（核技术及应用专业论文）大功率高稳定pfn充电高压电源的研制.pdf

摘要 介绍了h l s ( h e f e il i g h ts o u r c e ) 直线加速器微波功率源系统并讨论了速调 管脉冲高压对束流能量稳定性的影响。回顾了传统线型调制器l c 谐振充电方式 及新颖的逆变恒流充电方式。随着电力电子技术及开关器件、控制芯片的不断发 展，可以采用更高的变换频率，从而可以大大减小电源体积。由于逆变恒流充电 方式采用了现代电力电子技术中的谐振开关变换技术，使其具有很大的优点。 本文对功率开关器件及基本硬开关拓扑结构也进行了介绍。对串联、并联及 串并混合谐振变换器进行了系统仿真及性能分析，重点分析了特别适合高压电容 充电的逆变电路的结构，对其动态过程进行了数学分析及计算机仿真。并针对串 联谐振电路的不足，对充电精度问题进行了进一步的研究。 在此基础上设计了一台8 k j sp f n 充电高压电源。主要包括功率主回路、控 制电路、驱动电路及显示电路的设计，还包括开关变压器、高压整流电路及大功 率散热的设计。该p f n 充电高压电源采用逆变恒流充电技术，控制电路设计的 新颖性在于其具有更新充电模式，克服了一般的串联谐振电路的不足，即使在较 大的范围内选取负载电容，该电源也具有较好的稳定性。 本文的最后给出了实验结果，并完成了电源稳定度的测量，结果表明该电源 具有较好的稳定度，已经成功地运行于h l s 第六台调制器中。 关键字：高压，调制器，谐振变换器，仿真，电容充电 主国型堂遮盔太堂亟堂僮诠塞 盔功奎直整定里丛左电直压鱼遗的盟剑 i n v e s t i g a t i o no np f n - - c h a r g i n gp o w e r s u p p l yw i t hh i g hv o l t a g e a n d h i g hp o w e r c o n gx i a o y a n d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f s h a n gl e i a b s t r a c t f i r s t l yt h em i c r o w a v ep o w e rs y s t e mo fl i n e a ra c c e l e r a t o r ( l i n a c ) i nh l s ( h e f e il i g h ts o u r c e ) i si n t r o d u c e d a n dt h eb e a me n e r g ys p r e a dc a u s e db yt h e i n s t a b i l i t yo fk l y s t r o nh i g hv o l t a g ei sd i s c u s s e d t h e n ，t h et r a d i t i o n a ll cr e s o n a n t c h a r g i n gp o w e rs u p p l ya n dt h en e wi n v e r t e r - t y p ec o n s t a n t c u r r e n tc h a r g i n gp o w e r s u p p l ya r ec o m p a r e d w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，s w i t c h i n g d e v i c e sa n dc o n t r o lc h i p s ，s m a l ls i z ea n dh i g he f f i c i e n c yc a nb ea c h i e v e d f o rt h e s e r e a s o n s ，r e s o n a n tc o n v e r t e ri sa d o p t e d ；t h e s em a k ec o n s t a n t c u r r e n tc h a r g i n gh i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l yh a sm a n yg o o dc h a r a c t e r i s t i c s n e x t ，b a s i cw o r k i n gp r i n c i p l e so fv a r i o u sh a r d s w i t c ht o p o l o g i e sa n ds w i t c h i n g d e v i c e sa r ed e s c r i b e d t h es e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r , p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e ra n d s e r i e s p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e