脉冲功率技术.docx
《脉冲功率技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《脉冲功率技术.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
脉冲功率技术
目录
目录1
摘要2
一、脉冲功率技术的发展历史及现状3
二、脉冲功率技术的储能技术5
2.1惯性储能5
2.1.1直流发电机6
2.1.2单极脉冲发电机（HPG）6
2.1.3同步发电机7
2.1.4主动补偿脉冲发电机9
2.2电容储能9
2.2.1电容器组放电10
2.2.2电容器组放电技术要点10
2.3电感储能10
2.3.1电感与电容器储能密度比较11
2.3.2电感储能的缺点11
三、串联谐振CCPS恒流充电12
3.1串联谐振CCPS概述12
3.2串联谐振CCPS工作原理12
3.3串联谐振CCPS恒流充电的MATLAB仿真15
总结17
参考文献18
摘要
所谓脉冲功率技术是指将很大的能量（通常为几百千焦耳至几十兆焦耳）储存在储能元件中通常为电容器、电感器等,然后通过快速开关（动作时间在毫微秒左右）将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上,以得到极高的功率（兆瓦左右）。
脉冲功率技术研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量,并将大能量和大功率有效地传输到负载上。
不断提高的能量、功率、上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命的要求,给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题。
本文介绍了，给储能元件电容充电的一种恒流充电电源，分析了CCPS充电的原理以及实现问题。
关键词：
脉冲功率，CCPS,恒流充电，储能技术
一、脉冲功率技术的发展历史及现状
脉冲功率技术（PPT,PulsedPowerTechnology）正式作为一个独立的部门发展,还是近几年的事。
事实上作为脉冲功率技术基础的脉冲放电,早就存在于大自然中。
而对脉冲放电的研究则开始于研究天然雷电特性,以及它对输电线路、建筑物危害及其防护措施。
当时这种放电仅限于毫秒级和微秒级。
四十年代末期,就有人开始注意到亚微秒及毫微秒级的高压强流脉冲放电形式。
但是,一方面由于当时客观要求并不迫切；另一方面,这样快的脉冲放电,无论在产生技术上,或者在测量技术上都存在着一定的困难。
因此,其后十多年,这种技术发展并不迅速。
六十年代初期,由于闪光辐射照相和瞬时辐射效应研究的需要,英国原子能武器研究中心的J.C.马丁所领导的研究小组，开拓了称之为脉冲功率加速器的研究领域,使毫微秒级脉冲功率技术往前推进了一步。
同时,一些科学技术在发展中受到障碍,急需找寻新的途径。
以微波和激光的发展为例,利用速调管、行波管等原理去产生大功率高效率毫米或亚毫米微波已经不可能。
利用一般方法产生大功率、高效率、波长可调的激光束也不可能。
正当人们探索和寻找新的解决途径的时候,他们发现脉冲功率技术是解决这些问题的良好途径。
为此,美国许多单位,为桑地亚实验室、物理国际公司、海军研究实验室、康乃尔大学、加利福尼亚大学和斯坦福大学等单位,对脉冲功率技术及其在各方面的应用,开始了研究和发展工作。
这种技术的应用包括：
电子及离子加速、核聚变、微波装置、激光（特别是大功率放电激光）、电磁脉冲、闪光辐射照相、瞬时辐射效应和各种各样的工业应用。
脉冲功率技术研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量,并将大能量和大功率有效地传输到负载上。
不断提高的能量、功率上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命的要求,给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题,诸如：
能量的储存,能量和功率的传输,脉冲的形成和压缩,开关技术,绝缘特性,磁绝缘传输线,二极管和有关诊断技术等。
