基于LC谐振充电和POS的功率脉冲电源研究

摘要

随着现代电力电子技术和多学科交叉应用研究的发展，电感储能式高功率脉冲技术不再局限于高能物理、国防、核工业等应用领域，正在迅速渗透并推进新兴工业的创新和发展，在提高重复频率、输出脉冲功率和系统效率的前提下，研究还致力于产品的紧凑一体化和减少开发及制造成本。在此背景下，本文开展对基于POS的电感储能功率脉冲电源的研究。
　　首先对电感储能式功率脉冲电源关键技术的研究现状和发展进行评述。在阐明外加磁场POS工作原理之后，对基于POS的电感储能功率脉冲电源等效电路的充放电过程进行了理论分析，通过MATLAB仿真研究了等效电路储能元件参数对电感储能特性的影响，进行了面向工业化应用POS的结构设计。
　　结合高频谐振变换器的工作原理对其电路谐振参数进行了计算，通过PSPICE仿真对比说明了谐振充电器的恒流特性及储能电容充电的工作采用LC方式比LCC更有利的原因，并进一步研究了在谐振参数一定的情况下，合理的变压器激磁参数设计在提高功率脉冲电源重复工作频率和系统效率方面的作用。
　　根据对功率脉冲电源的高综合性能要求，提出和设计了一种基于LC谐振充电和POS的一体化功率脉冲电源系统，并对系统控制时序和整个电源的工作和脉冲输出特性进行了仿真分析。硬件设计方面，着重对主电路电力电子器件和驱动及磁性元件参数进行计算，设计了以dsPIC30F4012单片机为核心的控制电路。软件设计方面，给出了具体的控制方案和程序流程软件设计。最后，对样机的调试和实验进行了说明，包括装置的结构、调试的步骤及实验结果分析。
　　本文所设计的功率脉冲电源为进一步对外加磁场POS的设计实验和断路特性的研究提供了平台，并在基于POS的功率脉冲电源的工业化应用方向上进行了有益的尝试。

目录

基于LC谐振充电和POS的功率脉冲电源研究

STUDY ON LC RESONANCE CHARGE AND POS BASED PULSED POWER SUPPLY

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 电感储能功率脉冲技术的发展

1.2.1 典型电感储能功率脉冲电路

1.2.2 等离子体断路开关的研究现状

1.2.3 高压电容充电技术的研究现状

1.3 课题的主要研究内容

第2章 同轴场控POS及电路模型的原理分析

2.1 等离子体断路开关

2.1.1 等离子体断路开关的工作原理

2.1.2 外磁场对开关输出特性的影响

2.2 等离子体注入源

2.3 基于POS的电感储能功率脉冲电路

2.3.1 等效电路模型的建立

2.3.2 电路充放电过程分析

2.4 外加磁场可控断路POS装置结构设计

2.5 本章小结

第3章 谐振恒流快速充电器的设计与仿真分析

3.1 高压储能电容谐振恒流充电电路

3.1.1 谐振充电电路的工作原理

3.1.2 谐振充电电路的参数设计

3.2 谐振充电电路的仿真对比分析

3.2.1 基本谐振充电原理仿真

3.2.2 恒流与恒压充电特性比较

3.2.3 串并联谐振电容对充电特性的影响

3.2.4 变压器激磁电抗对充电特性的影响

3.2.5 负载开路故障时对逆变电路的影响

3.3 本章小结

第4章 基于POS的功率脉冲电源的设计与仿真分析

4.1 功率脉冲电源的主电路

4.1.1 高频升压及初级电容储能电路

4.1.2 二极管隔离Marx发生器电路

4.1.3 电源相关主要磁性元件的设计

4.2 基于POS的功率脉冲电源放电特性仿真分析

4.3 脉冲电源控制电路设计

4.3.1 单片机控制单元功能

4.3.2 单片机PWM信号发生器

4.3.3 逆变桥驱动电路

4.3.4 充电电压采样电路

4.3.5 晶闸管触发电路

4.4 控制电路的软件流程

4.5 本章小结

第5章 样机调试及实验

5.1 实验装置结构

5.2 样机实验分析

5.2.1 谐振恒流充电实验

5.2.2 充电快速性比较实验

5.2.3 脉冲电源放电实验

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