大功率脉冲电源


1分类及结构原理
高功率脉冲最早始于30年代,随着用电容器放电产生X射线的出现,经过了几十年的发展,目前大功率脉冲电源应用范围非常广泛,例如用于闪光X射线照相、高功率激光、大功率微波、电磁脉冲、电磁发射(或推进)、粒子束武器和电磁成形等离子体物理与受控核聚变研究、核爆炸模拟等方面。‘
如图1所示。大功率脉冲电源包括初级能源、中间储能脉冲成形系统及转换系统等几个部分。
图1. 大功率脉冲电源组成框图

脉冲功率的形成过程是:首先经过慢储能,使初级能源具有足够的能量;其次,向中间储能和脉冲形成系统注入能量;再次,能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化,等复杂过程之后,最后快速释放给负载。
(1)初级能源为小功率的能量输入设备,如电容器的充电机、电感线圈的励磁电源、飞轮电机的拖动电机,其能源来在电网。
(2)中间储能设备有以电容器和Marx发生器为例的电场储能,以常温或超导电感线圈为例的磁场储能,以各类具有转动惯量的脉冲发电机为主的机械储能,以蓄电池、磁流体发电机、爆炸磁通压缩发生器为代表的化学储能,以及以核能磁流体发电机为例的核能初级能源,等等。
(3)能量转换与释放系统主要包括各种大容量闭合开关和断路开关及各种波形调节技术设备。
脉冲功率装置初级能源的储能方式主要包括:以电场形式储能的电容器、以磁场方式储能的电感器、机械能发电机、化学能装置以及核能等。如表1所示。
(1)电容储能简单、技术成熟,因此它的应用最为广泛,如惯性约束、强激光、粒子束武器、大功率微波等。世界上一些著名的脉冲功率装置都采用电容储能放电回路,如美国的PBFA.II等。
(2)电感储能最大的优点是储能密度大,所以倍受研究者的关注。电感储能技术在诸如受控等离子体物理、受控核聚变、电磁推进等现代科学技术领域中,都有着极为重要的应用。
(3)机械储能具有储能密度高、结构紧凑、易做成移动式,且提取十分方便等优点,因此也得到了广泛的应用。目前,其主要的应用领域有:近代同步加速器、托卡马克热核装置、等离子体。箍缩、大型风洞装置、大截面金属对头焊接等。

表1. 脉冲功率电源组成及关键技术

三种常用储能方式的各种性能比较,如表2所示。
由于电容器在工业上得到了广泛应用,在电磁轨道炮发展的起步阶段,人们通常把电容器组作为提供电源的首选。利用闭合开关可以对脉冲的形状进行相对灵活的控制。重点实验室组建的大功率脉冲电源是电容器储能方式。