由于军事、科学实验和工业上的需要,脉冲功率技术已经发展到相当高的水平。
脉冲功率技术经过半个多世纪的发展,已经从高新技术、国防科研领域逐渐向工业、民用领域延伸。
作为当代高新技术领域的重要组成部分,它的发展和应
用与其他学科的发展有着密切的关系。
分析当前脉冲功率技术的发展趋势,可以概括为以下几个方面:
（1）由单次脉冲向重复的高平均功率脉冲发展。
过去脉冲功率技术主要为国防科研服务,并且大多是单次运行,而工业、民用的脉冲功率技术要求一定的平均功率,必须重复频率工作。
（2）储能技术——研制高储能密度的电源。
在很多应用场合下,脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素,如飞机探测水下物体技术、舰载电磁炮等,都要求产生很大的脉冲功率,而且系统又不能过于庞大和笨重。
因此,高储能密度的脉冲功率发生器的研制是当前主要的研究课题之一。
（3）开关技术——探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关。
开关元件的参数直接影响整个脉冲功率系统的性能,是脉冲功率技术中一个重要的关键技术。
美国空军武器科学家认为,目前大功率开关技术包括以下几个方面:
短脉冲技术、同步技术、高重复频率技术、长寿命技术,而难点在于大功率、长寿命和高重复频率的开关技术。
因此,具有耐高电压强电流、击穿时延短且分散性小、电感和电阻小、电极烧毁少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各种类型开关元件的研制,是当前国内外脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。
（4）积极开辟新的应用领域。
如前所述,脉冲功率技术在核物理、加速器、激光、电磁发射等领域已得到日益广泛的应用。
近年来,脉冲功率技术在半导体集成电路、化工、环境工程、医疗等领域的应用研究,已引起各界的广泛重视,而且在某些应用研究中,已取得了可喜的进展。
凭借成功应用的经验,脉冲功率技术将更多地应用于民用技术方面,民用是一个巨大的市场,而市场的推动又必将给脉冲功率技术的发展带来新的生机。
作为当代高新技术研究的重要技术基础之一,脉冲功率技术的发展和应用与其他学科的发展有着密切的联系。
随着研究的不断深入,储能技术、功率开关技术、脉冲大电流的测量技术方面必将取得更大的发展,而且这些研究成果将越来越多地转化到生产应用领域。
总之,脉冲功率技术已经在科学研究、国防工业以及工业、民用等众多领域有着极为重要的应用。
脉冲功率技术是当前比较活跃的一门前沿科学技术,它是高新技术研究的重要技术基础之一,有着非常广泛的发展和应用前景。
二、脉冲功率技术的储能技术
脉冲功率中能量储存的要求：
●高能量密度
●高耐压强度
●高放电电流
●长存储时间（低能量泄漏）
●高充电与放电效率
●高功率倍增（放电输出功率/充电输入功率）
●高重复频率和长使用寿命
●低成本
根据系统的实际需要和环境的限制进行折衷。
脉冲功率技术的储能方法有：
电容储能；电感储能；机械储能；化学能储能等；
2.1惯性储能
惯性储能是依靠物体运动来储存能量的方法。
储存在旋转机械和飞轮中的动能是旋转机械能，不仅储能密度高，而且提取方便。
一般使用较小功率的拖动机构，以相对长的时间把一定质量的转子或飞轮慢慢地加速使其转动起来，使其储存足够的动能，然后利用其转动惯性脉冲地驱动合适地发电设备，把机械能转变成电磁能。
惯性储能优点是储能密度高，结构紧凑，体积小，成本低，可移动。
惯性储能应用于：
近代同步加速器，托卡马克聚变装置，等离子体θ箍缩，大型风洞装置，大截面金属对头焊接，加热钢坯，泵浦大功率激光，作重复发射的粒子束武器的电源和电磁发射器的电源，烧结金属粉末，电磁喷涂，模拟地震脉冲，脉冲金属成型等。
常用惯性储能设备有换向直流脉冲发电机，单极脉冲发电机，同步发电机，补偿脉冲发电机。
类型
能量密度
kJ/kg
功率密度
kW/kg
典型脉宽
s
典型电压
V
短路电流
kA
储能时间
s
体比能密度
MJ/m3
直流发电机
0.32
0.3
1
1800
1
100
20
单极发电机
8.5
70
0.1-0.5
100
2000
415
