一種大功率重頻充電電流的分析與研制

馮傳均，何 泱，戴文峰

(中國工程物理研究院流體物理研究所 脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，四川 綿陽 621900)

0 引言

Marx發(fā)生器是一種利用電容器并聯(lián)充電再串聯(lián)放電的高壓裝置，是產(chǎn)生高壓脈沖的最重要的途徑之一。在閃光X射線照相、電磁發(fā)射、高能加速器等研究領(lǐng)域得到廣泛的運用。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，Marx發(fā)生器工作模式有所不同。在重頻工作模式下，高壓脈沖電容儲存的能量釋放完畢以后，需要利用高壓充電電源將電容器電壓重新充至工作電壓。充電快慢、效率、控制方式都是衡量電源性能的重要指標。對高壓脈沖電容器進行充電的電源主要有工頻和高頻兩種形式，高頻充電電源采用電力電子和現(xiàn)代控制技術(shù)，與工頻充電電源相比，高頻充電電源體積更小、效率更高，是目前主要采用的方式[1-6]。

隨著小型Marx技術(shù)的發(fā)展，脈沖功率源的緊湊型、小型化設(shè)計建造技術(shù)也日趨完善[7-8]，并開始

應(yīng)用于野外作業(yè)或移動式作業(yè)環(huán)境下的脈沖高壓設(shè)備[9-10]。因此對高壓電容器充電電源設(shè)計提出更嚴格的要求。依據(jù)上述應(yīng)用背景，本文研制了一臺應(yīng)用于等效電容量0.32 μF、電壓-90 kV的小型Marx發(fā)生器重頻充電電源，實現(xiàn)5 Hz重頻輸出電壓-90 kV，平均充電功率6.5 kJ/s。電源采用模塊化設(shè)計，具有體積小、控制簡單等優(yōu)點。

1 電路原理

1.1 電源設(shè)計參數(shù)

輸入：直流電源供電，額定電壓：32 V；額定電流：10 A。

負載：等效電容量0.32 μF；電壓-90 kV。

控制要求：脈沖輸出；頻率：5 Hz。

根據(jù)上述要求，電源設(shè)計參數(shù)：輸出電壓：0～-90 kV；平均充電電流:0.14 A；平均充電功率6.5 kJ/s；輸出電壓誤差：≤1%。

1.2 電源結(jié)構(gòu)組成

電源由主電路和控制電路兩部分組成。主電路包括直流供電電源、預(yù)儲能電容器組、全橋逆變電路、高頻變壓器、倍壓整流模塊。主電路原理示意圖如圖1所示。直流電源Udc，通過限流元件Zs，為電容器組Cs充電。電容器組Cs作為預(yù)儲能元件，為升壓電路提供瞬間高功率輸出。Q1～Q4構(gòu)成高頻逆變?nèi)珮螂娐?，將低壓直流電壓轉(zhuǎn)換為低壓高頻方波輸出，高頻變壓器TX對電壓進行升壓，升壓后的高壓經(jīng)過6級倍壓整流電路，將電壓放大6倍輸出。圖1中虛線框內(nèi)為一組升壓電路U1，共10組。U1到U10并聯(lián)使用，提高電源輸出功率。

Udc—直流電源；Zs—限流元件；Cs—超級電容；Q1～Q4—MOSFET；Lr—諧振電感；TX—變壓器；Cr—諧振電容；Lch—負載電感；Cch—負載電容。圖1 主電路原理示意圖

1.3 預(yù)儲能電容

電源采用32 V/10 A直流電源供電，最大輸出功率320 W。高壓電源的輸出平均功率要求大于6.5 kJ/s。通常采用大容量蓄電池對輸入電壓進行預(yù)儲能，從而實現(xiàn)瞬時高功率輸出。由于常用的蓄電池儲能密度低、體積大、輸出電流小，本設(shè)計采用超級電容器組替代蓄電池儲能。超級電容與電池比較有以下特點：

(1)尺寸小，電容量大。儲能密度大，易于實現(xiàn)超小型化。

(2)大電流放點性能優(yōu)越，功率密度是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流放電。

(3)充電時間短，充電電路簡單。

(4)電壓保存特性良好，漏電流極小。

(5)溫度范圍寬：-40℃～+70℃。

預(yù)儲能電容器采用多只超級電容器串并聯(lián)組成，設(shè)計容量為180 F，工作電壓為32 V，輸出電流1.5 kA。工作過程中直流電源通過限流元件Zs(由電阻、電感等無源器件構(gòu)成)為預(yù)儲能電容器組充電至工作電壓，電容器組為U1～U10提供輸入電壓，同時為電源控制電路供電。為避免電容器組電壓過低，電源控制電路無法正常工作，電容器組的最低工作電壓為15 V。因此理論上儲能電容最多可提供60 kJ的能量輸出，使電源對0.32 μF/90 kV電容器組充電次數(shù)≥40。

1.4 逆變升壓

電源采用全橋逆變電路將低壓直流電壓逆變?yōu)楦哳l脈沖方波電壓信號。然后經(jīng)過高頻變壓器升壓。全橋逆變電路采用IRFP4368大功率MOSFET作為開關(guān)元件，額定電壓75 V，額定電流195 A。