表2. 常用储能方式研究水平

2 国内外研究概况
大功率脉冲电源是为脉冲功率装置的负载提供电磁能量的装置,构成脉冲功率装置的主体。大功率脉冲电源是随着高功率脉冲技术的发展而发展的。
高功率脉冲技术发源于英国的阿尔马斯登(Aldermaston)原子武器研究中心的J.C.马丁及其领导的脉冲功率小组。他们的开创性研究工作闻名于世界,该小组的许多成员,如:I.D.Simith,T.H.Martin,ED.A.Champeny,EW.Spence等为脉冲功率的发展都做出了很大的贡献。从20世纪60年代中期起,美国的圣地亚实验室一直领导了脉冲功率发展的世界新潮流。在国防部(DOD)和能源部(DOE)的支持下,许多与国防有关的研究所,一些著名的大学,还有几个公司都积极投入了这方面的研究工作。美国武器军事实验中心(ARL.WMRD)已经建造了4.5MJ的脉冲电源系统,早期场发射公司生产了一系列小型300kV-2MV,3-5kA,20ns闪光X射线机,离子物理公司将静电加速器对传输线直流充电,生产了FX.25至IJFX.100型脉冲功率装置,以后才建造了大批规模一个比一个大的油介质和水介质传输线装置,其研究处于世界领先。
美国的主要研究机构有:圣地亚实验室(Sandia),利弗莫尔实验室(Livemore),洛斯阿拉莫斯实验室(Los Alamos),海军研究实验室(NRL),海军水面武器中心(Nswc),空军武器实验室(NFWL),陆军实验室(HDL),康乃尔大学(Conell),马里兰大学(Malyland),德克萨斯大学(Texas),物理国际公司(PI),麦克斯韦公(Maxwell)等等。在美国,研究与制造分工明确,使用单位与研究单位关系也比较协调,技术也比较先进。
俄罗斯(前苏联)的重要研究机构有:库尔恰托夫原子能研究所,列别捷夫物理研究所,叶菲利莫夫电物理装置研究所,实验物理研究所(Arzamas-16),新西伯利亚的大电流研究所,电物理研究所和核物理研究所f121。俄罗斯在重复频率运行的脉冲功率装置和脉冲径向线加速器研究方面独具特色。所生产的基于Tesla变压器技术的“Sinus”和“Radan”系列脉冲功率装置,结构紧凑,易于重复频率工作,他们在高功率微波(HPM)研究方面,在世界上处于领先地位。
欧洲的研究所使用单模块贮能的电容器建立了高效灵活的LRC脉冲成形单元,可以贮能50 kJ,峰值电流50KA。德国从1998年开始研究能量密度为214MJ/m3的高能放电电容器,并在2002年研制了紧凑式高功率放电装置。韩国在2000年建立了300kJ的脉冲电源模块,充电电压22kV,电流150kA,整个系统的总贮能214MJ。
我国的主要研究机构:中国工程物理研究院,中国原子能科学研究院,西北核技术研究所和长沙国防科技大学以及中国科学院的电子、电工所,清华大学电机工程系等。我们国家主要依靠自己的力量,建造了一些与国际上同类装置具有同等水平的机器,进行了许多有特色的物理实验,取得了一系列重大成果。从80年代以来,我国相继进行了集体离子加速、准分子激光、自由电子激光、高功率微波、电磁轨道炮、抗核加固、闪光X射线照相等高新技术研究,先后建造20余台强脉冲电子束加速器,为开展强流束物理及应用研究创造了良好条件。现在已经有几十台高功率脉冲装置在运行,如中国工程物理研究院的8MVl00kA,脉宽80ns的“闪光一号”相对论电子加速器以及12vM束流2kA的直线感应电子加速器,西北核技术研究所的1.47MV0.72MA,脉宽70~80ns的“闪光二
号"相对论电子加速器等1161。弹道国防科技重点实验室自开展电热化学(Electrothermal Chemical,ETC)发射系统研究以来,经过多次改扩建,形成了目前用于中小口径电热化学发射研究的2MJ脉冲电源系统。这些都标志着我国在脉冲功率技术领域取得的进展。
为了适应脉冲功率技术的发展,1976年在美国举行了第一届电气与电子工程师协会(IEEE)脉冲功率技术国际会议,交流了研究工作的进展和成果。在1979年举行了第二届国际会议,之后,这类国际会议每两年举行一次,直至现在。同时,随着研究成果和参考文献的同益增多和丰富,美国在1981年就成立了脉冲功率技术文献中心,向有关研究人员和部门提供技术资料。由于脉冲功率技术在军事应用领域得到更为广泛的使用,北大西洋公约组织的研究和发展机构,1983年及以后,多次举办了关于脉冲功率技术的高级研究讲座,并出版了研究论文专集。
脉冲功率技术的研究和应用的迅速发展也给高等教育提出了要求。在美国、日本,德国等国家的一些研究部门和高等学校均已开设了脉冲功率技术专业系列课程、实验和设计。还不定期地举办国际性的有关脉冲功率技术的讲习班,编写了讲义和参考资料。
现在,高功率脉冲技术不只为国防科研服务,脉冲功率技术在国民经济中有着广阔的应用前景,如工业辐照加工,材料表面处理,工业烟气治理,食物消毒,保鲜等等。
大功率脉冲电源的今后发展方向,由以下几个重要方面构成:
(1)由单次脉冲向重复的高平均功率脉冲发展;
(2)储能技术——研制高储能密度的电源;
(3)开关技术——探讨新的大功率开关概念和研制高重复频率丌关;
(4)绝缘技术——满足设备和开关小型化的要求:
(5)开辟新的应用领域。
3 设计实例
3.1 应用场合及技术指标
大功率脉冲电源是将储存的高密度能量进行快速压缩、转换或直接释放给负载,主要应用在受控热核聚变研究和表面材料处理等领域。在表面材料磁控溅射研究中,大功率脉冲电源因其高脉冲峰值功率和低脉冲占空比在磁控溅射中产生高金属离化率、高能量离化粒子,从而使得沉积致密、薄膜能高。 目前国内研制的高功率脉冲磁控溅射电源尚处于起步阶段,高峰值功率脉冲和重复频率工作性能是其设计难点。基于晶闸管触发真空开关 的功率技术分别受关断性能 、触发寿命等限制。现研制一台瞬时功率 1MW 的大功率脉冲电源样机,设计采用 IGBT逆变技术 、IGBT均流斩波技术和数字化控制技术,实现了应用于磁控溅射领域的大功率脉冲电源 。具有高峰值功率 、重复工作频率、小型化等特点。
3.2 电源方案
为满足磁控溅射领域的应用要求,电源需具备连续可调稳压功能和过流过热打火保护功能。电压上升时间应小于 2μs。图2示出电源结构图。

