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CN106936330A - 一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源 - Google Patents

一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源 Download PDF

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CN106936330A CN201710285733.8A CN201710285733A CN106936330A CN 106936330 A CN106936330 A CN 106936330A CN 201710285733 A CN201710285733 A CN 201710285733A CN 106936330 A CN106936330 A CN 106936330A
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Abstract

本发明公开一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，它包括主高压储能部分和补跌部分，其主高压储能部分叠垫有补跌部分；所述主高压储能部分包括主高压储能充电电源、主储能电容阵列、放电开关及钳位旁路二极管；所述补跌部分包括分段补跌部分与段内补跌部分，其分段补跌部分包括分段补跌充电电源、分段补跌电容阵列、补跌开关及钳位旁路二极管，其段内补跌部包括段内补跌充电电源、段内补跌电容、转换开关及钳位旁路二极管。本发明的高压脉冲电源可在满足功能指标的前提下，大幅降低高压储能电容的容量，从而大幅降低高压脉冲电源的制作成本，降低设备体积重量，并提高设备使用的安全性和可靠性，使用户用较低的费用获得高性能的高压脉冲电源。

Description

一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源
技术领域
本发明涉及高压电源技术领域，具体的说是涉及一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源。
背景技术
大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源是一种可广泛应用于国防、医疗、环保等技术领域的电子设备，其功率可达数兆瓦以上，其脉宽可达秒级，且脉冲顶部降落和脉冲顶部纹波都有较严格要求，其充放电过程可单次工作也可连续重复工作。传统大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，一般有两种做法，第一种做法是用大功率电源直供电，比如输出一秒钟3MW的高压脉冲，就采用3MW的工频供电电源，经整流滤波及开关直接输出3MW，这种方式对供电要求很高；第二种是根据平均功率来配置供电电源，其电气结构框图如图1所示，这种做法需使用很多高压储能脉冲电容器，先给高压储能脉冲电容充满电，然后通过开关导通让电容器放电，在电容放电期间也伴随电源供电输出以减小电容器电压降落的幅度，这种方法对大功率长脉冲高顶平要求的高压脉冲电源，不仅需要很大容值的电容来储存电能，直接造成高压脉冲电源的制作成本、体积及重量大幅增加大，而且打火放电能量很大，容易对负载造成损坏，保护也很困难。上述两种做法的制作成本均很高，这也给用户直接造成经济负担。
发明内容
针对现有大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源的上述不足，本发明的目的是提供一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，本高压脉冲电源可在满足功能指标的前提下，通过大幅降低高压储能电容的容量来大幅降低高压脉冲电源的制作成本，并提高设备使用的安全性和可靠性，使用户用较低的费用获得高性能的高压脉冲电源。
本发明的技术方案是：一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，它包括主高压储能部分和补跌部分，其主高压储能部分叠垫有补跌部分；所述主高压储能部分包括主高压储能充电电源E1、主储能电容阵列C11～C1m、放电开关K11～K1m及钳位旁路二极管D11～D1m，其开关K1i位于电容C1i的高端与二极管D1i的高端之间；所述补跌部分包括分段补跌部分与段内补跌部分，其分段补跌部分包括分段补跌充电电源E2、分段补跌电容阵列C21～C2n、补跌开关K21～K2n及钳位旁路二极管D21～D2n，开关K2i位于电容C2i的高端与二极管D2i的高端之间，其段内补跌部包括段内补跌充电电源E3、段内补跌电容C31和C32、转换开关K3及钳位旁路二极管D3，其电容C31和C32与二极管D3的低端之间电连接，其开关K3轮换将二极管D3的高端与电容C31或电容C32的高端接通，其等效负载电阻Re的Uh端电连接在开关K11与二极管D11之间的连接线上，等效负载电阻Re的Ul端电连接在电容C32与二极管D3之间的连接线上。
