一种LCC逆变充电混合储能脉冲功率电源

为了获取万伏以上的高压窄脉冲输出,设计了一种采用高压脉冲变压器混合储能脉冲功率电源,同时为了提高电源的重复频率,设计了LCC逆变充电器。省去中间的高频变压器,电源采用逆变输出直接整流对初级储能电容充电的拓扑结构,文中首先通过充电电容等效为电压源的方法分析逆变器的工作原理,并给出参数选取原则和计算方法。接着分析了电容充电及向脉冲变压器电感放电的过程,说明了在放电电流最大时断路可在负载侧获取高压窄脉冲。电源实验表明,按所选取的参数,电源可实现前沿1.0μs幅值30 kV脉宽1.5μs(90%幅值)的高压脉冲输出,重复工作频率可达2.5 kHz以上,也可实现前沿8 ns幅值4 800 A的脉冲电流输出,充电器实现了对初级电容的快速充电。该电源结构较简单、成本较低,容易做成紧凑一体化的结构,可作为废气处理电源或其他需要数万伏高压窄脉冲工作的场合。     

一种晶闸管开关冲击电压发生器的工作特性

笔者设计了一种晶闸管开关的冲击电压发生器,它由脉动直流电源供电,增加晶闸管组合模块就可方便地扩展级数提高输出电压,晶闸管组合模块有对负载的单向、双向和续流三种放电工作模式。对充电拓扑电路设计的改进有效地避免了负载上的预脉冲,所给出的充电电阻计算方法能实现各储能电容充电电流的一致,有效抑制了环流,提高了充电效率,文中还给出充电电阻功率选取的计算方法。所进行的变负载放电特性分析表明:感性负载时,减小电感使输出电流脉冲幅值提高、脉宽变窄,特性曲线为设计和用户的使用提供了依据;容性负载时,储能电容的实际等效参数对小容量的电容放电参数有较大影响,为了获取陡前沿电压脉冲和窄电流脉冲,减小回路的总电感是必要的。感性及容性负载的实验放电波形与仿真结果吻合较好。所设计的冲击电压发生器既可用于产生较强脉冲磁场也可用于产生放电等离子体的工业应用中。     

晶闸管Marx发生器电路及充放电特性

为满足新兴工业对中小储能功率脉冲电源日益增长的需求,设计了一种采用晶闸管作为主开关的Marx发生器,它由脉动直流电源供电,增加晶闸管组合模块就可方便地扩展级数提高输出电压,晶闸管组合模块有对负载的单向、双向和续流3种放电工作模式。该设计改进了充电拓扑电路,并给出了充电电阻及其功率的计算方法,有效地避免了负载上的预脉冲,实现了各储能电容充电电流的一致,有效地抑制了环流和提高了充电效率。变负载放电特性分析表明,感性负载时减小电感的输出能使电流脉冲幅值提高、脉宽变窄,特性曲线为设计和用户的使用提供了依据;容性负载时储能电容的实际等效参数对小容量的电容放电参数有较大影响,有必要减小回路的总电感,以获取陡前沿电压脉冲和窄电流脉冲。感性及容性负载的实验放电波形与仿真结果比较相符。所设计的Marx发生器在工业应用中既可用来产生较强脉冲磁场,又可用来产生放电等离子体。     

基于断路开关的准方波输出脉冲功率源

为了改善电感储能脉冲功率源的输出波形,提出一种基于电爆炸金属丝断路开关的准方波输出脉冲功率源。该脉冲源以脉冲电容器为初始储能源,通过脉冲形成网络对电爆炸金属丝开关放电,当电流达到峰值附近时,电爆炸金属丝开关断开,将能量切换到负载上。由于脉冲形成网络中电感电流不能突变,所以负载上能得到数倍于初始储能电容充电电压的脉冲输出;由于脉冲形成网络中电容的续流作用,所以负载上能得到准方波脉冲输出。通过理论分析和电路仿真分析,确定了脉冲形成网络的电感电容级数和爆炸丝参数。对功率源进行了实验验证,实验结果表明:在1μF初始充电电容充电32 kV时,在10Ω负载上得到电压幅值83 kV,半高宽279 ns,90%平顶172 ns左右的脉冲输出,证明了该原理的脉冲功率源可行性。     