ra r es t u d i e di nd e t a i la n ds i m u l a t e dc o r r e s p o n d i n g l y a n dt h e nt h es e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e rw h i c hi st h em o s ts u i t a b l ef o rc a p a c i t o r c h a r g i n ga p p l i c a t i o ni sd i s c u s s e da n da n a l y z e db yu s i n gn u m e r i c a la n a l y s i s a n d s i m u l a t i n go nc o m p u t e ri nm o r ed e t a i l e q u a l b u c k e tc h a r g i n go rc o n s t a n t c u r r e n t c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i ci sp r o o f e da n a l y t i c a l l y b e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g e so fb a s i c s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r , t h ep r e c i s i o np r o b l e mo fc h a r g i n gi sp o i n t e do u t b a s e do na l la b o v em e n t i o n e d ，a n8 k j sp f nc h a r g i n gp o w e rs u p p l yi sd e v e l o p e d t h i sd e s i g ni n c l u d e st h em a i np o w e rc i r c u i t ，f e e d b a c kc o n t r o lc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i t ， a n dd i s p l a yc i r c u i t h i g hv o l t a g et r a n s f o r m e r , r e c t i f i e rb r i d g e ，a n dh e a ts i n ka r ea l s o i i 虫国型堂撞盔太堂亟堂僮论塞太功奎直整庭型充电直压电退的婴剑 t h ei m p o r t a n tp a r to fi t t h i sp f n c h a r g i n gp o w e rs u p p l yw i t hh i g hv o l t a g ea n dh i g h p o w e ri n c o r p o r a t e s a ni n n o v a t i v er e f r e s hm o d ei nc o n t r o lc i r c u i tw h i c hc a n o v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e so fb a s i cs e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r w h e nt h el o a d c a p a c i t o ri ss m a l l o rt h er e p e t i t i o ni sh i g h ，t h ep o w e rs u p p l ys t i l lh a sag o o ds t a b i l i t y a tl a s t ，t h ei m p o r t a n tr e s u l t sa n dw a v e f o r m sw i t hk l y s t r o nl o a da r eo b t a i n e d a n d t h ep u l s et op u l s er e p e a t a b i l i t yi sm e a s u r e d t h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wg o o d p o t e n t i a lf o rt h ev o l t a g es t a b i l i t y t h ep o w e rs u p p l yw a su s e do nn o 6m o d u l a t o ro f h l s s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：h i g h v o l t a g e ，m o d u l a t o r , r e s o n a n tc o n v e r t e r , s i m u l a t i o n ，c a p a c i t o r c h a r g i n g i i i 第一章绪论 1 、1电子直线加速器及微波功率系统 同步辐射是一种强度大、亮度高、频谱连续、方向性及偏振性好、有脉冲时 间结构和洁净真空环境的优异的新型光源，可应用于物理、化学、材料科学、生 命科学、光刻和超微细加工等众多基础研究和应用研究领域。 