优选的，所述段内补跌充电电源E3为高频充电电源。
进一步，所述转换开关K3为半导体快速转换开关。
进一步，所述放电开关K11～K1m为半导体分布开关。
进一步，所述补跌开关K21～K2n为半导体开关。
进一步，所述的高压脉冲电源还包括控制器，控制器控制开关K11～K1m、开关K21～K2n及开关K3的通断。
本发明的工作原理：是将长脉冲放电划分为连续多段短放电脉冲放电，长脉冲开始的第一段主高压储能部分和段内补跌部分开始工作，主高压储能部分开关导通放电电容电压下降，段内补跌电容C31充电电压同步开始上升，总输出脉冲电压恒定，当电容C31电压上升到分段补跌电容C2i的电压值时，开关K3立即从电容C31的高端断开转接到电压值为零伏电容C32的高端上，同时补跌开关K21闭合导通补足电容C31断开的电压值，使分段补跌电容C21与主储能电容C11串联放电，第一段脉冲放电及补跌结束进入第二段。在第二段工作期间，分段补跌电容和主储能电容串联放电电压下降，段内补跌充电电源E3开始给段内补跌电容C32充电电压同步上升，使总输出电压恒定，电容C31放电，当电容C32电压上升到补跌电容C2i的电压值时，开关K3立即从电容C32的高端上断开转接到电压已经放电到零电容C31的高端上，同时补跌开关K22闭合导通，补足电容C32断开的电压值，分段补跌电容C22也参与主储能电容的放电，第二段放电结束进入第三段放电，以此类推，直到长脉冲结束。
本发明相关参数的设计方法：
1)明确高压脉冲电源要求的脉冲电压Um，脉冲功率Pm或脉冲电流Im，脉冲宽度时间t，以及客户能提供的供电电源功率Pin，以及脉冲电压允许跌落值△U；
2)根据脉冲电流Im和供电功率设计段内补跌电压值U3，可令I3等于(1.1～2.0)Im，须注意段内补跌电流I3大及电容C3i越大，脉冲顶部越平滑，但其功率损耗也大；当段内补跌电流I3确定后，U3=Pin/I3，由此可选定段内补跌电容C3i的电压值。该电压值也是分段补跌部分每组的电容电压值U2；当供电功率比较小时，选择放电期间供电电源只为段内补跌电容充电；当供电功率比较大时，可综合考虑选择段内补跌电源的功率，多余功率让供电电源在主储能电容C1i放电期间也提供一些能量，可进一步减小主储能电容C1i的值；
3)设计选择分段补跌部分的参数，首先分段补跌部分每组电压等于段内补跌电压，每组电压确定后，分段补跌部分的组数要综合考虑选择；分段补跌部分组数越多，主储能电容C1i允许电压跌落越大，主储能电容C1i容量越小，但组数太多会增加加工难度。对于脉宽为1秒的长脉冲，可选择30～50组。主高压储能电容器允许跌落电压就由规定的△U变成(30～50)△U。还要考虑总脉宽的时间与分段补跌部分的组数及段内补跌部分的电压值；
4)主储能电容C1i的电容量值设计选择，首先计算无分段补跌部分及段内补跌部分时，在用户允许的电压跌落范围内，IT=C△U，C=IT/△U；按此传统公式计算出的电容值会很大，价格很高，体积重量都很大；按本发明的方案，可考虑取传统储能电容容量的1/30～1/50作为主储能电容C1i的电容容量；
5)主高压储能部分的主高压储能充电电源E1、主储能电容C1i及放电开关K1i，既可以用分组型的，也可用分组分布型的。
与传统的高压脉冲电源相比，本发明有益效果是：
1、本发明的高压脉冲电源可在满足功能指标的前提下，大幅降低高压储能电容的容量，从而大幅降低高压脉冲电源的制作成本，降低设备体积重量，并提高高压脉冲电源使用的安全性和可靠性，使用户用较低的费用获得高性能的高压脉冲电源；
2、本发明的高压脉冲电源还能在满足功能指标的前提下提高脉冲电源的功能指标，使脉冲顶部电压无跌落，且脉冲顶部更平滑；
3、本发明的高压脉冲电源，由于大幅降低高压储能电容的储存能量，在负载发生打火时更容易保护，因此提高了高压脉冲电源的安全性；
4、对于主高压储能部分的主高压储能充电电源、主储能电容及放电开关采用分组分布型的高压脉冲电源，由于在设计主高压储能部分的组数和分段补跌部分的组数时采取了多组冗余组数设计，并且在每组都采取了故障隔离措施，当其中一组或多组发生故障时，设备仍能正常工作，故提高了高压脉冲电源运行的可靠性。
附图说明