脉冲电源储能电容反向充电电压释放方法

在放电主开关放置于储能电容支路的脉冲功率电源放电过程中,储能电容存在反向充电现象,反向电压无法释放,影响储能电容的使用寿命,并降低了脉冲功率电源的使用效率。在详细推导电容储能型脉冲功率电源放电过程的基础上,分析影响储能电容反向充电电压的因素,讨论降低储能电容反向充电电压的途径,将放电主开关放置于负载支路的电路结构,实现了储能电容反向充电电压的释放。仿真和实验结果表明:调整放电开关位置后的脉冲功率电源负载电流特性与调整前基本一致,完全满足电磁发射的需求;同时,反向电压的及时释放提高了储能电容的使用寿命,增加了电磁发射系统的效率。     

一种用于触发开关测试的重复频率脉冲电源

重复频率脉冲功率技术是一系列高科技研究与前沿研究的基础。开关是重复频率脉冲功率系统中的重要元件,其工作性能决定着整个系统的重复频率输出特性。为此,研究了一种用于触发开关测试的重复频率脉冲电源。该脉冲电源包括主回路、触发回路和控制电路3个部分。在主回路和触发回路中均采用LC串联谐振的方式,用可控硅控制一个大容量电容器,通过电感给一个小容量脉冲电容器充电。主回路的小容量电容器提供通过触发开关主电极的大电流。触发回路的小容量电容器由IGBT控制向脉冲变压器放电,为触发开关提供重复频率的高压触发脉冲。控制电路协调主回路和触发回路各元件的动作时序。在触发开关的实际测试中,该电源的重复频率为1 kHz,输出电流峰值为750 A。     

串联谐振式电池充电装置研究

针对脉冲电源中电池组充电问题,提出一种基于串联谐振原理的通用型宽幅电压充电装置。根据串联谐振电路输出电流与开关频率线性相关而与负载无关的特性,表明其具有对不同电压等级电池组进行恒流充电的功能,且可通过调节脉宽调制(PWM)脉冲频率改变输出电流大小。分析输出侧滤波电容和滤波电感对输出电流暂态过程的影响,选择合理的滤波参数,既可以减小稳态电流纹波,又能有效改善输出电流的超调。针对500V和1 000 V电池组负载,建立Matlab仿真模型并进行相应的实验验证,仿真和实验表明充电装置可对不同电压等级的电池组实现不同倍率的恒流充电。     

等离子体气动激励系统电特性的实验研究

为了研究大尺度等离子体激励器和调整电源电感、电容的情况,笔者对等离子体气动激励系统的电特性进行了实验研究,得出等离子体气动激励系统的电感和电容是影响电特性的关键因素。实验结果表明,一定的电源输入电压下,减小电源电感或串联电容分压器,等离子体气动激励系统的谐振频率、电源输入电流和放电电流增大,等离子体气动激励器的放电电压基本保持不变;随着电源频率的增大,等离子体气动激励系统放电有3个典型的方式,电源频率小于谐振频率时,放电电流波形有突变;随着电源频率增大,激励系统的感性不断增大,放电电流增大,电流突变消失;电源频率大于谐振频率后,电容将电压的高次谐波滤掉,放电电流减小。     