国家同步辐射实验室n s r l ( n a t i o n a ls y n c h r o t r o nr a d i a t i o nl a b o r a t o r y ) 建 有我国第台以真空紫外和软x 射线为主的专用同步辐射光源。其主体设备是 一台能量为8 0 0 m e v 、平均流强为1 0 0 3 0 0 m a 的电子储存环，用一台能量 2 0 0 m e v 的电子直线加速器作注入器。储存环弯铁和扭摆磁铁的同步辐射特征波 长分别为2 4 n m 和0 5 n m 。 2 0 0 m e v 电子直线加速器主要由预注入器、四个六米均匀加速区段、微波功 率源及其波导传输系统、真空系统、横向聚焦元件、水冷系统、控制系统等组成。 其微波功率源主要包括微波激励系统、五只2 0 m w 速调管、五台5 0 m w 高压脉 冲调制器，以及波导传输系统，直线加速器的整体布局如图l 一1 ，其微波系统如 图1 - 2 。 r _ 删a 1 m t n 7 图1 1 直线加速器整体布局 d i r e c t i o n a ld i r e c t i o n a l c o u p l e rc o u p l e r 空国甜芏堇查点堂亟堂焦熊塞盔功奎宣堕定里坠! 壶电崮厘旦鳇曲盟剑 k i k 6 ：大功率速调管：m l m 6 ：高压脉冲调制器；i i c a ! 穆相衰减单元， c 。：波导定向耦台器；c 1 c 5 ：同轴定向耦台器。 图1 2 直线加速器的微波功率源系统 速调管渊制器是直线加速器2 0 m w 大功率速渊管的脉冲电源，五台 k m f l 0 1 7 a 型速调管向直线加速器提供高功率微波，并将直线加速器中的电子 束加速到2 0 0 m e v ，母台调制器的性能指标见表1 1 ： 峰值功率 5 0 m w 最火平均功率 1 2k w 速调管阴极电压 2 5 0 k v 速调管电流2 0 0 a 微波输出最大峰值功率1 5 m w 闸流管阳极电压 4 0 k v 闸流管电流 2 9 k a 脉冲平顶宽度 2 # s 重复频率 s o p p s p f n 阻抗 8 7 0 高压脉冲稳定度 ( 05 表1 - 1 速调管调制器技术参数 1 、2 脉冲高压对束流能量稳定性的影响 2 0 0 m e v 直线加速器( l i n a c ) 的能量稳定性直接关系到注入效率，影响 2 0 0 m e vl 1 n a c 能量稳定性的因素很多，其中包括机械参数、恒温水冷系统、信 虫国型堂遮苤盔堂亟堂僮途塞太功壅直氇庭型在电直压电选的婴剑 号源频率变化的影响、束流负载效应、功率源的不稳定等，影响可见下表1 - 2 1 1 。 变化因素 a w ，、v 频率变化f f = l * 1 0 60 0 0 3 2 水温变化a t = i 0 9 7 腔体2 b 尺寸变化l # m 0 4 7 6 加速管调整后相移偏移( 测试数据) 0 1 7 束流负载变化 当束流为1 0 0 m a ，a i i = 0 1 0 4 8 当束流为5 0 m a ，a i i = 0 1 o 2 2 大功率调制器脉冲高压变化1 0 1 6 0 5 0 6 7 表l 一2 直线加速器诸因素变化对能量的影响 虽然影响束流品质的因素诸多，但是功率源稳定性尤为重要。加在速调管上 的电压的波动直接造成两个影响即微波功率和加速场相位1 1 。 1 ) 高压波动对功率的影响以及对电子束能量的影响 在正常工作下，速调管输出功率和加在其上的电压是二分之五次方关系，即 斥o c 嘭，p k 速调管输出功率，v k 速调管上阴极电压； 而电子的能量是同功率的二分之一次方成正比，即wo c 坟，所以 警l 2 丢警 m ， 、 、 2 ) 速调管脉冲高压对相位的影响 速调管中，电子从阴极发射经阳极高压加速获得能量为e v k ，这时电子获得 速度为 v e 2 c ( 1 2 ) 其中m o c 2 = 0 5 1 1 m e v 为电子静止能量 电子以速度v 。向收集极渡越其间把能量转化为微波功率，但到达微波输出 腔的时间又可以近似为 f 。：蔓 名 若用相位吼来表示电子到达输出腔的时间，则吼：刎。：2 n f ( k ) a 吼：一2 矽t l e ( 1 - 3 ) 1 ，8 a 吼= 一2 乃( ) ( 等r 石：_ 三；新号萋生= 一彳k 号笔( 1 _ 4 ) 电子在微波场中获得能量w = e v oc o s c p ，在电子直线加速器中，总是把西调 到0 使电子得到最大能量，这时形= 8 z o = p f e ( z ) a z ，当电子进入加速场的相位 有偏差，这时电子的能量为w = e c o s a 0 去p v o ( a 0 ) 2 + e v o ，所以 詈= 互1 ( 蚴2 ( 1 - 5 ) 由公式( 1 - 4 ) ，( 1 - 5 ) 可得 _ i o w 吆2j 1 俄 ( 1 - 6 ) 根据式( 1 1 ) ，( 1 6 ) 可计算出大功率调制器的高压波动a k 对其电子能量、能 散的影响。 