恒功率输入恒流输出的电容器充电电源

常规恒流充电电源输入端的功率随着输出电压的升高而逐渐增加,充电结束时输入端的功率由最大值迅速降为0,不仅需要电网能够提供近2倍于平均值的峰值功率,还会造成电网电压的波动,特别是在重复频率与工频接近的大功率应用场合时,可能造成电网滤波系统的振荡,影响供电可靠性和干扰其他用电设备。提出了一种带有储能环节的电路拓扑,使得在对负载恒流充电期间,输入端的功率保持在平均功率水平。充分利用了串联谐振电路断续工作模式的特点,无需辅助变换器,仅通过双向开关对电流的控制,可将充电初期多余能量存储到储能环节,并在充电后期逐渐将此能量向负载释放,在充电启停时刻储能环节的净增能量为0。将上述拓扑电路添加到基于DC-link的恒流充电电源中,进行了分析和控制参数推导,并在输出电流8 A、最高输出电压5 kV的电源上进行了实验,结果表明:充电期间直流母线提供的电流基本稳定,幅值为常规方案中最大母线电流的一半左右。     

多电飞机直流配电系统电压监控策略研究

多电飞机直流配电系统是电功率传输的核心,由于电网中某些恒功率负载的能量回馈特性、脉冲特性以及在电网中存在单向工作的器件,如二极管。能量在该系统中的传输并不完全可逆。在向电网中突加或突卸负载时,会引起电网电压波动。为了维持直流汇流条电压的稳定、提高能源利用效率,利用MATLAB/simulink软件建立相应的储能和消耗系统模型。对该混合储能系统进行理论研究后,得出不同参数间的逻辑关系,在模糊控制理论基础下,设计两个阶段下维持直流汇流条电压的四种监控策略,并利用MATLAB模糊控制工具建立仿真模型,对四种控制策略进行不同组合,设置加卸负载等不同情况,进行仿真实验,得出仿真实验结果,并以性能和效率为标准对这些策略组进行比较,根据仿真数据得出最优策略组。     

用有效质量法研究晶振特性

扫描显微镜技术中作为力感应器件的石英晶振,其本征频率会由于黏合的针尖与环境的气体和压强不同而发生改变.介绍了通过有效质量、有效杨氏模量来研究各项条件改变对频移的影响的方法,并建立了统一的模型来解释实验结果,便于理解石英晶振的力感应特性.     

基于量子粒子群算法的自适应随机共振方法研究

为提升随机共振理论在微弱信号检测领域中的实用性,以随机共振系统参数为研究对象,提出了基于量子粒子群算法的自适应随机共振方法.首先将自适应随机共振问题转化为多参数并行寻优问题,然后分别在Langevin系统和Duffing振子系统下进行仿真实验.在Langevin系统中,将量子粒子群算法和描点法进行了寻优结果对比;在Duffing振子系统中,Duffing振子系统的寻优结果则直接与Langevin系统的寻优结果进行了对比.实验结果表明:在寻优结果和寻优效率上,基于量子粒子群算法的自适应随机共振方法要明显高于描点法;在相同条件下,Duffing振子系统的寻优结果要优于Langevin系统的寻优结果;在两种系统下,输入信号信噪比越低就越能体现出量子粒子群算法的优越性.最后还对随机共振系统参数的寻优结果进行了规律性总结.     

储能电容对GaAs光电导开关快前沿正负对称脉冲输出特性的影响

针对GaAs光电导开关快前沿正负对称脉冲输出特性的研究,对提高飞秒条纹相机的时间分辨率具有重要意义.本文使用脉宽为60 fs的激光器触发电极间隙为3.5 mm的GaAs光电导开关,在不同的储能电容及外加偏置电压条件下,获得具有上升时间最快为149 ps,电压传输效率最高为92.9%的快前沿正负对称输出,测试结果满足条纹相机实现飞秒时间分辨率的设计需求.实验结果的对比分析表明,储能电容是影响电压传输效率及上升时间的重要因素之一.同时,结合GaAs光电导开关线性工作模式特点及电容储能特性分析表明,当触发激光特性相同时,随着储能电容的增大,输出电脉冲传输效率及上升时间均会增加.研究结果将有助于GaAs光电导开关更好地应用于飞秒条纹相机中.     

