基于低壓直流供電的100kV重頻高壓電源相關(guān)研究

康維

摘 要：如今為了達(dá)到小型和重頻脈沖功率裝置在無(wú)市電情況時(shí)的充電要求，人們便研發(fā)出了緊湊型的重頻高壓電源。此電壓為30V的低壓直流供電，應(yīng)用了初級(jí)的儲(chǔ)能電容以及多板塊的串聯(lián)疊加組成，充分達(dá)到了放大輸出功率以及輸出100 kV的高壓效果。此研發(fā)結(jié)果證實(shí)了重頻高壓電源的可行性，并給今后的研發(fā)內(nèi)容打下了根基。

關(guān)鍵詞：低壓直流供電;高壓電源;重頻電源;電容儲(chǔ)能

一、重頻高壓電源的重要性

如今小型重頻脈沖功率裝置中的脈沖發(fā)生器都是使用的緊湊型Marx裝置，但相應(yīng)的充電電源技術(shù)發(fā)展較為緩慢，尤其是對(duì)高功率微波以及高能加速器來(lái)說，更是極其的緩慢。其主要原因就因?yàn)榫o湊型Marx裝置串聯(lián)級(jí)數(shù)較少，而對(duì)每級(jí)的充電電壓又要求很高，需超過100 kV?？墒且苿?dòng)式的應(yīng)用環(huán)境不僅對(duì)裝置的大小、重量有要求，對(duì)供電的水平也有限制，而一般的小型電池組只可供應(yīng)32V/1kW之內(nèi)的能量，這便很大程度上抑制了脈沖功率源的充電效果的實(shí)現(xiàn)。目前大功率的高壓電源均通過高頻逆變-升壓隔離-整流輸出以實(shí)現(xiàn)的，還有很多電源的電容充電是在逆變側(cè)的狀況下通過串聯(lián)諧振的形式得以完成，具備恒流輸出的屬性。但因繞組分布參數(shù)的限制，使得變壓器的變比無(wú)法一直加大，所以通過32V輸入直接獲得100kV高壓輸出根本無(wú)法完成。另外，在整流側(cè)應(yīng)用多倍壓的整流構(gòu)造，采取加大倍壓的級(jí)數(shù)來(lái)達(dá)到提高輸出電壓、降低變壓器的升壓比，其會(huì)嚴(yán)重加大電容充電時(shí)電壓的負(fù)載，而且變化較大，使得倍壓的輸出參數(shù)很不穩(wěn)定，難以優(yōu)化。同時(shí)現(xiàn)階段的高壓電源技術(shù)都沒有輸入功率嚴(yán)重小于輸出功率的情況，具體解決措施還要在脈沖功率技術(shù)當(dāng)中鑒定。因此，為了達(dá)到移動(dòng)應(yīng)用時(shí)緊湊重頻脈沖功率裝置的小型重頻要求，我們便研發(fā)出了緊湊型的重頻高壓電源，此電源采用的是30V直流供電，應(yīng)用慢充快放的方法來(lái)儲(chǔ)存電容以達(dá)到放大輸入功率的效果，然后使用多個(gè)輸出電壓是10kV的升壓模塊，采用輸入并聯(lián)和輸出串聯(lián)的疊加方式來(lái)達(dá)到100kV的高壓輸出，此方法的電源不僅對(duì)320nF電容負(fù)載平均充電功率超過了10kW，而且使充電的頻率在1-10Hz可調(diào)，既有緊湊構(gòu)造又有極強(qiáng)的屬性，所以具有極其重要的地位。

二、電路設(shè)計(jì)研究

（一）電路原理

本文研發(fā)的電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)具體包括：32V的直流電源、限流穩(wěn)壓器、儲(chǔ)能電容、MOSFET 開關(guān)、等效的變壓器漏感與分布電容、高壓整流硅堆、均壓濾波電容、充電隔離電感、負(fù)載電容等。其中，供電電源通過限流穩(wěn)壓器對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，儲(chǔ)能電容屬于電源系統(tǒng)的初級(jí)儲(chǔ)能部件，其輸出端并聯(lián)了十組升壓變換模塊，每組模塊均通過全橋逆變-升壓隔離-整流輸出的流程得到10kV以上的直流輸出，因此這十組模塊輸出端串聯(lián)之后就能得到100kV的高壓輸出。