150
同步发电机
1.3
0.7
71
6900
6
3000
30
补偿交流发电机
3.8
250
10-4-10-3
6000
71
254
100
表1：
惯性储能机械的典型分类和性能
2.1.1直流发电机
直流发电机由激磁磁场，转子电枢和端部换向器组成，从电刷引出直流电压。
为了获得更高能量的脉冲，应当使用飞轮惯性储能。
发电机转子和更大质量的飞轮常用异步机拖动，使它们逐渐储存大量的动能。
当达到额定转速后，再向发电机提供激磁电流以建立激磁磁场，于是发电机便产生空载电压。
使电动机与电网脱离，同时接通外电路负载，负载便获得电流。
发电机开始减速，储存于转子和飞轮中的机械能被脉冲地转变成电磁能，完成一个脉冲的工作。
发电机在空载启动和加速飞轮过程中必须切断激磁绕组。
直流发电机可以单台独立运行，也可多台串并联运行。
2.1.2单极脉冲发电机（HPG）
通常所说的HPG储能，是指HPG转子惯性储存的动能，由于HPG使用的转子即是储能体又是感应电势所用的单匝线圈，所以HPG的输出电压较低，一般在几十伏到几百伏之间。
由于HPG的内阻较低（<10uΏ），弥补了电压低的缺点。
HPG特别适合作脉冲电源用，特别是所需的储能达几十至几百兆焦耳时。
HPG所用的激磁的场线圈异常简单，且转子无绕组，所以转子很快能被加速到高速度，并且能以毫秒时间把惯性储存的动能转变成电能。
恒流激磁时，HPG可以被看成一个大容量低压等效电容
。
这个等效电容很大，可以达几千法拉。
为了有效地传递能量，HPG与电感负载配合将不方便。
是存储在转子中的动能。
，
转子的材料密度，h是转子的厚度。
减小
，可能通过改变相关参量（ρ,h,B），但要考虑相应的制约因素。
第一，过分减小转子材料密度，难于保障转子的机械强度和电导率。
此外，如果使用非铁磁材料时，
减小将导致激磁的场线圈和电源的成本提高。
第二，不能使h太小，转子太薄将引起转子振动，并且电磁力可能损坏转子，而且由于储能成本几乎与转子厚度和直径之比成反比，所以减小h将使储能成本增大。
第三，磁感应强度Ｂ的增大受磁轭的磁饱和限制，过分加大Ｂ将使场线圈和它的电源成本增加。
减小等效电容的有效办法。
采用HPG本身给它的场线圈供电的自激式HPG，此时的场线圈即起激磁作用又起电感储能器作用。
将若干个HPG串联使用，尤其在相邻的转子共用一个激磁线圈时，效果更好。
它不仅能使等效电容变小，而且还能提高输出电压。
自激HPG的工作过程：
转子被电动机（或其它原动机）驱动而旋转，当转子达到额定转速后，使转子脱离驱动电机以惯性转动。
首先启动外部电路或利用电感储能线圈的剩磁提供少量磁通，转子切割此磁通，同时用驱动器接入电刷，与电感线圈串联的电路便获得电流，这个电流产生的磁场再激励HPG，使转子和电感线圈的电流迅速增大起来。
当电感线圈电流达到额定值后，使断路开关断开，以高压把能量传递给外负载。
2.1.3同步发电机
带整流负载运行
励磁方式
2.1.4主动补偿脉冲发电机
补偿绕组与电枢绕组串联
电感
主动补偿电机电压、电流、电感变化
图：
输出特性
2.2电容储能
电容储能是以电场方式进行储能的。
高压脉冲电容器,内感尽可能地小，能够多次重复短路放电。
双电层电容器储能密度达30kJ/kg。
在使用电容器作为储能元件时，可以将电容器串并联，或者蓄电池与电容器组合使用。
以电容器作为储能元件的应用有经典marx发生器，新型marx发生器（高效能，电感隔离型），L-C倍压器等。
2.2.1电容器组放电
电容器组脉冲放电装置非常简单，但用途却非常广泛。
受控热核聚变，等离子体箍缩，等离子体焦点，脉冲强磁场，电磁推进，电爆炸导体，电磁成形，电磁冲击模拟，液电爆炸，飞行器除冰等。
电容器放电时，脉冲电流的幅值Im均与电容储能W和电感值有关。
若增大Im，减小电感L，增大电压U0或增大电容C。
回路电流幅值Im与放电回路电阻R有关。
R减小，可以使U0/R增大。
电流上升率与电感大小有关，Ldi/dt=U0。
2.2.2电容器组放电技术要点
减小回路电感。
如果满足脉冲功率技术中电流上升陡度大的要求，应当减小回路电感。
在应用中选用低感电容器，在结构上采取合理措施。
电容器并联时，圆形对称排列，引线电缆长度相等。
同时要考虑电动力作用。
