电路仿真和初步实验研究,结果表明,该设计基本达到要求。最后,进行了带螺线管负载的实验研究,实验证明该能源在重复频率10 Hz条件下运行稳定可靠。     

一种重复频率脉冲导引磁场的设计

介绍了一种重复频率脉冲磁场作为高功率微波源的导引磁场的设计,该磁场电源具有功耗低、发热量小、结构紧凑等优点,符合高功率微波朝重复频率方向发展的需求。从产生脉冲磁场的电流表达式出发,根据涡流损耗不能太大、品质因数要高和电容储能要小的原则,给出了脉冲磁场产生系统的储能电容和充电电压的优化设计方法。最后将此方法应用于Ka波段返波振荡器导引磁场的设计,确定出产生脉冲磁场电路的电容和充电电压的值,并进行了仿真和实验研究,结果与理论要求吻合较好,在重复频率10 Hz条件下能稳定运行,验证了设计的合理性。     

Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式,采用这种方式,研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成,重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现,Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块,陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关,用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形,对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明,该脉冲源可以在6kΩ的负载电阻上输出幅值100kV、上升沿约为30ns、最高频率可达500Hz的高压纳秒脉冲。     

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。     

HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源研究北大核心CSCD

通过理论计算、数值仿真和实验验证的方法,研究了一台峰值功率数十GW、重复频率5 Hz的重复频率高功率脉冲驱动源,命名为“HEART-50”。该脉冲驱动源由充电电源、初级开关、脉冲形成线、主开关、阻抗变换线,以及假负载构成。首先介绍了HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源整体设计思路;其次,对基于混合液体介质的高功率脉冲形成线和气体介质主开关进行了数值分析,并对其全电路工作能力进行了仿真分析;最后,对研制的HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源进行了实验验证。结果表明,脉冲驱动源能够输出峰值电压520 kV,脉冲宽度约90 ns,脉冲上升沿小于25 ns,重复频率5 Hz的准方波电脉冲,峰值电功率约为25.3 GW,且具有较好的运行稳定性。     

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。     

一种新型双间隙输出腔的理论和实验研究

从双间隙分离腔的色散关系式出发,通过数值计算求出了分离腔中IM010模对应的谐振频率,并给出了腔内轴向电场的分布图,证实了分离腔中存在着电场反相的π模场。因此,可以将其用作电场反相的双间隙输出腔,来实现双间障提取。并用2.5维粒子模拟程序——卡拉特（KARAT）程序对这种分离腔输出回路进行了粒子模拟和优化设计。通过详细的冷测和调试实验,研制出了中心频率为3.74GHz、QL值为7.8的低QL值双间隙输出腔。     

电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程

 从T模型等效电路出发,在等效电路中磁化电感两端的电压在形成线等效电容充电到第一个峰值之前变化较小这一假设之下,推导了电容器通过变压器对脉冲形成线充电的解析表达式,给出了考虑回路存在电阻和杂散电感下的表达式。最后利用电路模拟来验证解析表达式,结果表明:给出的解析表达式能够较好地分析电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程;在形成线充电的第一个半周期内,解析理论得到的结果与模拟结果比较吻合,在原边电容和形成线等效电容可比较的情况下,从变压器耦合系数较低（不超过0.7）到耦合系数接近于1的情况都适用。     

并联谐振电路在调制器充电电源中的应用

文章探讨了一种新颖的并联谐振高压开关电路, 该电路无需使用外加谐振元件, 只利用变压器的漏感和分布电容作为谐振参数, 既减小了变压器寄生参数的影响, 也简化电路. 设计采用调频器件CD4046对MOS管进行开关频率控制, 且令变换器工作于过谐振模式时, 该电路能够体现出对电容恒流充电的特性. 文中对电路的工作过程进行了简要分析, 并给出了功率计算和实验波形.     

