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。     

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。     

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。     

高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化技术研究进展

传统的高功率重复频率脉冲功率源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节,同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题,课题组提出了一种高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化研究的设计思路和实现方式,并开展了相关技术研究。主要介绍了课题组在关键技术上取得的重要进展,包括高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型Marx高压串叠技术等一系列关键技术。同时介绍了课题组研制的几种典型紧凑结构重复频率Marx型脉冲功率装置:同轴结构快Marx发生器、基于薄膜介质线的脉冲功率源、模块化低阻抗紧凑型Marx发生器、20 GW高功率重复频率脉冲驱动源。通过探讨关键技术研究及其发展现状,为未来脉冲功率源小型化研究的发展和应用方向提供参考。     

40GW重复频率脉冲驱动源研制进展

40 GW重复频率脉冲驱动源是应高功率微波技术发展等需求而设计的一台基于Tesla变压器技术的重复频率脉冲功率装置。40 GW驱动源设计输出功率40 GW,脉宽60 ns,重复频率1~50 Hz,输出功率及重复频率工作状态在一定范围内可调。介绍了40 GW高功率重复频率脉冲驱动源的系统构成、电气及结构参数的确定方法、关键部件的工程工艺技术,并分析了关键绝缘部件的电场分布。已完成驱动源安装并进行了实验调试,其主要单元Tesla变压器的能量效率达到70%,驱动源单次工作状态下输出功率大于40 GW;50Hz重复频率工作状态下,输出功率20.6 GW,系统工作稳定可靠。     

高功率超宽谱脉冲产生实验

 介绍了纳秒传输线充电技术的原理,利用该原理设计了高功率超宽谱脉冲产生实验装置,通过电路模拟计算分析了实验装置的工作过程。结合1.2 MV高压脉冲电源开展了实验,实验中对输出脉冲形状、输出脉冲功率和工作稳定性进行了调试,在2.7 Ω负载上获得输出功率大于30 GW,脉冲宽度1.6 ns,重复频率100 Hz。系统运行稳定,达到设计要求。     

20 GW紧凑Marx型重复频率脉冲驱动源研制进展

介绍了一种基于电触发技术的重复频率脉冲驱动源,其突破了双电容结构脉冲成形、紧凑型结构高压产生、大电流条件下重复频率稳定运行等关键技术,采用电路结构最简单的Marx电压叠加技术,解决了Marx在重复频率运行中的技术难点。脉冲功率驱动源设计输出功率20 GW、脉冲宽度180 ns、重复频率1~50 Hz,输出功率和重复频率在一定范围内可调。研制的脉冲功率驱动源体积仅2.5 m3,重量低至2.2 t,脉冲形成单元储能密度高达23 kJm-3,驱动源单次工作状态下输出功率约20 GW;在重复频率30 Hz工作状态下,输出功率16 GW、连续运行时间10 s、系统抖动约6 ns,系统运行稳定可靠。     

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。     

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。     

大功率半导体激光泵浦固体激光器脉冲电源设计

介绍一种大功率半导体激光泵浦固体激光器(DPSSL)脉冲驱动电源的设计电路及其控制方法。根据半导体激光器的工作特性,采用前级电容充电电路与后级脉冲电流产生电路相结合的电路结构。由于LCC谐振电路具有软开关特性和抗负载短路、开路的能力,又能够实现对储能电容恒流充电的功能,因此其适合做为脉冲电源中储能电容的充电电路;后级脉冲电流产生电路选择大功率MOSFET做为主控器件,利用MOSFET饱和区的漏极电流可控性,通过栅极电压控制产生负载脉冲电流。控制部分采用模拟与数字相结合的控制方式,使脉冲电源控制更加灵活,引入脉冲电流指令给定积分器,可以更有效地控制脉冲电流上升过程,抑制电流过冲,提高控制精度,使脉冲驱动电源产生类似矩形波的大功率脉冲电流。搭建了脉冲功率为28 kW的实验平台,实验达到的指标:脉冲电流幅值80 A,脉冲电压350 V,脉冲宽度100 μs,重复频率100 Hz。     

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。     

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。