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。     

超导电感储能高功率脉冲技术及其仿真研究

提出了利用超导磁储能系统(SMES)来提高电力系统稳定性、提供紧急备用电源和实现新概念武器脉冲电源的“一机三职”功能的基础上,研究了一种基于超导电感储能系统和超导开关的脉冲功率成形技术,探讨了超导脉冲功率技术需要解决的重要基础问题;并根据超导电感储能系统及超导开关特性,提出了超导磁体和超导开关的理想结构,设计了一种脉冲成形网络模型;通过控制外加电流触发超导开关失超来控制超导开关断路,实现高密度无损耗储能、可控脉冲整形,并在电阻负载下,进行了脉冲成形回路放电仿真实验,得到了较理想的脉冲功率输出。     

Marx发生器驱动的电感储能型脉冲功率源

为研制电感储能型高功率脉冲源,实验研究了采用Marx发生器驱动电感储能-电爆炸丝断路开关的技术途径。研究表明,以等效电容1μF的Marx发生器作为能源,采用1.5μH的储能电感和上百根直径0.05mm、长560mm金属丝并联形成的断路开关,在Marx发生器等效输出电压>180kV时,可在约10Ω负载上输出峰值功率>40GW,能量传递效率>50%,脉宽近200ns,前沿约50ns的脉冲,从而证明该技术途径可较大幅度提高脉冲功率源的输出功率和能量传递效率。     

基于可饱和脉冲变压器的多路同步技术及其应用

多路同步的高电压脉冲有广泛应用前景。为此,对基于可饱和脉冲变压器的多路同步技术路线进行了详细阐述,并开展了实验验证。在此基础之上,提出了多次级可饱和脉冲变压器多路同步控制的新型LC发生器。在该发生器中,可饱和脉冲变压器先后承4重功能,极大地减小了系统的复杂程度。实验中,初级输入电压为910V时,输出电压幅值达到110 k V,系统总的升压倍数达121倍。此外,引入半导体断路开关,可使实验中输出脉冲的上升沿在20 ns以内。同时将半导体断路开关与电感储能型脉冲形成线相结合,提出了低阻抗方波脉冲的产生方案。研究结果表明:提出的技术方案确实可行,对脉冲功率技术向固态化、小型紧凑化以及可重复频率运行方向发展具有较大的探索意义。     

大功率IGBT模块并联动态均流研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）的并联组合作为电感储能型脉冲功率系统中的主断路开关,就会在关断大电流时出现各并联模块的动态不均流现象。工程应用中,各IGBT模块门极驱动信号的不同步是导致该不均流的主要原因。文章分别就栅极电阻补偿法和脉冲变压器法对驱动信号的同步性补偿作用进行了理论研究和两个IGBT模块并联均流的实验验证,结果表明两种方法均可以达到很好的动态均流效果。然后在对比分析两种方法的基础上提出了利用脉冲变压器级联可以实现多个IGBT模块并联驱动信号的补偿,通过计算机辅助设计软件PSPICE仿真验证了该方法在三个IGBT模块并联使用时的有效性。     

高功率Z-Pinch脉冲源技术的发展

概述了脉冲功率系统中的电容储能、电感储能和磁感应储能技术。基于直线型脉冲变压器（LTD）、电感储能（LES）、等离子体断路开关（POS）以及真空磁绝缘传输线（MITL）技术的低电感、模块化脉冲源将来可能作为基本的子模块应用于超大型高功率Z－Pinch装置。     

激光触发变磁超导断路开关和功率脉冲电源

为了实现超导环境下电感储能的快速释放,设计了一种基于Meissner效应的激光触发变磁超导断路开关,基于该断路开关的电感式功率脉冲电源采用外置工频供电常温充电器,采用LCC逆变电路,省去中间的高频变压器,逆变输出直接整流对中间储能电容充电、再由电容向超导电感放电储能的拓扑结构。首先进行变磁超导断路开关的结构设计,说明其基于Meissner效应的工作原理及进行影响断路性能的因素分析。之后利用有限元分析的方法,对超导薄膜失超前后开关内磁场分布进行仿真分析,并动态地模拟了耦合电感次级所获得的脉冲电流输出。在给出整个电感式功率脉冲电源系统的电路结构并简单分析了LCC逆变充电器的工作原理和参数选择方法后,对用固态开关模拟超导开关断开脉冲变压器初级最大电流而得到次级高压脉冲输出的工作进行了仿真和实验分析。结果表明,按所选取的参数,电源可实现前沿1.0μs、幅值30kV、脉宽(90%幅值)1.5μs的高压脉冲输出,重复工作频率可>2.5kHz;也可实现前沿8ns、幅值4.8kA的电流脉冲电流输出,充电器不仅实现了对中间储能电容的快速充电,而且稳态工作时的损耗不超过输入供电的5%。     