两电极气体火花开关触发系统

 两电极开关取消了触发电极,需要靠过压触发,要求触发电压的幅值高,上升前沿快。为了满足两电极大电流气体开关对触发电压的特殊要求,介绍了一种用Marx作触发器的触发系统。该系统由8级Marx发生器构成,由电源开关、隔离变压器、L-C充电电路、采样控制电路、光纤控制电路和触发电路组成。Marx发生器采用了低电感电容器和同轴结构布局,减小了电感,触发电压达到120 kV,上升沿小于30 ns。对触发系统建立了PSpice电路模拟,仿真波形与实测波形基本一致。将该触发装置用于200 kA大电流气体开关试验,试验结果表明该触发装置能稳定触发气体开关,操作安全可靠。     

嫦娥一号卫星太阳风离子探测器数据分析

探月航天器与月球周围等离子体环境相互作用,表面将出现充放电效应,给航天器带来很多不利影响.表面充电电位对充放电的影响至关重要.评估探月航天器的充放电效应,首先需获得月球周围等离子体环境数据.嫦娥一号上搭载的两台太阳风离子探测器SWIDA/B是用来观测月球200 km轨道附近等离子体环境的探测仪器,获得了月球附近的太阳风速度、密度和温度.本文对2008年6月一个月内太阳风离子探测器SWIDA机获得的离子微分通量进行统计平均,得到太阳风离子微分通量能谱,并计算得到了月球200 km附近的太阳风速度(300.00—600.00 km·s-1)、密度(1—10 cm-3)和温度(1—20 eV).最后采用等效电路模型的方法计算得到了探月航天器表面充电电位范围为-7—-70 V.     

The dynamic characteristics of harvesting energy from mechanical vibration via piezoelectric conversion

As an alternative power solution for low-power devices, harvesting energy from the ambient mechanical vibration has received increasing research interest in recent years. In this paper we study the transient dynamic characteristics of a piezoelectric energy harvesting system including a piezoelectric energy harvester, a bridge rectifier, and a storage capacitor. To accomplish this, this energy harvesting system is modeled, and the charging process of the storage capacitor is investigated by employing the in-phase assumption The results indicate that the charging voltage across the storage capacitor and the gathered power increase gradually as the charging process proceeds, whereas the charging rate slows down over time as the charging voltage approaches to the peak value of the piezoelectric voltage across the piezoelectric materials. In addition, due to the added electrical damping and the change of the system natural frequency when the charging process is initiated, a sudden drop in the vibration amplitude is observed, which in turn affects the charging rate. However, the vibration amplitude begins to increase as the charging process continues, which is caused by the decrease in the electrical damping （i.e., the decrease in the energy removed from the mechanical vibration）. This electromechanical coupling characteristic is also revealed by the variation of the vibration amplitude with the charging voltage.     

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。     

空间站快速充电事件的机理研究

空间站等大型航天器由于采用高压太阳电池阵而引发的 带电问题成为近年来航天器带电研究领域的热点问题. 近年来观测到国际空间站(ISS)在出地影瞬间产生的"快速带电"事件 (也称"异常带电") , 再度引起了对低轨道航天器充电效应的深入研究. "快速带电"事件的特征为, 集中出现在出地影的瞬间, 在几秒内快速上升到较高电位(30—70 V), 然后在几十秒时间内缓慢衰降, 相对高压电池阵本身引起的结构体带电(称为"正常带电", 一般在30 V以下)严重得多. 目前国际上对"快速带电"的研究尚不充分. 本文在Furguson等人机理研究工作的基础上, 首次建立了描述"快速带电"事件的物理模型, 定量揭示了其充电过程的主要机理. 根据该模型对国际空间站的"快速带电"进行计算, 结果与观测到的典型充电脉冲符合, 模型预测的快速带电事件的统计规律也与观测结果基本一致. 关键词： 表面充电 等离子体 空间站 高压太阳电池阵     

空间站快速充电效应的物理过程及特征

“快速充电事件”是国际空间站2006年首次观测到的一种充电现象, 在出地影瞬间的1–3 s内航天器结构体被迅速充到-30–-70 V的负电位, 显著超过空间站的安全设计标准, 一度引起国际航天界的关注. 目前国际上对“快速带电”的研究尚不充分. 基于Furguson等的研究, 本文建立了快速充电的物理模型, 对快速充电的机理和规律给出了合理的解释. 计算及分析结果表明: 快速充电是在航天器出地影瞬间由高压太阳电池阵的光伏激发过程驱动的, 是一种非平衡态的充电过程; 快速充电脉冲主要是由于在太阳帆板电压的快速启动过程中帆板上 的电子充电电流未及时被玻璃盖片的充电所阻塞而导致的, 当快速充电过程达到平衡时便表现为“正常充电事件”; 快速充电的幅度主要取决于太阳帆板电压的启动时间、启动方式等, 因此表现出一定的离散性, 但随着等离子体密度的增大而衰减, 与国际空间站观测结果一致. 关键词： 表面充电 等离子体 国际空间站 高压太阳电池阵