调制器输出的高压脉冲方波其顶降幅度漂移等参数都将影响速调管输出的 微波功率及相位，经计算，幅度变化1 ，将导致微波相位变化8 1 。，使电子加 速能量变化1 o ，同时1 的输出功率变化会使加速能量变化1 2 5 ，仅这两者 的变化将导致能量变化：等兰1 6 。为得到较高的束流稳定度，根据束流能量 稳定要求，要求脉冲之间( p u l s e t o p u l s e ) 其平顶电压变化( f l a t t o pv o l t a g e v a r i a t i o n ) 小于0 5 。 主国型堂撞鲞太堂亟堂僮诠塞盔功奎直叠定里型左电直压电遂的班剑 1 、3 速调管调制器的改造 h l s ( h e f e il i g h ts o u r c e ) 二期工程之前，调制器采用带有d e q i n g 电路的 l c 谐振充电方式【2 j ，借鉴了美国s l a c ( s t a n f o r dl i n e a ra c c e l e r a t o rc e n t e r ) 实 验室第一、二代调制器技术。由如下六部分组成：高压直流电源；充电限流元件； 脉冲形成网络( p f n 又叫仿真线或人工线) ；开关元件；脉冲变压器和负载( 速 调管) 等，如图1 3 所示，改造前调制器系统框图如图1 4 所示，辅助网络有： 控制系统；测量保护；d e q i n g 电路；削峰网络和斩波电路等。高压直流电源部 分包括0 - 5 0 0 v 三相调压变压器；0 - 2 5 k v 升压变压器；三相全波整流线路；t 型电感电容滤波等设备【2 】o 图1 - 3 调制器主电路方框图 滤波 充电二极管 及消峰电路 图1 4 改造前调制器系统框图 主国型堂撞查太堂亟堂僮途塞太功奎直鳌定隧左电直压电近的婴剑 n s r l 速调管调制器是以氢闸流管作为其开关元件的，我们可以称它为软管 调制器。而软管调制器又总是用人工线( 又称为脉冲形成网络，p f n p u l s e f o r m i n gn e t w o r k ) 做储能元件的。直流高压电源通过充电限流元件( 由充电变 压器、充电硅堆和削峰网络构成) 向p f n 充电储能，当氢闸流管被触发电路触 发以后，瞬即完全导通，于是p f n 中储存的能量通过脉冲变压器原边迅速释放， 形成一强流脉冲方波，通过高压脉冲变压器1 ：1 2 的升压，在变压器次级得到一 电压幅值为2 5 0 k v 左右的脉冲方波施加于速调管的阴极上。 由前所述能量稳定性问题分析可知，速调管调制器作为微波功率源的重要组 成部分，其输出微波功率的稳定性直接关系到直线加速器束流的稳定性，影响到 注入效率；为了稳定微波输出功率，减小脉冲幅度漂移，就要求在电网电压波动 的情况下调制器直流高压电源保持较高的稳定度。 2 0 0 2 年h l s 率先在国内加速器领域采用了逆变恒流充电开关电源方案并获 得成功【3 】【4 】0 不但在稳定性及可维护性上有了显著提高，而且体积、重量都大大 减小，改造后的调制器系统框图如图l 一5 所示。目前新建的科学大工程项目中峰 值功率在1 5 0 m w 左右，平均功率在3 0 k w 量级下也开始考虑使用此方案。 图1 5改造后的调制器系统框图 一n u 改进后的调制器采用p l c 监控系统取代了原有的继电器逻辑控制电路，使 其成为n s r l 基于e p i c s 的控制系统的一部分。如图1 - 6 所示，p l c 的功能是 电源开关、状态监控、安全连锁及与i o c 的实时通讯。每个p l c 包含1 6 点数字 量输入输出插件、8 点模拟量输入输出插件及光缆连接插件，所有数字量都是 虫国型堂堇莶态堂亟堂僮诠塞太功奎直疆定里丛左垒直压电遂的婴剑 光电隔离的，本地监控程序采用梯形图方式4 1 。 嚣戮篱：1 n协舔，伯0 ；”。“ c ：z o d , 墨 址辩巾置 图i - 6 脉冲功率装置控制系统 i 、4 本课题研究背景、意义及研究目标 咏1 嚣嚣# 。i ! af 濑汹 。要穰6 鱼 | 酸 n s r l 二期工程改造后，速调管调制器的高压电源采用美国l a m b d a e m i 公司生产的l c l 2 0 2 4 0 k v 高压电源，在性能及稳定性上有了很大的提高，体积更 加紧凑，但是在经济、技术及维护上也碰到了一些问题。为了适应国内、国际发 展的需要，迫切要求我们自行研制适合电容充电的高压电源。自主研发大功率逆 变恒流充电高压电源具有重要的现实意义，能够促进国内大功率开关电源技术的 发展，摆脱对进口的依赖性，并有可能在工业辐照直线加速器推广应用，同时为 直线加速器进行改造做更大功率的电源做准备。 在国外，数家企业拥有大功率充电电源成型产品，并拥有各自的技术专利【5 j 一【9 1 ，如美国的m a x w e l l 公司及e m i 公司的系列高压电源。