（二）主要元器件

1.儲(chǔ)能電容。通常重頻Marx裝置會(huì)重復(fù)多次的進(jìn)行充電和放電，這就會(huì)使電源功率隨頻率的增加超過10kW。如果應(yīng)用電池組其供電效率只會(huì)在1kW之內(nèi)，與電源需求嚴(yán)重不符。為此本文將一組電容器當(dāng)作初級(jí)的儲(chǔ)能部件，先用低功率來(lái)進(jìn)行充電，再利用高功率在短時(shí)間內(nèi)對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電。由此可見，這屬于一種脈沖功率的工作形式，采用壓縮時(shí)間來(lái)給功率放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出功率。

2.變壓器。變壓器具有升壓和隔離高壓的作用，屬于電源系統(tǒng)中極其關(guān)鍵的一個(gè)部件。即便單個(gè)變壓器僅有10kV的輸出電壓，不過將升壓變換模塊的輸出端串聯(lián)起來(lái)，其次級(jí)就會(huì)顯著變大，末端模塊會(huì)達(dá)到100 kV，有極大的絕緣要求。另外，變壓器的變比大，會(huì)造成大次級(jí)的分布電容，最后加大電壓電流振蕩。它的優(yōu)點(diǎn)能夠滿足負(fù)載電壓較大時(shí)充電的性能。缺點(diǎn)會(huì)對(duì)振蕩電流的線路造成損耗，進(jìn)而使振蕩電壓發(fā)生故障，所以設(shè)計(jì)時(shí)需留有充足的余量。

三、電源測(cè)試研究

本文主要通過兩組充電測(cè)試來(lái)檢測(cè)電源系統(tǒng)的性能。測(cè)試負(fù)載是一臺(tái)Marx發(fā)生器，等效充電電容是320nF，最高充電電壓是100kV。測(cè)試的條件：儲(chǔ)能電容電壓為30V，開關(guān)頻率為20kHz，占空比90%，初級(jí)限流200A。首先，對(duì)Marx發(fā)生器展開單次充電測(cè)試，其結(jié)果為：電源系統(tǒng)可以在145ms內(nèi)把320nF負(fù)載電容充電到100kV，平均充電功率是11.0kW。充電之后儲(chǔ)能電容電壓會(huì)下至到29.82V。其次，對(duì)Marx發(fā)生器展開重頻充電測(cè)試，此重復(fù)的頻率是10Hz、共5次，在此頻率中電源的單次最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間是100ms，不過因?yàn)镸arx發(fā)生器的氣體開關(guān)需有一定的恢復(fù)時(shí)間，所以實(shí)際充電時(shí)間為80ms，其結(jié)果為：電源系統(tǒng)在69ms左右把負(fù)載電容充到了70kV，平均充電功率是11.4kW，比充電到100kV的功率要大，充電之后儲(chǔ)能電容電壓下至到了29.65V。其5次的充電波形間隔時(shí)間是100ms，符合10Hz充電頻率的要求;5次充到70kV 電壓的時(shí)間相差不到1ms，具有很好的一致性。通過測(cè)試的結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)電源裝置的輸出功率比仿真結(jié)果要小，主要原因有兩個(gè)，既充電限流參數(shù)小于預(yù)期以及電源電路內(nèi)阻抗大于預(yù)期。通過以上測(cè)試可知：所研發(fā)的電源系統(tǒng)的電壓、功率以及重復(fù)頻率參數(shù)等指標(biāo)都符合要求。

四、總結(jié)

本文主要根據(jù)高壓電源的設(shè)計(jì)方案研發(fā)出了一套高壓電源系統(tǒng)，此電源應(yīng)用的是緊湊構(gòu)造，全面達(dá)到了高壓絕緣的要求。雖然目前電源的性能和參數(shù)還有很大的差距，但經(jīng)過后期的不斷優(yōu)化已顯著增強(qiáng)了電源的性能。

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