电感储能系统用电爆丝断路开关的研究

本文对电感储能系统和电源爆丝断路开关进行了理论分析和实验研究,得到了一些重要的关系和结论,为脉冲功率技术用高功率脉冲电源提供了一种有效的技术。     

基于光导开关的固态脉冲功率源及其应用

为了推动脉冲功率技术的应用,研制了紧凑、可高重复频率运行的固态脉冲功率源。通过大功率固体开关及电路拓扑结构的比较,选择了基于光导开关的层叠Blumlein线型脉冲功率源这一技术路线。基于铁电陶瓷脉冲形成线和光导开关构建了大电流固态模块,光导开关通流能力超过4 k A。已经实现的应用包括:研制了200 k V/1 k A固态脉冲功率源并与反射二极管结合实现了重复频率为100 Hz或1 k Hz、脉冲宽度约40 ns的猝发X射线脉冲输出;利用基于光导开关的Blumlein线模块产生的快脉冲进行了血液病原体灭活初步研究,可得当脉冲个数为10个时,在80 k V/cm的电场作用下红细胞悬液中细菌的抑制率为57%。     

一种基于电感储能技术的紧凑型高功率脉冲源

基于电感储能技术 ,采用金属丝电爆炸断路开关 ,研制成功了紧凑型脉冲功率源 (其能量传输效率近 4 0 % ,体积约 0 3m3 )。它能在电阻负载上得到电流 >6 0kA、电压 >4 0 0kV、功率 >2 0GW的电脉冲 ,通过调节金属丝爆炸断路开关的长度、根数、直径、储能电感的大小、电容器的充电电压以及削尖开关中气体的压力等参数 ,在一定范围内容易实现同负载的阻抗匹配。     

单电感E2类软开关DC/DC变换器

介绍了一种只用一个电感的单端E^2类软开关DC／DC变换器。IGBT（MOSFET或BJT）的零电压开关和整流二极管的零电流开关能够降低逆变器和整流器中的损耗。提出了一种分析和设计方案，确定了最佳工作状态下的性能参数。如电流和电压波形，最大集电极电流和最大集-射极电压以及功率输出能力，并对IGBT和整流二极管的功耗进行了估算。实验证明，在频率f=-100kHz，输出功率Po=2kW的情况下变换器的整体效率可达到91％。     

新型两电平单相功率因数校正器的研究

在传统单相功率因数校正器（PFC）中,当IGBT导通时,升压电感输出端对地之间电压接近零,单相电源交流通过电感短路,电感电流上升而储能。当IGBT关断时,电感续流,向电解电容释放能量。通过控制IGBT的占空比规律,获得网侧单位功率因数和稳定直流输出电压。因此提出一种当IGBT导通时,升压电感输出端对地之间电压为负电压的两电平PFC方案,进而提出一种两级交错PFC、一种单相有源电力滤波器和一种升降压AC-DC变换器方案。由于采用负电压短路,可以减少交越失真,获得更好的功率因数校正效果。在简要理论分析的基础上,利用MATLAB/IMULINK进行了仿真分析,所得结果验证了所提方案的正确性。     

多级磁压缩脉冲电源

阐述用于EUV光刻技术的脉冲功率电源的设计。该脉冲电源由充电电容组,半导体开关(IGBT),脉冲变压器和四级磁压缩回路组成。解释磁开关的工作原理,提供各关键元件的设计参数。根据磁性材料的物理特性参数,利用Pspice仿真软件建立磁芯模型,构建磁开关和仿真电路,对各级电压和电流波形进行分析,进而设计调整各级磁开关的参数。实验结果表明,该脉冲电源输出峰值为30 kV,上升沿为<85 ns,脉冲宽度<100 ns的脉冲信号。     