光控-晶控相结合的膜厚监控法对滤光片膜厚的研究

针对光电极值法和石英晶振法各自的弊端,结合两种方法提出了光控-晶控膜厚监控法.在相同工艺条件下,分别使用这三种方法监控905nm窄带滤光片(规整膜系)和830nm截止滤光片(非规整膜系)的膜厚,对制备的滤光片的透射率光谱曲线进行比较.结果表明,光控-晶控膜厚监控法除了各项指标都符合要求外,在曲线通带处获得的平均透过率值比光电极值法和石英晶振法获得的平均透过率值提高了3%~6%,且与理论光谱基本吻合,光谱特性最好.该方法不仅对规整和非规整膜系都能进行监控,且能有效降低膜厚误差,提高光谱特性.     

相关激励形式下保守和非保守耦合振子的能量分布与功率流

作为相关输入形式下保守或非保守耦合系统统计能量分析的基础,本文主要研究耦合振子在比例相关输入条件下的能量分布与功率流.在推导了相关输入条件下耦合振子间的功率流与振子能量的基本关系式和功率平衡方程式及振子能量比的表达式之后,本文分别详细讨论了保守耦合振子和非保守耦合振子系统的能量分布和功率流问题,并与互不相关输入时耦合振子的能量分布与功率流的特点进行了比较,对于各种耦合阻尼情况下的振子能量分布与功率流也进行了数值计算,研究结果表明,相关输入下耦合振子的能量分布与功率流的特征与互不相关输入时的特征有着显著的差别.     

非链式HF激光器SF6气体介质放电特性

采用放电图像拍摄和放电波形测量两种方法研究了放电激励HF激光工作介质SF6气体的放电特性。实验结果表明:SF6气体放电可以分为主放电、剩余电压维持和电弧放电3个阶段。主放电阶段为均匀体放电,电容储能大部分在此阶段沉积于放电等离子体中;剩余电压维持阶段无明显放电;在电弧放电阶段激光器以电弧形式消耗剩余储能。通过对放电波形的分析,获得剩余电压及主放电阶段能量沉积效率随充电电压的变化规律。随着充电电压提高,剩余电压下降,沉积效率逐渐提高。沉积效率最大值对应于主放电与电弧放电相接的时刻。     

冷原子系综中光存储效率与耦合光强的关系研究

我们在87Rb冷原子团中利用电磁感应透明(EIT)动力学过程实现了光学信号的存储与释放,研究了光存储效率与耦合光强的关系.实验结果表明,在较低的耦合光强下,存储效率随耦合光强增大而增大,当耦合光达到一定强度时,存储效率不再增高,然后随着耦合光强增大而降低.通过分析光脉冲在冷原子团中传播时的吸收和色散特性,我们对存储效率随耦合光强的变化趋势给出了定性解释.     

基于GaSe和GaSe_(0.7)S_(0.3)单晶的单脉冲CO_2激光倍频器(英文)

描述了使用电感储能发生器和半导体转换开关泵浦的工作波长为10.6μm的高效CO2激光器。给出了激光泵浦的非线性晶体GaSe和GaSe0.7S0.3的二次谐波振荡的实验数据和理论估算结果。结果显示,GaSe晶体在输入能量为180mJ时,最大能量转换效率为0.38%,倍频激光的峰值功率为8 kW。     

陡化前沿Marx发生器的阻抗特性

 利用50 kV无感电容器与固体电阻制作了10级陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。使用不同阻值的水电阻负载研究了发生器的阻抗特性,并进一步制作了金属膜电阻负载进行实验,测定90 Ω负载可以使发生器处于临界阻尼放电状态,从而确定发生器的内部阻抗约为45 Ω。当充电电压为40 kV时,在金属膜电阻负载上得到了幅值约为210 kV,脉宽约为40 ns,前沿约为5 ns的快前沿高压脉冲。利用此发生器成功地驱动了强流二极管,当二极管阴阳极间距为15 mm时,在30 kV充电情况下,其输出电压约为154 kV,束流约为1 kA。     

Study of broad bandwidth vibrational energy harvesting system with optimum thickness of PET substrate

