基于虚拟中心电流法的 HL-2M快控电源数学模型

针对中国环流器2号M(HL-2M)装置中用于核聚变物理实验等离子体的垂直不稳定性控制的快控电源拓扑结构，充分考虑线圈的自感与互感对输出的影响，构建出数学模型，首次提出并运用虚拟中心电流法，使得控制算法更加简单，采用多输入多输出的控制方法，利用2个参量控制3个变量。本文基于基本供电方案得到多线圈耦合电压，基于快控电源拓扑推导出快控电源电路方程，再将其合并得到最终的线圈电压数学模型，最后进行仿真验证。结果表明数学模型搭建正确，为今后进行进一步计算提供了坚实的基础。     

质子治疗装置动态电源控制系统研发

针对质子治疗装置中主环动态电源多平台能量的引出需求,研制了基于开源平台的高速实时动态电源控制系统,该控制系统以开源平台Beaglebone作为顶层硬件接口,以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为核心的控制器作为底层硬件接口,采用分布式的实验物理及工业控制系统(EPICS)进行远程控制。该系统可实时传输任意动态电源的输出参考电流波形数据,并结合定时系统与联锁系统,控制动态电源按预设电流波形进行输出,并实现多平台能量的引出。实验结果显示该控制系统能实现每秒最高十万条指令传输,百万次数据传输零误码率。同时,该系统结构灵活、扩展性强,可作为通用控制平台。     

多路Marx并联高压脉冲电源研究

脉冲功率技术在工业和生物医学领域有着广泛的应用,很多应用场合要求输出数百安培的高压脉冲。固态Marx发生器虽已研究多年,但是被广泛采用直插封装的IGBT和MOSFET功率半导体开关管的额定电流通常都低于100 A,无法满足低阻抗负载的应用需求。为提高输出脉冲电流幅值,提出两种多路Marx发生器并联的脉冲电源的拓扑结构,第一种方案采用多路Marx发生器直接并联,第二种是共用一组充电开关管的多路Marx发生器并联。由FPGA提供充放电控制信号,采用串芯磁环隔离驱动方案实现带负压偏置的同步驱动,主电路选用开通速度快、通流能力强的IGBT为主开关的半桥式固态方波Marx电路。实验结果表明,6路16级Marx直接并联的脉冲发生器能输出重频100 Hz高压方波脉冲幅值可达10 kV,在30Ω负载侧输出峰值电流可达300 A,上升时间230 ns。共用充电开关管的6路4级Marx并联发生器在5Ω电阻负载上的输出电流峰值可达300 A,最大输出电流可达460 A,上升时间272 ns。表明多路Marx发生器并联可以有效地减小系统内阻,提高系统带载能力;改进后的并联方案实现大电流脉冲输出的同时,所采用的开关管数量减小近一半,提高了系统的抗干扰能力的同时,降低了脉冲电源的成本;且增加级间并联导线可进一步改善均流效果。     

小型化电感隔离型Marx发生器的研制

随着脉冲功率技术的发展,纳秒脉冲电场被逐渐应用到等离子体水处理、不可逆电穿孔肿瘤消融等技术中。为了满足纳秒脉冲的应用需求,电源需要输出十几kV高压,拥有纳秒窄脉宽和快速的上升沿,同时尽量减小电源体积,降低成本。该纳秒脉冲电源采用电感隔离型Marx发生器结构,电路可以实现模块化叠加,电感隔离可以减少开关数量,抬升充电电压,以获得更高的电压输出。所设计的驱动电路仅需一路控制信号和一个直流供电模块,经功率放大和磁隔离后可同时控制所有放电管,该驱动电路结构简单、成本低、体积小,耐压水平高。所设计的24级电源样机,在50 kΩ阻性负载上,可输出0～14 kV电压,频率0.5～1 kHz,脉宽500 ns。该电源主电路的长宽高尺寸仅为23 cm×10 cm×12 cm。     

无人机定位系统电源分配网络电磁干扰行为级分析与预测

电源分配网络是无人机定位系统工作的基础单元,也是电磁干扰薄弱环节,电源分配网络（PDN）传导耦合干扰效应是导致定位系统故障的主要原因。为了提高定位系统电磁干扰敏感度预测模型的精度,基于泰勒级数对非线性系统的描述方法,将泰勒级数行为级模型系数表征为与干扰频率相关的函数,建立无人机定位系统PDN电磁干扰响应预测模型,分析预测PDN在受干扰情况下的非线性直流偏置电压。研究结果表明：在250～400 MHz电磁干扰范围内,基于泰勒级数的PDN电磁干扰响应预测模型可以对PDN在电磁干扰作用下的非线性直流偏置进行准确预测,预测误差在3%以内。     