e m i 的商业产品最大平 均充电功率为3 0 k w ( d c 状态5 0 k w ，电压5 0 k v ，效率8 5 ，重量8 4 k g ，整体尺 寸为4 8 0 术3 1 0 木5 6 0 ，功率密度为0 6 w c m 3 ，功率因数为0 9 ) 。阿贡国家实验室、 d e s y 实验室均使用了e m i 和m a x w e l l 公司的产品【l0 1 ，表1 4 列出了其它部分公司 及产品的主要技术指标。近年来日本东芝公司与k e k 合作研带i j 3 0 k j s 的电容充电 电源，并应用于日本s c s s ( s p r i n g 8c o m p a c ts a s es o u r c e ) 的项目中。 虫国抖堂这苤丕堂亟堂焦途塞太功奎直氇庭里型在电高压电遗的监剑 瀑 k o r e am a x w e l lt o s h i b a e e vl t d 【1 4 】 e l e c t r o t e c h n o l o g y l a b s 1 2 】 c o r p 1 3 】 技术指标 r e s i n s t 【1 l 】 工作频率 3 3 k h z2 0 k h z 充电电压2 0 k v5 0 k v4 0 k v 充电功率2 0 k w1 0 k w3 8 k w3 0 0 k w 效率9 0 8 0 4 负载电容 0 2 5 # f 2 0 n f3 3 n f 体积 2 4 9 4 9 6 x 4 4 9 ( m m ) 表l 一4 国外部分充电电源的主要技术指标 国内的加速器并没有采用这种高压电源的先例，大多数较大功率的脉冲调制 器多采用传统的低频l c 谐振充电模式，或是采用充电效率低的电压源。 本论文的研究目标主要有：详细介绍有关开关电源各部分的理论，分析串联 谐振高压充电电源的设计与实现，根据开关电源设计理论，采用串联谐振式充电 拓扑实现高压充电电源的设计与调试，最后应用到实际的速调管调制器上验证其 可行性。 1 、5 本论文的主要内容及本人所做的工作 本论文主要利用谐振开关电源理论，实现串联谐振充电方式的高压电源的设 计与实现。 绪论部分主要介绍自研制充电高压电源的意义，简单介绍了直线加速器及速 调管调制器的工作原理以及国内外对充电高压研制的现状，分析了高压电源稳定 性的重要性。 第二章主要介绍p f n 充电方案，分析了l c 谐振充电及逆变恒流充电方式， 并对两种充电方式进行比较。 第三章首先介绍开关电源电路拓扑的主要形式，主要介绍了串、并联谐振及 串并混合谐振电路并进行频率特性仿真。开关电源的突出优点是效率高、体积小、 重量轻，但其控制电路较复杂。本章最后对适合电容充电的高压电源的电路拓扑 形式进行了详细的分析及仿真。 虫国型堂撞苤态堂亟堂僮论塞太麴奎直叠庭里型丕电直压电逦的盟剑 在上一章对适合电容充电电路分析的基础上，第四章详细介绍8 k j s 充电高 压电源的设计，其新颖之处在于对更新模式中的补充充电电路的实现。主要工作 包括主回路的设计、驱动控制与显示电路的设计、开关变压器及高压整流电路的 设计，最后还进行了大功率散热设计。 第五章是在完成最后整机调试的基础上，对电源稳定度进行了测量。 附录部分补充说明了电源p l c 遥控部分。 本论文完成了大功率充电高压电源的仿真、设计到最后的调试、应用，涉及 到很多内容及工作，包括控制保护部分设计、遥控功能设计、谐振电路的仿真、 主功率回路的设计及参数选择、大功率散热设计、取样反馈电路、开关变压器及 高压油箱的设计以及最后整机的调试工作，国内在这些方面的技术并不成熟，还 在发展中，所以这项工作需要在团队的合作中才能完成。 本人所完成的主要工作有： 1 、谐振电路的仿真及参数的选取： 2 、逆变部分所有的p c b 板及电路原理图的设计； 3 、控制器p l c 部分的硬件及软件设计； 4 、参加所有的调试工作。 参考文献 1 】裴元吉，关于2 0 0 m e vl i n a c 能量稳定性的问题，_ 期工程档案，1 9 9 1 2 】罗雪芳，2 0 0 m e v 电子直线加速器高压脉冲调制器方案，期工程档案，1 9 9 1 3 尚雷，罗雪芳，王炜，洪钧，陆业明，张毅，赵枫，d e s i g na n du p g r a d i n go f h l sl i n a cm o d u l a t o r s j 】，高能物理与核物理i ne n g l i s h ，2 0 0 3 ，v 0 1 2 7 ( 1 2 ) ， 1 1 3 3 1 1 3 6 4 尚雷，刘功发，陈莉萍，陆业明，洪钧，张毅，赵枫，5 0 m w 速调管脉冲调 制器的p l c 控锖l j j ，核技术，2 0 0 4 ，v 0 1 2 7 ( 4 ) ，2 51 2 5 5 5 a c l i p p i n c o t t ，r m n e l m s ，m g a r b ia n de s t r i c k l a n d ，“as e r i e sr e s o n a n t c o n v e r t e rw i t hc o n s t a n to n t i m ec o n t r o lf o rc a p a c i t o rc h