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 脈沖功率科學與技術重點實驗室，四川 綿陽 621900)

0 引言

Marx發生器是一種利用電容器并聯充電再串聯放電的高壓裝置，是產生高壓脈沖的最重要的途徑之一。在閃光X射線照相、電磁發射、高能加速器等研究領域得到廣泛的運用。根據不同的應用需求，Marx發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代控制技術，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技術的發展，脈沖功率源的緊湊型、小型化設計建造技術也日趨完善[7-8]，并開始

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

1 電路原理

1.1 電源設計參數

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。

根據上述要求，電源設計參數：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 電源結構組成

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作為預儲能元件，為升壓電路提供瞬間高功率輸出。Q1～Q4構成高頻逆變全橋電路，將低壓直流電壓轉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中虛線框內為一組升壓電路U1，共10組。U1到U10并聯使用，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儲能，從而實現瞬時高功率輸出。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，易于實現超小型化。

(2)大電流放點性能優越，功率密度是鋰離子電池的數十倍以上，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℃。

預儲能電容器采用多只超級電容器串并聯組成，設計容量為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、電感等無源器件構成)為預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≥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為高頻脈沖方波電壓信號。然后經過高頻變壓器升壓。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，高壓側雜散電容參數十分明顯，運行中極易發生諧振導致過電壓故障。因此實際設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，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需要與工作頻率、諧振參數、負載特性等進行匹配以取得較好的使用效果，依據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較小，通過仿真分析發現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，模塊輸出端并聯后經過隔離電感Lch為等效負載電容Cch充電?？刂齐娐分饕孀兛刂齐娐贰⒈Ｗo電路和充電控制電路。

1.7 控制電路設計

控制電路包括逆變控制電路、保護控制電路、觸發控制電路。逆變控制電路產生開關元件的驅動信號，同時接收保護電路反饋的保護信號實現電源保護。本文采用UCC3895控制器實現MOSFET開關器件的移相控制功能，開關工作頻率為23 kHz，采用可調占空比方式運行，以適配不同變換模塊器的雜散參數差異。為了使輸出電壓達到一定的穩定度，輸出電壓采用閉環控制調節，將分壓器上采集的電壓信號與給定信號進行滯環比較以實現充電電壓控制。在充電的過程中，如果電容電壓高于下限電壓，則可以持續充電，否則充電停止。上述電壓可以通過電位器進行調節。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。系統運行控制框圖如圖2所示。

圖2 電源系統運行控制框圖

2 電源結構設計

電源采用模塊化設計，依據功能分層設置，內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蓋板上設置有電源插頭、控制插頭、調節旋鈕等部件，倍壓整流元件層一側蓋板上設置有輸出轉接法蘭。

在本設計結構下，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。變壓器元件層和倍壓整流元件層由于運行電壓較高，整個裝置為密封結構設計，工作時填充一定壓力的六氟化硫氣體提高電源內部絕緣強度。此外電源金屬外殼同時作為設備地線引出。

圖3 電源系統結構設計示意圖

圖4 電源輸出電壓波形

3 實驗測試

為驗證本方案設計研制的充電電源系統性能，開展了相關試驗與測試工作。測試中使用一臺小型Marx發生器作為負載，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充電，設置目標充電電壓為-90 kV，充電頻率為5 Hz，充電脈沖個數為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。試驗結果表明該充電電源參數滿足設計的性能指標。

4 結論

移動式重頻高壓發生裝置是脈沖功率技術中一種前沿的應用方向，具有良好的發展潛力。這種應用需要重頻充電電源，在提供滿足所需功率的同時實現更為緊湊的結構，相關系統設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，通過超級電容預儲能，高頻逆變、升壓，倍壓整流技術，實現輸出電壓-90 kV，平均功率6.5 kJ/s。將其應用于電容量0.32 μF、工作電壓-90 kV的小型Marx發生器，實現5 Hz重頻工作。經測試電源系統滿足設計參數需求。

[1] JARITZ M, BIELA J. Optimal design of a modular 11 kW series parallel resonant converter for a solid state 1 150 kV long pulse modulator[C]. Proceedings of 19th IEEE Pulsed Power Conference， 2013.

[2] Li Jianbing, Niu Zhongxia, Shi Yujie. Analysis of series-parallel resonant converter with multipliers[C]. Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems， 2005.

[3] 李振超，宋耀東，陳啟明．高壓電容器充電電源研制[J]．電源技術，2010(S)：66-68.

[4] 張東輝，嚴萍.20 kJ/s電容充電電源的分析與設計[J]．高電壓技術，2008，34(3)：529-532.

[5] 劉福才，金書輝，趙曉娟．LC串聯諧振和LCC串并聯諧振在高壓脈沖電容充電電源中的應用比較[J]．高電壓技術，2012，38(12)：3347-3356.

[6] 李佑淮，肖登明，王延安，等.高頻變壓器分布參數對電源性能的影響[J]．電力電子技術，2008，42(9)：37-39.

[7] 鄧瑩，王林鳳，蔣猛.大功率超級電容智能充電機的設計[J].電子技術應用，2016,42(12)：126-129.

[8] 梁川，章林文，曹科峰．快前沿Mini-Marx發生器研制[J]．強激光與粒子束，2008，48(2)：331-334.

[9] 梁川，席璐璘，周林，等．便攜式150kV閃光X光源研制及應用[J]．強激光與粒子束，2014，26(4)：220-223.

[10] 劉金亮，樊旭亮，白國強，等．緊湊型Marx發生器高功率微波源研究進展[J].強激光與粒子束，2012，24(4)：757-764.