由于运行电流可达100MA，在导线间产生极向的电动力。
这种力随导线间距离的减小而增大，但距离减小时电感也减小。
在这个矛盾下，首先应当满足减少回路电感的要求，然后再考虑加固导线的机械强度防止物电动力的破坏。
传输线的设计也要注意以下几个原则：
●较小的电感和电阻，或较低的波阻抗；
●承受较大的电动力；
●连接点有很好的接触，以减少接触电阻；
●足够的绝缘强度。
在电容器的保护方面也应引起重视如果已充电的电容器中某台电容器内部绝缘被击穿，储存在其它的电容器的能量势必在极短的时间内释放给这台故障电容器，发生爆炸事故。
必须对电容器采取相应的保护措施，如电阻保护，熔丝保护。
电容器充电时，对小容量电容器组，通常采用整流电源恒压充电。
对于几MJ储能的电容器组，使用恒压方法充电将导致充电时间过长。
采用恒流充电，可以把充电时间缩短几倍。
当然还有恒功率充电技术。
对一般容量电容器组放电，通常采用三电极球隙开关。
为了减小触发的分散性和开关电感，提高击穿场强，一般将球隙形状置于充气的压力容器内，电极材料采用石墨或铜钨合金。
对于MJ的电容器组，采用多个开关并联，减小烧蚀和增加开关寿命，减小放电回路电感和电阻，有利于实施电容器保护。
但大量的开关给严格同步带来很多困难。
2.3电感储能
电感储能是以磁场方式进行储能的。
电感储能技术在现代科学技术领域中，如等离子体物理、受控核聚变、电磁推进、重复脉冲的大功率激光器、高功率雷达、强流带电粒子束的产生及强脉冲电磁辐射等领域，都有极为重要的应用。
2.3.1电感与电容器储能密度比较
从储能密度方面看，电容储能密度1/2εE2，显然要受介质的电场强度所限制，而且介质承受电压的时间越长越容易击穿。
因此，电容器储能器充、放电时间过长也限制了储能密度的提高。
电感储能密度B2/2µ，仅与磁感应强度有关，且最高电场仅出现在向负载转换的最后一段期间，比电容储能情况短得多，因此电场强度对电感储能的限制不大，其储能密度几乎只受与B有关的磁压力限制。
取合理性数值计算发现，电感储能密度比电容大两到三个量级。
电感储能密度在10-40MJ/m3或30-50kJ/kg。
在相同尺寸下：
w=0.25m,d=0.4m,l=1.5m
●电容器以水介质，电场强度E=1MV/cm，
●电感以空气介质，磁场强度：
B＝10T,
●电容器储能密度：
Uc＝0.22MJ/m3
●电感储能密度：
UL＝40MJ/m3
●电感储能成本：
$1.25/J;
●电容器储能成本：
$0.12/J
2.3.2电感储能的缺点
向负载转换能量需要大容量的断路开关，并且开关动作要快，工作可靠和寿命较长。
断路开关技术是决定电感储能技术能否发展的因素之一。
单级电感储能装置向负载馈电的能量转换效率低，对电感负载最大不超过25%。
虽然多极电感储能可提高效率，但使电路和设备复杂性，导致体积庞大和造价升高。
三、串联谐振CCPS恒流充电
3.1串联谐振CCPS概述
CCPS充电电源抗负载短路能力强，可靠性高。
全软开关串联谐振电路因其工作在全谐振软开关状态，具有负载短路时谐振频率基本不变和抗负载短路能力极强的优点，被广泛用于对电容器充电。
单相串联谐振CCPS，其平均充电电流恒定、峰值电流随输出电压的升高而增大、谐振周期与负载电压无关。
单相串联谐振CCPS虽然平均充电电流恒定，但却不适用于高充电精度场合。
CCPS充电电源在工作过程中，开关管工作在零电流开通和零电压零电流关断状态，使得对开关管的控制要求降低了许多。
3.2串联谐振CCPS工作原理
高频谐振变流技术为激光电源的发展开辟了新的途经,谐振开关原理的目的是要改善半导体开关器件的开关条件,实现开关管的零压零流开关,减少开关损耗。
谐振变换器有串联谐振变换器、并联谐振变换器和准谐振变换器等,采用这些谐振技术或其他软开关技术都是为了改善开关管的开通关断工作状态,更好的满足激光电源的技术要求。
为储能电容充电的DC-DC串联谐振式变换器（包括半桥式和全桥式）是一种应用比较广泛的电路,该电路在高压侧无平波电抗,恒流特性也较好,输出充电电流与负载基本无关,同时具有良好的短路特性,使该电路适用于高压大功率场合。
典型的全桥式串联谐振逆变器如图3.1示。
图3.1串联谐振脉冲激光充电电源
其基本作原理是:
来自电网的380V交流电压经整流滤波后得到520V左右的直流恒定电压E。