a r g i n ga p p l i c a t i o n s ”， p r o c e e d i n go ft h e5 m a n n u a li e e ea p p l i e dp o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c e ，19 9 0 ， p p 1 4 7 1 5 4 史国抖堂撞丕太堂亟堂焦途塞态功圣直整定里型充电高压电源的婴剑 6 】b e s t r i k l a n d ，m g a r b i ，f c a t h e l l ，s e c k h o u s ea n dm n e l m s ，“2 k j s 2 5 k v h i g h f r e q u e n c yc a p a c i t o r - c h a r g i n gp o w e rs u p p l yu s i n gm o s f e ts w i t c h e s ”， p r o c e e d i n go ft h e19 9 019 mp o w e rm o d u l a t o rs y m p 19 9 0 ，p p 5 31 5 3 4 7 】a c l i p p i n c o t ta n dr m n e l m s ，“ac a p a c i t o r - c h a r g i n gp o w e rs u p p l yu s i n ga s e r i e s r e s o n a n t t o p o l o g y , c o n s t a n t o n - t i m e v a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l ，a n d z e r o c u r r e n ts w i t c h i n g ”，i e e et r a n s o ni n d u s t r i a l e l e c t r o n i c s ，v 0 1 3 8 ，n o 6 ， 1 9 9 1 ，p p 4 3 8 4 4 7 8 g e o r g elb e e s ，“p a r a l l e lr e s o n a n tc a p a c i t o rc h a r g i n gp o w e rs u p p l yo p e r a t i n g a b o v et h er e s o n a n tf r e q u e n c y ”，u sp a t e n tn o 5 ，6 3 8 ，2 6 0 m a y19 9 5 9 g e o r g elb e e s ，“s e r i e si n v e n e rf o rc a p a c i t o rc h a r g i n g ”，u sp a t e n tn o 4 ，5 0 6 ，19 6 j a n 1 9 8 3 c h o r o b as ，h a m e i s t e rj ，“t h e3 埘k l y s t r o nm o d u l a t o rw o r k s h o p ：d e v e l o p m e n to f i l cm o d u l a t o rc o m p o n e n t sa n dm o d u l a t o r sf o rl ，s ，a n dxb a n dk l y s t r o n s ”， s t a n f o r d ，c a ，2 9j u n 一2j u l ，19 9 8 11 j e o n gi - w ，c h a n g ，h k “ac o n s t a n tc u r r e n th i g hv o l t a g ec a p a c i t o rc h a r g i n g p o w e rs u p p l yf o rp u l s e dp o w e ra p p l i c a t i o n s ”，i e e ei n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo n p l a s m as c i e n c e ，j u n1 7 2 22 0 0 1s p o n s o r e db y ：i e e epp 2 l 1 40 7 3 0 9 2 4 4 12 c a t h e l lf ，h a r r i s ，“h i g h r e g u l a t i o nc a p a c i t o r c h a r g i n gp o w e rs u p p l i e s s t r i c k l a n d ”，p r o c e e d i n g o fs h e t h ei n t e m a t i o n a l s o c i e t y f o r o p t i c a l e n g i n e e r i n g v2 3 7 4f e b519 9 5s p o n s o r e db y ：s h e i