分布电感对脉冲电源充电T型保护回路的影响

在使用基于高频开关变换充电技术的充电机对脉冲电源充电时,由于充电回路中分布电感的存在,在高频电流充电过程中,会在充电机T型保护回路两端产生高于充电电压的过电压,存在损坏T型保护回路半导体功率器件的风险;为解决此问题建立充电机及脉冲电源回路仿真模型,通过仿真分析得到充电回路分布感变化对T型保护回路影响的初步规律,然后通过实验进一步验证该规律。为了减少充电回路分布电感对T型保护回路影响,针对性地提出了减少充电回路的分布电感解决方案,主要方法是改变输出线缆类型、长度等措施,并通过仿真与实验来验证该方案的有效性,为脉冲电源工程化应用提供可靠的参考依据。     

CFQS装置准环对称测试用磁体电源系统设计

CFQS装置是中国西南交通大学(SWJTU)和日本国家核融合科学研究所(NIFS)联合设计制造的中国首台准环对称仿星器,为满足装置0.1 T稳态运行的实验要求,需要为其磁体线圈设计相应的电源系统。本设计方案考虑工程实际估算线路阻抗,考虑工程裕度、电源以负载参数的1.2倍进行计算,并建立电源系统的Simulink仿真模型,分析负载电流纹波大小及网侧谐波含量。根据仿真结果优化设计方案,通过在直流侧增加无源滤波器,减小输出电流纹波,分析直流侧电压代数形式,计算滤波器参数,并仿真调节得到更加符合实际需求的滤波器参数,满足装置准环对称位形的分布磁场精度对磁体线圈电流纹波的要求。     

空心脉冲发电机剩磁能量回收方法

为了降低空心脉冲发电机的能量损耗与励磁绕组发热,提出了一种具有剩余磁能回收功能的脉冲发电机励磁电路。通过在电容支路设置调节电感,使放电完成后的电容电压反向,迫使晶闸管与二极管关断,以切换电流流通路径来实现剩余励磁能量到电容器中的转移。该电路使用晶闸管作为主开关,电流关断能力强的特点使其在大功率脉冲发电机的应用中具有一定优势。对提出的励磁能量回收电路的工作过程进行了介绍,仿真分析了剩余能量回收对励磁绕组能量损耗和脉冲发电机发热的影响,并对该电路拓扑的工作原理进行了实验验证。结果表明：该电路可以迅速回收励磁绕组中的剩余能量,缩短励磁电流续流时间,减少励磁损耗与能量损耗。仿真与实验结果反映的规律与电路原理一致,表明了该电路方法的可行性。     

一级Marx压缩的高稳定纳秒脉冲电源的设计

针对目前缺乏标准纳秒高压脉冲电源的现状,开展高稳定性纳秒高压脉冲电源回路分析、结构设计及性能测试研究。通过建立纳秒脉冲发生器等效电路模型,仿真计算获得5级初级脉冲发生电路参数,以及一级压缩陡化间隙对纳秒脉冲特性的影响规律。通过纳秒高压脉冲电源结构设计及低抖动电晕稳定开关特性研究,建立高稳定输出的纳秒脉冲电源系统。研制纳秒电阻分压器,建立基于ns及μs量级传递校准测试相结合的刻度因数标定方法,准确获得纳秒电阻分压器的刻度因数。脉冲电源输出特性测试结果表明：纳秒脉冲电源系统可以输出上升时间2.3 ns±0.5 ns、幅值范围10～60 kV的指数纳秒脉冲;输出脉冲电压在全幅值范围内的相对标准偏差不大于±1.5%。     

波长校准用低压石英汞灯驱动电源的研制

研制波长校准用低压石英汞灯电源,用于驱动汞灯起辉并维持稳态发光。电路由EMI滤波电路、桥式整流电路、LCC半桥谐振逆变电路、控制电路和保护电路5部分组成。采用系统建模与仿真验证电路的可行性并计算电路参数理论值,利用示波器和功率表验证电源输出参数,功率输出稳定性不大于0.03 W。根据紫外可见近红外分光光度计国防最高计量标准对研制的电源驱动汞灯的工作效果进行评价。结果表明,汞灯能够输出系列特征谱线,谱线相对强度稳定性不大于5.16%;汞灯工作3 h后,灯管外壳表面温度为43℃。该驱动电源的性能参数满足JJG112–2015《低压石英汞灯波长标准器检定规程》的要求。