全桥逆变的四只桥臂分别由四只IGBT（
）及与之并联的四只二级管构成。
电容
和电感
与变压器串联构成谐振支路,
是储能电容。
直流母线电压经全桥逆变后通过高频变压器升到需要的高压,然后通过高频硅堆整流向负载储能电容充电。
电路的工作波形如图3.2所示,各个模态如图3.3所示。
电路工作特点是开关频率必须低于谐振频率的一半,使之工作于不连续导电模式。
电路具体工作流程分析如下首先假定输人的直流母线电压
基本保持不变。
由于储能电容远大于谐振电容,可以把每一个开关周期看成是恒压源电压不断上升的过程。
这样可以将图中电路的工作过程等效为4个工作模态。
图3.2工作波形
工作模态1中，直流电源对电感、电容充电，电容电压变化为：
；
工作模态2中，电容对直流电源逆向充电，电容电压变化为：
；
工作模态3中，直流电源对电容反向充电，电容电压变化为：
；
工作模态4中，电容对直流电源逆向充电，电容电压变化为：
。
由充电电路可以看出，流过被充电电容的电流大小正比于流过谐振电感电流的大小，流过谐振电感电流等于谐振电容电流；在一个一段时间t（令t等于两个谐振周期，即四个模态的时间）内被充电电容的充电电量保持恒定则可以证明充电电流是恒定的。
而在四个模态的时间段内，谐振电容充电电量绝对值：
由此我们可以看得到，谐振电容在t时间段内的电量绝对值一定，也就是说谐振电容在t时间段内绝对电流平均值一定，因此充电电容电流恒定。
图3.34个工作模态
3.3串联谐振CCPS恒流充电的MATLAB仿真
图3.4CCPS恒流充电的MATLAB仿真图
串联谐振CCPS恒流充电的MATLAB仿真电路如图3.4所示，其中经过三相整流得到的直流电源用电池表示。
由两个IGBT管串联组成一个桥臂，主电路由两个这样的桥臂构成。
桥臂的输出为串联的电感和电容，通过变压器升压后，再由高压整流二极管整流为电容提供直流充电电流。
设置仿真时间为0.14s,仿真算法为ode23tb（stiff/TR-BDF2）。
仿真结果如图3.5所示。
a被充电电容的电压变化
b谐振电容流过的电流及其电压
CCPS充电电源的开关器件在谐振状态下开关条件大为改善,实现了电流谐振软开通和零电流关断,使得开关管和续流二极管的开关损耗大为减少。
该类电源具有体积小、效率高、频率高,并且适应性广、调节范围大、电磁干扰小的特点,非常适合于激光电源而得到广泛的应用。
以各种微处理器DSP为核心的数字化控制技术,具有控制结构简单,控制方案灵活,精度高,可靠性高等特点,已经越来越广泛的应用于各种开关型脉冲激光充电电源中。
总结
本文介绍了脉冲功率技术的发展历史及发展现状。
作为当代高新技术研究的重要技术基础之一，脉冲功率技术的发展和应用与其他学科的发展有着密切的联系。
随着研究的不断深入，储能技术、功率开关技术、脉冲大电流的测量技术方面必将取得更大的发展，而且这些研究成果将越来越多地转化到生产应用领域。
另外，还着重介绍了脉冲功率技术中的储能技术以及储能技术中CCPS电容充电技术。
惯性储能储能密度高，体积小，可移动，但维护比较繁琐。
电容储能应用的关键技术是开关技术，限制了其应用。
电感储能能量不易保存，能量耗费大，超导技术技术复杂，实现比较困难。
CCPS串联充电技术被广泛应用于电容充电中，其抗短路能力强，可靠性高。
总之，脉冲功率技术已经在科学研究、国防工业以及工业、民用等众多领域有着极为重要的应用。
脉冲功率技术是当前比较活跃的一门前沿科学技术，它是高新技术研究的重要技术基础之一，有着非常广泛的发展和应用前景。
参考文献
[1]王莹.高功率脉冲电源[M].北京：
原子能出版社，1991
[2]钟和清，徐志新，邹云屏，周丕璋，郭良福.串联谐振CCPS电路结构研究[J].电气传动，2005，第35卷，第7期
[3]庄书琴，于克训，马志源.基于DSP的激光电源恒流数字控制研究[J].通信技术，2008，Vol25，No.4
[4]郑建毅，何闻.脉冲功率技术的研究现状和发展趋势综述[J].机电工程，2008，4，Vol25，No.4
[5]陈首类，范方吼，吴弘，李丁九.脉冲功率技术及其应用[J].CNKI,2004
[6]陈警，徐志新，钟和清.激光电源充电技术[J].通信电源技术，2002，第6期
升级会员 