n ts o cf o ro p t e n g i n e e r i n g ，b e l l i n g h a m ，w au s as o c i e t yo fp h o t o o p t i c a li n s t r u m e n t a t i o n e n g i n e e r sp8 6 - 9 70 2 7 7 - 7 8 6 x 13 e n d o ，y a m a z a k i ，“d e v e l o p m e n to fh i g hp o w e rc a p a c i t o rc h a r g i n gp o w e rs u p p l y f o rp u l s e dp o w e ra p p l i c a t i o n s ”，d i g e s to ft e c h n i c a lp a p e r s i e e ei n t e r n a t i o n a l p u l s e dp o w e rc o n f e r e n c e2j u n2 7 - - j u n3 01 9 9 9i e e ep1 4 1 4 1 4 1 6 14 p r z y b y l a ，j s ( e e vl t d ) ，“h i g hp o w e r ( 10 0 k w ) r e s o n a n tc o n v e n e r si nh i g h v o l t a g ed cp o w e rs u p p l i e sa n dc a p a c i t o rc h a r g e r ss o u r c e ”，i e ec o l l o q u i u m ( d i g e s t ) v2 5 8 & 4 4 1a p t1 - 21 9 9 8i e ep2 5 1 2 5 80 9 6 3 3 3 0 8 一1 0 一 第二章p f n 充电方案分析 脉冲功率技术中常见的储能元件为电容器，实现电容器快速高效的充电是脉 冲功率技术的前提。为使速调管调制器的储能元件( p f n ) 在输出脉冲期间向负 载放电，就必须在脉冲间隔期间，利用电源对p f n 充电，本章主要介绍两种充 电方式一l c 谐振充电和逆变恒流充电方式。 2 、1l c 谐振充电原理 一部最简单的线型调制器，除了有一个放电电路外，还应有一个充电电路。 传统的l c 谐振充电电路是由电源、储能元件和负载( 或脉冲变压器) 及速调管 组成，为了防止电源在脉冲输出期间被开关管短路，还需要在电源和开关管之间 安插一个充电隔离元件，而在大功率调制器中，几乎毫不例外地选用电感器件作 为隔离元件【l 】。二期工程以前n s r l 速调管调制器中采用充电变压器作为充电隔 离元件即充电电感，充电等效电路如图2 1 所示。 e 图2 1r l c 谐振等效电路 振荡条件下的充电过程，当仿真线的特性阻抗与负载放电回路的特性阻抗完 全匹配时，仿真线电容器c p f n 完全放电，电压降为零，充电电感中的起始电流 为零，即l c 谐振充电方式，该充电方式是线型调制器中经常采用的充电方式。 l p 中的起始电流和仿真线电容器c p f n 上的起始电压都为零，当开关s 闭合充电 过程开始，直流电源e 将通过l p 和线路损耗电阻r 给c p f n 充电。起初，因为l p 中的电流和c p f n 上的电压均不能突变，所以r 上的电压为零，电感l p 两端的电 压等于电源电压e 。然后，随着时间的推移，电感l p 中的电流不断增长，c p f n 上的电压逐渐上升，而在电感两端的电压逐渐下降。当电感l p 上的电压降至零 史国型堂撞苤太堂亟堂僮论塞太功奎高叠定里丛左鱼直压电遂的班剑 时，流过它的电流将达到最大值；此后，随着时间的推移，电感l p 中的电流开 始减少，由于c p f n 上的电荷仍在积累，所以在它上面的电压将继续增加，直到 l p 中的电流减小到零，c p f n 上的电压增大至最大为止。 电压回路方程： 坼+ 订+ = e 。瓦十i q c = e 。面d i 棚+ 去肛= e 醅c 恻等d f ( 2 - 4 ) 代入( 2 3 ) 得： ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 。一d d 2 f v c + r c p f nd 万v c + = e ( 2 5 ) 这就是充电回路的二阶微分方程，解得 v c = e + e - 耐 一一c 0 ) ) ( c o s 倒+ 罢s i n 纠) + 石毒= s i n 刎】( 2 - 6 ) 其中： j 1r 2 国2 1 f l p c p f n 一4 l z p ， ，口= 2 l p 由于人工线在负载匹配下是全放电的，故v c 。o ，= o ，又设计时r 考虑极小， 可忽略不计，即口= 0 ，故得： 哪) = e - e c o s c o t + 器s i n c o t ( 2 - 7 ) 由于充电变压器与仿真线之间有充电硅堆相连，所以充电是单方向的。