20kJ/s电容充电电源的分析与设计

采用开关变换技术的串联谐振电容充电电源是较为理想的电容充电方式。为此,先后对串联谐振电容充电电源进行了最小应力设计,对后级共振充电电源进行了分析与设计。前者主要根据谐振电感和电容峰值能量以及开关器件的最大功率建立了应力函数,通过求解应力函数的最小值确定了电路的工作点和器件参数。实验结果与理论计算结果相一致,电源在最小应力点工作时器件的综合应力最小,并且开关频率高于谐振频率工作时比低于谐振频率工作时应力更小。最后给出了一台应用于磁脉冲压缩系统的初级储能电容充电电源的设计实例,其电源的实验结果与理论计算结果相一致,负载电容在5~40μF之间变化时,系统可在100 Hz重复频率下稳定、可靠地长时间运行。根据最小应力公式进行谐振变换器和电容器充电电源的分析与设计可为设计者提供参考。     

一种固态开关紧凑高压脉冲电源的设计与仿真

为了满足运载工具对脉冲放电电源的需求,设计了一种利用车载蓄电池作充电电源,采用两级电感储能、电容传输能量的拓扑电路,脉冲变压器输出最大幅值30 kV、ns级上升沿(反应器负载)、高压脉冲重复频率1 kHz的用于放电处理汽车尾气的全固态开关紧凑型高压脉冲电源;分析了电源主电路工作原理,对电路的动态工作进行数学建模和解析求解,并用Matlab仿真给出一组典型的电源工作波形,为电源设计和元件参数选取提供了依据。在给定电路和负载参数下对电源工作进行PSpice仿真分析的结果表明,该方法能真实反映实际元器件参数对电路工作的影响;该电源能胜任一定范围的阻、感、容性负载下的工作,负载特性可用于电路设计的改进和用户参数的选取,特别是容性反应器负载的特性表明电源可用于汽车尾气的处理。     

10kV重复频率方波脉冲源的研制

为进行绝缘材料在快前沿高压脉冲作用下的局部放电和绝缘老化的试验研究,研制了1台最高输出电压为10kV的重复频率高压方波脉冲发生器。该方波发生器采用可调直流高压电源和储能电容器作为能源系统,利用半导体固态开关作为主放电开关控制脉冲宽度和重复频率,通过脉冲放电回路在负载上形成所需的电压脉冲。其半导体固态开关采用具有低耦合电容的紧凑型快速高压金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)开关,通过复杂可编程逻辑控制器(CPLD)可编程逻辑电路实现开关通断控制。实测结果表明,该脉冲源可以产生脉冲上升沿约为80ns、最小脉冲宽度为320ns的高压准方波脉冲,最高输出幅值达到±10kV,脉冲重复频率的可调范围为1～3kHz,性能指标满足绝缘材料的局部放电以及绝缘老化试验的要求。     

Design of a Pulsewidth-Modulated Resonant Converter for a High-Output-Voltage Power Supply

The design and fabrication of a parallel resonant converter circuit and a high-frequency step-up transformer used to supply an adjustable dc voltage to a load is described. The 500-W system is operated from 115/230 V single-phase 60-Hz power, which is rectified and filtered to form a 310-V dc link. A two-transistor half-bridge circuit operating at a fixed frequency above the circuits resonant frequency converts the dc voltage to an ac voltage at approximately 20 kHz. This high-frequency voltage is transformed with a low-capacitance oil-impregnated ferrite transformer. The output voltage is rectified to form a dc voltage with a maximum value of 90-kV peak. The output voltage is adjustable using pulsewidth modulation of the conduction time of the two transistors in the power circuit. The energy stored in the resonant circuit provides a sinusoidal transformer voltage at fixed frequency over a wide range of control. The system is provided with a closed-loop peak-voltage regulator and an on-off capability from the control electronics. The transformer is designed for a specific value of inductance and capacitance to operate at the desired resonant frequency and characteristic impedance.     