多级超导脉冲变压器的协调放电模式分析

为了探索多级超导电感储能的脉冲功率技术,设计两种基于多级超导脉冲变压器的XRAM结构的脉冲电源模式,并对其协调放电特性进行分析和仿真研究。首先介绍单级的基于超导脉冲变压器和电容器混合储能的脉冲电源电路及其工作原理。然后结合XRAM电路的结构特点,设计两种XRAM结构的脉冲电源模式,分析这两种脉冲电源模式各自的特点,仿真研究其不同的协调放电方式。最后选择负载电流脉冲的幅值、半高宽、矩形面积比和能量传递效率等四个性能为指标,分析两种脉冲电源模式的输出特性。结果表明:多级超导脉冲变压器可以采用XRAM电路结构,在多级同步放电的模式下负载电流脉冲在幅值、半高宽和能量传递效率等性能方面要优于非同步放电模式。     

高精度加速器超导磁铁电源的研究

针对超导磁铁对电源的要求,提出了基于Buck Chopper电路的多相多重化的电源拓扑结构,采用IGBT为卸能开关来实现失超快速保护,分析了其工作原理。按该方案研制了一套高精度加速器超导磁铁电源,进行了严格的测试,结果表明,该方案满足了同步加速器超导磁铁对电源的高要求。     

基于超导储能型脉冲变压器的脉冲电源放电研究

为了实现超导电感磁储能脉冲电流输出,本文针对一种基于超导储能型脉冲变压器的脉冲功率输出模式展开研究.该模式使用非线性电阻作放电电阻.根据非线性电阻的特性,本文结合仿真研究了非线性电阻转变电压对系统能量转换效率的影响,并通过与线性电阻比较了使用非线性电阻的优势.仿真结果表明这种脉冲功率电源模式是可行的,通过选择合适的非线性电阻的转变电压,可以在当前技术条件下获得较高的脉冲电流输出和较高的能量转换效率.     

双管正激型开关电源研制

介绍一种具有辅助谐振网络的双管正激变换器电路，主功率器件采用IGBT元件，由功率二极管、电感、电容组成的辅助谐振网络能改善IGBT的开关条件。详细分析了电路工作原理，给出了主要参数设计方法。设计了一台输出电压为48V、输出功率为1．5kW、工作频率为80kHz、谐振频率为350kHz的开关电源实验样机，在额定工作状态下效率达90．6％。该电路结构简单、成本低、工作频率高、效率高，与普通双管正激变换器相比有较高实用价值。     

采用高温超导线圈的电子高电压发生器

研究了应用高温超导（ＨＴＳ）线圈，通过Ｌ－Ｃ串联谐振电路从低压直流电源产生高电压的新方法。为了产生高电压，低压直流电源的极性需在电子开关的控制下每半个谐振周期切换一次。谐振电路中电阻的存在限制了它所能产生的高电压幅值。通过用ＨＴＳ线圈制成的电感取代铜线圈电感，该电路所能产生的高电压的幅度会明显增大，在本文中，（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋ｘ套银多股ＨＴＳ线材被用来制造超导电感。虽然用此谐振方式产生的高电压不能给低阻抗负荷供电，但它可能用于电气设备局部放电测试或其他电气绝缘性能的检测等方面作为另一个应用该方法还可用于超导体自身电性能的测量。     

一种基于积分重构的开关变换器滑模控制方法

分析了常见的滑模控制方案的特点及其在实际应用于DC/DC开关变换器中存在的问题, 提出了将基于积分重构与滑模控制相结合的控制方案用于连续导电模式下的Buck开关变换器的输出电压稳定控制, 构建了相应的滑模面和控制规律。该方法只需要反馈输出电压和开关位置作为控制输入量, 省略测量电感电流, 具有降低成本和方便电路实现的优点。同时给出了采用基于积分重构的滑模控制方案建立的滑模切换面上的滑模存在区域和在相平面上该切换面的吸引区域, 并通过基于平衡点附近的小信号线性化进行稳定性分析, 得到系统局部渐近稳定的充分条件。仿真结果给出了启动和负载变化时的输出电压和电感电流的波形, 表明此方法具有良好的启动性能和动态特性以及对负载大幅度突然变化具有稳定鲁棒性等特点。     

基于虚拟仪器的超导储能脉冲信号测试系统

介绍了基于虚拟仪器的脉冲信号测试系统的硬件平台和软件设计,并通过超导磁体对负载脉冲输出验证了系统功能。实验结果表明,该系统在上位机能够动态地显示所采集信号的数据和波形,并可以将采集到的数据保存下来,满足了设计和使用要求。