当一 个充电周期完成，即( 1 ，t = 7 r 时，c o s c o t = - 1 ，所以在不断充放电过程中有： v c = 2 e ，或v p f n = 2 v d c l c 谐振充电电路仿真电压、电流如图2 2 所示，仿真参数取e = 5 0 0 v ，充电 电感l p = 1 6 h ，仿真线电容c p f n = 0 2 2 肛，由图可见v p f n = 2 e = 1 0 0 0 v ，与计算结 果吻合。 1 0 0 0 8 0 0 o 加0 2 0 0 o 24 图2 - 2l c 谐振充电电压、电流仿真 o 0 6 0 0 5 0 0 4 u n 0 3 垂 ： 0 0 2 ) 0 0 1 o 0 0 这种充电方式可以利用充电变压器的次级绕组构成d e q i n g 电路来控制 c p f n 上的充电电压，从而间接地稳定调制器的脉冲输出电压，对电网电压波动的 调节能力较差。 这种l c 谐振充电方式技术比较成熟，电路简单，特别适合于大功率场合， 如上海光机所激光电源设备厂生产的h l 型三相l c 恒流电源，功率从 5 k w - 2 5 k w 不等【2 】；国防科学技术大学研制的大功率无级可调恒流网络，输出电 流1 1 8 a ，最大输出电压4 2 0 v ，最大输出功率5 4 k w 3 】；由清华大学研制的 “1 0 0 k v 2 0 0 k w 三相恒流重复频率自动充电装置【4 】，代表了国内工频电源充电 技术的最高水平。 2 、2 逆变恒流充电原理 由于传统的充电电源都工作在低频状态，并且由于变压器、电感等磁元件及 电容的体积、重量均反比于其工作频率，因此传统的l c 充电电源存在着体积庞 大、设备笨重、自动化程度低等弊端。随着脉冲功率技术的飞速发展，对高压恒 流充电技术提出了高功率、高效率、高度自动化、小型化等要求。利用开关电源 技术实现的逆变恒流充电电源能够满足这些要求，谐振开关电源工作频率为几十 k h z ，可大大减小电源体积，也是逆变恒流充电技术的发展方向。 逆变恒流充电谐振变换器利用谐振现象，开关器件中的电流减小到零，再实 现开关器件的关断，这种变换器电路克服了脉宽调制型功率开关管开关损耗随开 、uo西母=o西ui西i母o 主国型堂这苤太堂亟堂僮论塞太功奎直整定里型态电直匡电源的班剑 关频率成正比增加的缺点，能使开关损耗减小，工作频率提高，为高压大功率开 关电源的实现提供了可能。谐振变换器有串联谐振变换器( s e r i e sr e s o n a n t c o n v e r t e r ，s r c ) 、并联谐振变换器( p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r ，p r c ) 幂i 串并联混 合变换器( s e r i e sp a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s p r c ) e 5 1 。在谐振开关技术中最适合 脉冲电容充电的电路是串联谐振开关电路，输出近似为恒流源，具体分析详见下 一童。 图2 2串联谐振开关全桥变换充电电路 串联谐振开关全桥变换电路如图2 2 所示，对角线上的两个开关管和另外一 条对角线上的开关管交替导通，交替导通一次为一个开关周期，在半个开关周期 内，谐振电流通过开关管及续流二极管完成一次谐振，负载电容电压升高一个台 阶v 【6 】，通过计算可以得到线性阶段每一个开关周期( 两次谐振) c 的电量为 a v = ( v s c l c 2 ) ( 2 4 c 1 c 2 ) ；充电电流平均值为i 。g = 2 v s ( a z ) ，其中z 为特性阻抗， z = 三，c ，c 等台阶恒流充电电压、电流仿真图可见2 3 所示。 图2 3 等台阶充电示意图 d，l芒乏13u 竹 o 攫 妻、ma舟=o口co侣cu 2 、3 两种充电方式关键部件比较 以n s r l 调制器参数为例，l c 谐振充电方式与逆变恒流充电方式的关键部 件：5 0 h z 高压变压器、充电电感和3 0 k h z 开关变压器的体积、重量比较如表2 1 所示。 5 0 h z 高压升压变压器充电电感鬻3 0 k h z 开关变压器 罐砭 2 2 0 v - 2 0 k v ( 1 ：1 0 0 )l = 1 1 h 警 5 0 0 v - 4 0 k v ( 1 ：8 0 ) 磁材料硅钢片硅钢片鬻 铁氧体 ：鸯，； 。蕊 截面s s = 2 2 5 c m 2s = 2 2 1 c m 2 鬻 s = 1 6 c m 2 鞭 线径dd = 0 6 m md = 0 8 m m 鬻 d = 0 5 m m 重量g g = 3 1 5 9 k gg = 6 8 7 k g 蘩 g = 4 7 k g 匝数nn = 1 3 8 + 1 3 8 0 0 n = 1 4 0 8 豢 n = i1 + 8 8 0 体积v v = 4 0 5 0 0 c m 3v = 8 8 0 6 9 c m 3鬻v = 6 0 8 c m 3 ；麓 表2 1 工频电源与恒流充电电源比较 由上表可知，采用逆变恒流充电开关电源技术的高压直流电源其体积、重量 可减小数十倍，并且其具有控制精度高，稳定度高，纹波系数低，保护速度快等 优点。 参考文献 1 东冲，线型脉冲调制器理论基础与专用电