高压电容器充电电源的研究

为了研究电容器放电结束后的能量补充,推进电容器充电电源(CCPS)根据电容器输出电压的要求,对带电阻器的高压直流电源、谐振充电电源和高频变换器充电电源技术进行了讨论,并对其进行了验证和对比。带电阻器的高压直流电源电路简单,但是体积庞大,效率低下,适用于要求不高的场合;谐振充电电源对开关的耐压和电容容量要求很高,调整率很差;高频变换器采用电力电子和现代控制技术,使得充电电源运行起来更安全、可靠、易控,是目前采用的主要技术。另外,因三相谐振充电电源和并联模块充电电源是大功率充电电源的发展方向,故应根据需要选择充电方式和电路结构,以达到更高的性价比。     

Load Independent AC/DC Power Supply for Higher Frequencies with Sine-Wave Output

For ac voltage power supplies with a dc voltage input, a series inverter can be used. The advantage of sine-wave output and low switching losses is in contrast to the poor regulation of the output voltage and the load dependence of most series inverter circuits. An improved series inverter with a divided resonance capacitor is described. This inverter can operate from no load to full load and for inductive load as well as for resistive or capacitive load. It provides excellent output voltage regulation for all kinds of loads. A steady- state analysis of the inverter for reactive load is given as well as the optimal design for the divided capacitor. A second circuit formed from two of the above inverters provides a controllable output voltage independent of the input voltage and the load and thus overcomes a disadvantage of many series inverters. Both circuits were tested in experimental setups for an output frequency of 400 Hz, and the results are discussed.     

蓄电池组与高频逆变器阻抗匹配特性研究

分析了采用串联谐振电路的高频高压充电电源的工作原理;对锂离子蓄电池组与采用高频全桥逆变器结构的高频高压充电电源之间出现的匹配问题进行了分析,并给出了解决方案;分析了高频逆变器直流段引线电感和逆变开关寄生电感对高频逆变器开关过程的影响,给出了解决方案,并在40kW/10kV/20kHz的充电电源上进行了实验.     

一种用于恒流充电电源的保护系统的研制

在大功率恒流充电电源给高压脉冲电容器充电时,由于高压电容的放电回路电流是一个几十kA的振荡电流,该电流反馈到充电电源会导致充电系统损坏。为解决此问题,研制了一个保护系统,该系统由大、小电感和高压硅堆等组成,结构简单,能够有效隔离大电流反馈到充电电源。介绍了该保护系统的保护原理后设计了其结构、材料和尺寸,并推导了空芯螺线管电感值的计算公式;用ANSYS软件对空芯螺线管和实际制作的电感的磁力线分布进行了模拟,算出其磁阻,从而得到了实际电感的理论计算值,该计算值与RLC精密仪器测得的电感值很接近,从而验证了该计算公式的正确性。用Pspice软件对系统的保护效果进行模拟计算的结果表明,该保护电路的存在对主放电回路几乎没有影响;当反向脉冲电流过大时,首先损坏的是反向保护硅堆,从而保护了恒流充电电源。     

Hybrid DC–DC converter with high efficiency,wide ZVS range,and less output inductance

In this paper, a new soft switching direct current (DC)–DC converter with low circulating current, wide zero voltage switching range, and reduced output inductor is presented for electric vehicle or plug‐in hybrid electric vehicle battery charger application. The proposed high‐frequency link DC–DC converter includes two resonant circuits and one full‐bridge phase‐shift pulse‐width modulation circuit with shared power switches in leading and lagging legs. Series resonant converters are operated at fixed switching frequency to extend the zero voltage switching range of power switches. Passive snubber circuit using one clamp capacitor and two rectifier diodes at the secondary side is adopted to reduce the primary current of full‐bridge converter to zero during the freewheeling interval. Hence, the circulating current on the primary side is eliminated in the proposed converter. In the same time, the voltage across the output inductor is also decreased so that the output inductance can be reduced compared with the output inductance in conventional full‐bridge converter. Finally, experiments are presented for a 1.33‐kW prototype circuit converting 380 V input to an output voltage of 300–420 V/3.5 A for battery charger applications. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.