图1为传统大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源电气结构框图；
图2为本发明的电气结构框图；
图3为本发明主储能电容的脉冲波形；
图4为本发明分段补跌的脉冲波形；
图5为本发明段内补跌的电压波形图；
图6为本发明的脉冲波形。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。
实施列：
参见图2至图6，本发明的高压脉冲电源，它包括主高压储能部分和补跌部分，其主高压储能部分叠垫有补跌部分；所述主高压储能部分包括主高压储能充电电源E1、主储能电容阵列C11～C1m、放电开关K11～K1m及钳位旁路二极管D11～D1m，其开关K1i位于电容C1i的高端与二极管D1i的高端之间；所述补跌部分包括分段补跌部分与段内补跌部分，其分段补跌部分包括分段补跌充电电源E2、分段补跌电容阵列C21～C2n、补跌开关K21～K2n及钳位旁路二极管D21～D2n，开关K2i位于电容C2i的高端与二极管D2i的高端之间，其段内补跌部包括段内补跌充电电源E3、段内补跌电容C31和C32、转换开关K3及钳位旁路二极管D3，其电容C31和C32与二极管D3的低端之间电连接，其开关K3轮换将二极管D3的高端与电容C31或电容C32的高端接通，其等效负载电阻Re的Uh端电连接在开关K11与二极管D11之间的连接线上，等效负载电阻Re的Ul端电连接在电容C32与二极管D3之间的连接线上。所述段内补跌充电电源E3为高频充电电源。所述转换开关K3为半导体快速转换开关。所述放电开关K11～K1m为半导体分布开关。所述补跌开关K21～K2n为半导体开关。所述的高压脉冲电源还包括控制器，控制器控制开关K11～K1m、开关K21～K2n及开关K3的通断。
当需要对等效负载电阻Re施加脉冲电压Um为55KV、脉冲电流Im为45A、脉冲宽度时间t为1S，顶降要求小于1%的高压脉冲电源时。如采用传统大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，其高压储能脉冲电容器C需用82000μF才能满足1%的顶降要求；如采用本发明的高压脉冲电源，其分段补跌部分分39组，其段内补跌部分分40段，其主储能电容C1i只需用2000μF就可完全满足的顶降要求，甚至顶降可控制在0.1%内。
上述仅为本发明的一种实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，其特征在于：它包括主高压储能部分和补跌部分，其主高压储能部分叠垫有补跌部分；所述主高压储能部分包括主高压储能充电电源E1、主储能电容阵列C11～C1m、放电开关K11～K1m及钳位旁路二极管D11～D1m，其开关K1i位于电容C1i的高端与二极管D1i的高端之间；所述补跌部分包括分段补跌部分与段内补跌部分，其分段补跌部分包括分段补跌充电电源E2、分段补跌电容阵列C21～C2n、补跌开关K21～K2n及钳位旁路二极管D21～D2n，开关K2i位于电容C2i的高端与二极管D2i的高端之间，其段内补跌部包括段内补跌充电电源E3、段内补跌电容C31和C32、转换开关K3及钳位旁路二极管D3，其电容C31和C32与二极管D3的低端之间电连接，其开关K3轮换将二极管D3的高端与电容C31或电容C32的高端接通，其等效负载电阻Re的Uh端电连接在开关K11与二极管D11之间的连接线上，等效负载电阻Re的Ul端电连接在电容C32与二极管D3之间的连接线上。
2.根据权利要求1所述一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，其特征在于：所述段内补跌充电电源E3为高频充电电源。
3.根据权利要求1所述一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，其特征在于：所述转换开关K3为半导体快速转换开关。
4.根据权利要求1所述一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，其特征在于：所述放电开关K11～K1m为半导体分布开关。
5.根据权利要求1所述一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，其特征在于：所述补跌开关K21～K2n为半导体开关。
6.根据权利要求1所述一种低成本大功率长脉冲高顶平的高压脉冲电源，其特征在于：所述的高压脉冲电源还包括控制器，控制器控制开关K11～K1m、开关K21～K2n及开关K3的通断。
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