In this paper, we present the development of a flexible PET-based (polyethylene terephthalate; PET) vibrational energy harvesting system with broad bandwidth. This broad bandwidth harvesting system comprises of four units of individual ZnO (zinc oxide) piezoelectric harvester in the form of a cantilever structure connected in parallel, and rectifying circuit with storage module. This system has ability to convert mechanical energy into electrical energy from the varying ambient vibration. The design and simulation of a piezoelectric cantilever plate was described by using commercial software ANSYS FEA (Finite Element Analysis) to determine the optimum thickness of PET substrate, internal stress distribution, operation frequency and electric potential. With the optimum thickness predicted by developed accurate analytical formula analysis, the one-way mechanical strain that is efficient to enhance the induced electric potential can be controlled within the piezoelectric ZnO layer. In addition, the relationship among the model solution of piezoelectric cantilever plate equation, vibration-induced electric potential and electric power was realized. An individual piezoelectric harvester consists of flexible PET substrate, piezoelectric ZnO thin film with (002) c-axis preferred orientation, and selectively deposited UV-curable resin lump structure which is used to change the resonant frequency of the harvester. In combination with multi-harvesters and rectifying with storage module together, an energy harvesting system with broad bandwidth can be fabricated. One individual harvester achieves a maximum OCV (open-circuit voltage) up to 4 V with power density of 1.247 μW/cm³. So far, we succeeded in accomplishing a broad bandwidth system with operating frequency range within 100 Hz-450 Hz to enhance powering efficiency. When the DC voltage (direct current voltage) across a storage module is charged up to 1.55 V after rectification, a flash LED (light emitting diode) is driven.     

Buck变换器的输出短路火花放电能量及输出本质安全判据

为得出Buck变换器的输出本质安全判据, 基于安全火花试验装置, 对其输出短路火花放电特性进行了试验研究, 发现其放电过程可分为介质击穿、火花产生、火花维持和火花熄灭四个阶段.基于得出的火花放电特性, 对其输出短路火花放电能量进行了深入分析, 指出对于给定电感的Buck变换器, 当负载电阻 R_L小于给定电感对应的临界电阻R_LC时, 火花放电能量是关于R_L的凹函数; 而在R_L > R_LC时, 是关于R_L的凸函数.考虑到实际的参数取值范围, 进一步指出: R_L < R_LC时的火花放电能量随R_L的增加而增大, 且在R_L=R_LC时达到最大值; 而在R_L > R_LC时, 则随着R_L的增加, 先增大后减小, 在增加到特征电阻R_{L, DCM}时达到最大值. 得出了变换器在全动态范围内的最危险工况: 变换器在输入电压最高及负载电阻等于R_{L, DCM} 时工作于DCM, 此时, 短路火花放电能量达到最大值.基于能量等效, 提出了可模拟变换器输出短路放电特性的等效简单电容电路及输出本质安全判据, 仿真和试验结果验证了理论分析及所提出判据的正确性和可行性. 关键词： Buck变换器 本质安全 短路火花放电能量 输出本质安全判据     

600 A重复频率脉冲恒流源研制北大核心CSCD

针对国内脉冲恒流源幅值较小、重复频率较低等问题,设计了基于电流闭环反馈控制的恒流电路,建立了相应的数学模型,并采用Pspice仿真验证了电路的功能,最终研制了1台600 A重复频率工作的脉冲恒流电源。电源采取储能放电配合高速开关的工作模式,使用功率场效应三极管作为线性调整开关,可大范围自动恒流,适用于激光二极管负载。输出的脉冲电流幅值最高600 A,上升时间小于40μs,电压幅值最高320 V,脉宽100~600μs可调,工作重复频率最高200 Hz。电源体积较小,结构紧凑,效率可达90%以上。     

百纳秒近方波高压脉冲形成模块的设计与实验研究

基于高功率脉冲功率系统小型化和模块化发展要求,研制了一种集储能和脉冲形成功能为一体的脉冲形成模块。通过发展非均匀脉冲形成技术,成功将传统脉冲形成网络的级数降至两级,并保持其输出波形为近方波,大幅降低了近方波脉冲形成模块的体积重量。模块内部电容采用串联分压结构以提高其耐电压值,采用折叠式薄膜电容以提高其储能密度,结合薄膜/变压器油混合绝缘方式,实现了紧凑化、耐高压设计。利用PSpice电路仿真,结合最坏情况模拟等方法,分析了模块内部电参数对其输出特性的影响,并进行了实验验证。模块耐电压值可达120 kV,单次储能密度高达41 kJ·m-3,可输出脉宽约180 ns的近方波高压脉冲。该模块将传统需要五级以上的脉冲形成网络的实际应用发展到两级,有利于实现多级高压方波Marx系统的紧凑化、模块化设计。     