图2. 电源结构图

设计电源为恒压控制方式,输出峰值电压、电流为2KV/500A,脉宽10-60 s,频率10Hz~1kHz。
3.2.1 主回路设计
图 3为主回路结构。初级能源部分是提供能量输入的“慢储能”过程 ,具体过程是:三相交流电经 EMI滤波 、三相不可控整流后,进入工频滤波环节 。其中滤波电容可通过放电回路实现安全放电。由两个半桥 IGBT模块搭建全桥逆变电路,通过变压器变频整流 电路将 能量快速传送到储能电容中 ,针对储能充放电流的特殊要求,采用PWM芯片SG3525和89F51作为控制系统的核心。


图3. 主回路电路图

中间能源部分为初级能源提供恒定的负载,为重复频率的功率脉冲提供能量。该设计选用高频低阻电解电容与高频高压大电流电容构成中间能源部分。既提高了电源系统的短时高功率输出能力,又具备持久的动力性能,可充分发挥高功率密度和高能量密度优势 。斩波电路中,通过选用相同型号的器件,利用IGBT均 流特性及 驱动信号间100ns范围内的延时,选择合适的栅极电阻和布局来实现静、动态均流 。当电源主回路闭合运行后,中间能源经过短暂的预充电过程,控制器输出脉冲控制信号,经逻辑判断后驱动 IGBT均流斩波 。针对负载装置 的短路状态特性,将控制器输出的给定信 号和脉冲信号与电流采样进行逻辑判断后驱动开关器件,该控制方式具有简单易行、保护动作快速响应、不易被干扰等优点 。在 IGBT导通,可用二阶动态电路分析能量的传递过程 。将负载侧阻抗并入回路阻抗中 ,则中间储能、脉冲输出、负载可用图4表示。当开关器件导通时,写出电路方程为 :Ri+Ldi/dt+(1/C)∫idt=U0,将其微分可得Ld?2i/dt2+Rdi/dt+i/c=0。初始条件为 :I|t=0=0,UC|t=0=U0,设阻尼参数α=R /2,设计电路使得电源工作在过阻尼状态(即α>1),则回路电流为:


图4. 脉冲输出简化图

则电流峰值为:

到达电流峰值的时间为:

可知,电容在整个斩波过程中一直在释放储存的电场能量,放电过程中i(t)要从小到大再缓慢趋于零的变化 。IGBT斩波的最大脉宽出现在tm前,此间,电场能量一部分被负载消耗,另一部分转变为电感的磁场能量;IGBT关断时,电容继续存储能量,续流二极管将回路剩余的磁场能量释放。
3.2.2 控制系统设计
图 5示出系统控制框图。通过键盘将工作参数送到单片机,全桥逆变电路和并联均流电路的电压和电流信号经过光电隔离。采样到单片机后,输出全桥给定信号、斩波给定信号和斩波控制信号。针对大功率脉冲电源中储能电容充放电、重复工作频率的特点 。单片机程序判断从而控制实现良好的工作特性。全桥给定信号与峰值电压信号通过 SG3525APWM.输出逆变全桥电路的控制脉冲信号,经过隔离、驱动电路,实现对开关器件IGBT的控制。该控制方式具有动态响应快。调压范围广,充电电流易于控制使得中间储能环节的充放 电电流快速、稳定等优点。后级斩波电路由单片机控制给定信号 。并与峰值电路信号进行逻辑判断 。若电源输出电流在正常范围内,则输出脉冲控制信号。该控制方式具有简单易行,保护响应快速等优点。单片机采集工频状态信号 ,并根据输入设置和运行等参数控制主回路。

图 5. 控制系统原理图

3.2.3 保护电路设计
保护电路主要分为功率器件保护和主回路保护,前者防止功率器件过压和过流击穿。设计中通过电流传感器检测变压器初级和斩波输出处的电流,控制器判断电流大于保护设定值,则对全桥电路逐波关脉冲、并联斩波电路直接关脉冲,在极端情况下,直接做出跳闸动作,并采用RCD吸收电路防止过电压。后者主要从主回路短路、主回路隔离、安全接地三方面考虑。在磁控溅射辉光清洗过程 中,电源会不断打火短路,负载侧短路瞬间,均流斩波电路快速响应。瞬间输出大电流,传感器采样后与给定脉冲进行逻辑比较,可在1s内迅速关断脉冲,该控制方式简单且快速。另针对电源的特性,对多台电容串并联构成储能单元的支路安装特殊设计的快速熔断器,防止单台电容短路对系统产生的强大冲击电磁力。
4 技术发展方向
随着电磁发射技术的迅猛发展,全世界的军事、航天、受控核聚变、材料状态研究均积极研究电磁发射器。这就使大功率脉冲电源向多样化、高比能、小体积和自动化控制发展。
目前,脉冲功率源控制系统有以下几方面:
(1)完全手动控制:充电装置和放电装置都需要操作人员现场操作。这种方法的缺点就是实时性、精确性比较差。
(2)单片机控制:这种方法虽然不需要操作人员现场操作,但还不能同时兼顾充电和放电系统,还需要手动控制。使用单片机作为控制器也在不断的发展中,基于16位单片机电源控制器及其外围电路,采用手动、自动工作方式以及电压、电流的调节方式,使得大功率脉冲电源能够工作于恒压、恒流两种方式,模糊控制算法的引入使得电源控制系统的稳态特性和动念品质有了较明显的提高。
(3)可编程计算机控制:现在国内已经出现了针对脉冲功率技术中对Marx充电的能源设备及触发装置的自动化控制设备,采用新型PCC(可编程计算机控制器)作为电源控制器核心f20l。PCC是具有集计算机、通讯和自动控制技术为一体的新型工控装置,其硬件的模块化结构、丰富的I/O模块配置以及其软件丰富的函数库和以支持ANSIC高级语言的软件平台等均有明显优势。这也是高功率脉 冲电源控制的发展方向之一。
(4)综合监控系统:基于虚拟仪器技术的高功率脉冲能源装置监控系统,采用可编程高功率交流电源产生连续可调工频电压,经过高压变压器及硅堆等装置变换为直流高压,对Marx进行双极性的线性充电。主控计算机通过RS.485串口方式对可编程交流电源及数字延时触发设备进行实时状念监测及远程控制,采用VB6.0软件作为开发平台,并利用NI控件等完成了能源设备的虚拟数字化调压测控和数字延时触发等功能设计。
(5)嵌入式控制:以嵌入式控制技术为核心,通过现场总线技术为脉冲电源系统提供集成化和智能化控制的平台,对系统中的测控器件进行集中控制和管理,同时可以解决系统扩展性问题。
随着计算机技术的发展,当今世界上基于PC的自动化方案己成为主流,PC在自动化领域的应用正迅速增长,通过将所有的功能集成子这个统一开放的平台上,通过人机界面可以使复杂的控制和数据处理变得更加简单化。


 


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