高頻變壓器采用錳鋅鐵氧體磁芯以滿足高頻逆變運行性能要求。圖1中的電感Lr和電容Cr主要是變壓器的漏感和雜散電容。變壓器所需輸出電壓為20 kV，因此理論變比在700倍左右。由于變比極大，高壓側(cè)雜散電容參數(shù)十分明顯，運行中極易發(fā)生諧振導(dǎo)致過電壓故障。因此實際設(shè)計的變壓器變比低于該理論變比，需通過諧振作用使電壓達到額定參數(shù)，為了減小變壓器的體積，提高變壓器初次級間的絕緣強度，預(yù)先對變壓器采用有機硅凝膠真空灌封處理。

1.5 多倍壓整流

變壓器升壓后輸出電壓峰值約20 kV，為滿足90 kV的充電電壓要求，采用6級倍壓整流輸出，理論最高可達到120 kV，倍壓整流電路中電容參數(shù)需要與工作頻率、諧振參數(shù)、負載特性等進行匹配以取得較好的使用效果，依據(jù)不同的使用位置分別采用0.1 nF～1 nF 多種容量的電容。

1.6 并聯(lián)輸出

圖1中變換模塊U1包括逆變、升壓、6倍壓整流電路三個部分。其中6倍壓整流電路的輸出電流參數(shù)較小，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)其平均輸出電流小于20 mA，即模塊平均功率小于900 W。因此采用10組相同的模塊(U1～U10)并聯(lián)輸出以提高功率。10組模塊均使用儲能電容Cs供電，模塊輸出端并聯(lián)后經(jīng)過隔離電感Lch為等效負載電容Cch充電。控制電路主要包括逆變控制電路、保護電路和充電控制電路。

1.7 控制電路設(shè)計

控制電路包括逆變控制電路、保護控制電路、觸發(fā)控制電路。逆變控制電路產(chǎn)生開關(guān)元件的驅(qū)動信號，同時接收保護電路反饋的保護信號實現(xiàn)電源保護。本文采用UCC3895控制器實現(xiàn)MOSFET開關(guān)器件的移相控制功能，開關(guān)工作頻率為23 kHz，采用可調(diào)占空比方式運行，以適配不同變換模塊器的雜散參數(shù)差異。為了使輸出電壓達到一定的穩(wěn)定度，輸出電壓采用閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，將分壓器上采集的電壓信號與給定信號進行滯環(huán)比較以實現(xiàn)充電電壓控制。在充電的過程中，如果電容電壓高于下限電壓，則可以持續(xù)充電，否則充電停止。上述電壓可以通過電位器進行調(diào)節(jié)。逆變電路中還集成了一個電流傳感器，用以提供過流保護功能。觸發(fā)控制電路，當接收到高電平時，電源啟動輸出，否則停止輸出，電源輸出頻率為5 Hz。為了保證操作人員的安全，電源采用光纖信號遠程控制。系統(tǒng)運行控制框圖如圖2所示。

圖2 電源系統(tǒng)運行控制框圖

2 電源結(jié)構(gòu)設(shè)計

電源采用模塊化設(shè)計，依據(jù)功能分層設(shè)置，內(nèi)部器件沿中軸對稱分布，不同層次之間用絕緣板隔開，如圖3所示。其中儲能電容及限流元件層一側(cè)蓋板上設(shè)置有電源插頭、控制插頭、調(diào)節(jié)旋鈕等部件，倍壓整流元件層一側(cè)蓋板上設(shè)置有輸出轉(zhuǎn)接法蘭。

在本設(shè)計結(jié)構(gòu)下，不同變換模塊(U1～U10)的元件按圓周方向均勻分布在各層圓筒內(nèi)。變壓器元件層和倍壓整流元件層由于運行電壓較高，整個裝置為密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，工作時填充一定壓力的六氟化硫氣體提高電源內(nèi)部絕緣強度。此外電源金屬外殼同時作為設(shè)備地線引出。

圖3 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

圖4 電源輸出電壓波形

3 實驗測試

為驗證本方案設(shè)計研制的充電電源系統(tǒng)性能，開展了相關(guān)試驗與測試工作。測試中使用一臺小型Marx發(fā)生器作為負載，其等效充電電容為-90 kV/0.32 μF。充電電壓信號通過30 000∶1分壓器引出，并使用示波器進行觀測記錄。測試使用32 V恒壓源對儲能電容進行預(yù)充電，設(shè)置目標充電電壓為-90 kV，充電頻率為5 Hz，充電脈沖個數(shù)為6個。充電電源輸出電壓波形如圖4所示，電壓峰值約3 V，即6次充電電壓約90 kV。計算平均充電功率約6.5 kJ/s。試驗結(jié)果表明該充電電源參數(shù)滿足設(shè)計的性能指標。

4 結(jié)論

移動式重頻高壓發(fā)生裝置是脈沖功率技術(shù)中一種前沿的應(yīng)用方向，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α＿@種應(yīng)用需要重頻充電電源，在提供滿足所需功率的同時實現(xiàn)更為緊湊的結(jié)構(gòu)，相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計研制上存在很大的難度。

本文研制的高壓電容器充電電源，采用32 V/10 A直流電源供電，通過超級電容預(yù)儲能，高頻逆變、升壓，倍壓整流技術(shù)，實現(xiàn)輸出電壓-90 kV，平均功率6.5 kJ/s。將其應(yīng)用于電容量0.32 μF、工作電壓-90 kV的小型Marx發(fā)生器，實現(xiàn)5 Hz重頻工作。經(jīng)測試電源系統(tǒng)滿足設(shè)計參數(shù)需求。

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