重复频率脉冲功率电流源的研究

摘要

脉冲电流源主要应用在微波、受控核聚变、大功率能量发生器、生物医疗、新材料制备、环保等领域，与国防科技以及民生息息相关。因此，近年来脉冲电源已成为电源领域的研究热点。本文对重复频率的脉冲电流源进行深入的研究，针对脉冲电流的宽度和上升沿设计了一种方案，来解决脉冲电流宽度不够窄和电流上升沿不够快的问题。
　　对脉冲功率电流源系统展开研究，该系统由一个 DC-DC初级功率变换器、一个储能电容阵和一个脉冲功率放电拓扑三部分构成。初级变换器拓扑采用buck级联推挽电路，脉冲功率放电拓扑采用主开关管在低端的buck拓扑，并另外加入两个开关管和二极管组成脉冲控制开关和能量回馈二极管，来产生脉冲电流。
　　详细分析所设计的buck级联推挽变换器和脉冲功率放电拓扑的工作原理，针对系统能量损耗问题，研究buck变换器的同步整流的方案；重复频率脉冲电流源具有相应能量回馈电路，在保证良好动态响应的同时效率也有所提升。
　　对buck级联推挽变换器电路进行参数设计，包括推挽变压器、功率电感等主要器件的选取，并建立电路的小信号模型。设计平均电流控制方案对电路进行闭环控制，最后采用无源补偿网络进行反馈补偿，结果表明所设计的平均电流控制方案有效实现了系统的稳定运行。
　　针对脉冲功率放电拓扑展开研究，对控制电路以及电感电容选取进行详细分析，电流采样电路十分简单准确；滞环电路实时跟踪电感电流变化，提高了系统动态响应；控制逻辑电路采用时序控制，确保每个脉冲的可重复性。论述影响脉冲电流宽度和上升沿速率的因素，对脉冲功率放电拓扑进行了仿真分析，结果表明在不同重复频率的脉冲信号下得到不同宽度输出脉冲电流。
　　搭建各模块相应的硬件电路平台，分析单个模块、多个模块的实验结果，得到重复频率在1kHz、400Hz、100Hz2％占空比的脉冲信号下幅值50A的脉冲电流，并且在重复频率为1kHz时脉冲电流最窄为13μs，电流上升沿为46.1A/μs，可靠实现了脉冲电流源频率的重复，脉冲电流宽度窄、上升沿陡峭的目标。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 脉冲电流源及其相关理论的发展概况

1.3 两级隔离型DC-DC变换器的现状及其主要拓扑

1.4 本文的主要研究内容

第2章 重复频率脉冲电流源的整体架构

2.1 引言

2.2 总体方案和结构

2.3 buck级联推挽变换器原理

2.4 脉冲电流源放电电路原理

2.5 本章小结

第3章 buck级联推挽变换器的研究

3.1 引言

3.2电路参数设计

3.3小信号模型分析

3.4控制回路参数设计

3.5本章小结

第4章 脉冲功率放电拓扑控制电路的研究

4.1 引言

4.2 脉冲功率放电拓扑控制电路设计

4.3 脉冲电流宽度和上升沿速率的研究

4.4 重复频率脉冲功率电流源仿真

4.5 本章小结

第 5 章 实验结果与分析

5.1 引言

5.2 buck级联推挽变换器实验

5.3 脉冲放电拓扑实验

5.4 三级电路整体级联实验结果

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