陡化前沿Marx发生器的设计与初步实验

 设计了10级同轴结构的陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。该系统采用3 nF低电感电容器作为储能电容,采用固体电阻作为充电电阻,通过各级短间隙气体火花开关迅速放电及级间紫外光耦合在50 Ω负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。在考虑开关电极分散电容、等效传输线效应及回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。根据数值模拟结果设计加工了10级陡化前沿的Marx发生器实验装置,在较低充电电压下（7 kV与11 kV）,得到了初步实验结果,输出电压波形大致为方波,相对于传统Marx发生器输出前沿缓慢的三角波有较大改善,半高宽为40~50 ns,前沿时间为十几ns,幅值约为41 kV和57.5 kV,实验结果与模拟结果基本一致。     

Highly efficient charging and discharging of three-level quantum batteries through shortcuts to adiabaticity

Quantum batteries are energy storage devices that satisfy quantum mechanical principles. How to improve the battery’s performance such as stored energy and power is a crucial element in the quantum battery. Here, we investigate the charging and discharging dynamics of a three-level counterdiabatic stimulated Raman adiabatic passage quantum battery via shortcuts to adiabaticity, which can compensate for undesired transitions to realize a fast adiabatic evolution through the application of an additional control field to an initial Hamiltonian. The scheme can significantly speed up the charging and discharging processes of a three-level quantum battery and obtain more stored energy and higher power compared with the original stimulated Raman adiabatic passage. We explore the effect of both the amplitude and the delay time of driving fields on the performances of the quantum battery. Possible experimental implementation in superconducting circuit and nitrogen–vacancy center is also discussed.     

组合式钕玻璃片状激光放大器增益性能的动态模拟

用随时间变化的氙灯辐射光谱模型,建立了组合式钕玻璃片状激光放大器动态增益特性的模拟程序,实现了从氙灯放电到引出激光的全过程动态模拟,可用于片状激光放大器的优化设计.研究了:1)放大器在不同的抽运条件下水平方向的增益均匀性,当氙灯爆炸系数比较高时,自发辐射放大优先使片的边缘产生消抽运作用,增益分布变得不均匀,通光口径的中央处增益较大;2)片厚度和掺杂浓度对增益性能的影响,在相同的抽运条件下,储能通量由片厚度与掺杂浓度的乘积决定,给出了储能通量和小信号增益随片厚度与掺杂浓度的乘积的变化关系 关键词： 钕玻璃激光放大器 储能密度 增益特性     

一种采用双换能器和摆式结构的宽频振动能量采集器

针对悬臂梁振动能量采集器在大振幅振动下梁容易断裂的缺点,本文提出了一种基于摆式结构的具有宽频和倍频特性的振动能量采集器,该采集器由两个Terfenol-D/PMN-PT/Terfenol-D磁电换能器和嵌有六个磁铁的旋转摆构成.文中建立了摆式结构的摆动方程,分析了采集器的频率响应特性以及谐振时的机-磁-电转换特性,并对采集器输出电压波形进行了频谱分析.理论和实验研究表明:该采集器具有宽频和倍频特性,采集器样机在1 g(1 g=9.8 m/s~2)有效值加速度振动下,向下扫频时的半功率带宽达到4.8 Hz,且能在f=16.9 Hz的振动下获得3.569 mW的负载功率.利用双换能器以及采集器的倍频和宽频特性,能有效地提高低频时采集器的输出功率.     

频率自动跟踪超声波电源设计

针对超声波电源工作时负载状态改变,换能系统产生谐振漂移的问题,提出了一种基于STM32的频率自动跟踪超声波电源的设计。电源逆变电路采用带辅助网络的全桥结构,阻抗匹配电路选择了一种改进型的T型匹配网络,应用PWM移相调功技术控制电源的输出功率,通过数字鉴相技术得到电压电流的相位差作为电路谐振状态的反馈信号,结合STM32主控制器进行PI控制,调节PWM波的输出频率使电路始终工作于谐振状态,实现了谐振频率的自动跟踪。最后基于该设计方案,实际制作了一款应用于超声波清洗仪的电源,并通过实验验证了该电源具有输出功率稳定,负载适应性强,输出频率自动跟踪等特点。