基于多重化BUCK电路的大功率充放电系统研究

摘要

脉冲强磁场技术、电磁发射技术、电磁成形技术等作为磁场研究的重要方向，可以使物体的运动轨迹、形状、粒子状态等特性在较大的磁场中发生改变，对于传统发射技术、金属压接技术、生物医疗技术有着革命性的改变。随着强磁场下科学研究的发展，科学实验对强磁场提出新的要求和挑战，脉冲强磁场向更高场强、更长持续时间、更稳磁场波形、重频脉冲磁场等方向发展。针对脉冲强磁场装置系统，本文主要研究基于多重化Buck电路的高压大功率电容器充放电电源系统，解决大功率电源装置系统集成、33MJ负载电容器快速充电等问题，实现电源系统灵活配置、便捷移动的目的。 为满足大功率快速充电要求，本文提出锂电池为初级储能，电容器为二级储能的能量分配方案。针对锂电池电源与储能电容器之间的DC-DC Buck电路进行了深入研究。首先，根据系统的工作电压和电容器充电完成时容量的要求，对比了几种常见的锂电池，设计了锂电池电源的内部模块和电池模块的串并联方式。针对MW级别的充电功率提出了多重化的充电拓扑结构，减小了单个变换电路的电流峰值。同时，在15kV的作为输入电压的工作条件下，对串联功率开关器件可能出现的电压不均衡问题，设计了RCD缓冲电路，有效的将单个功率开关器件上的电压限制在安全工作电压以下。对电容器充电电源常见的充电控制策略进行分析，对比了这些常见控制策略的优缺点。结合本系统的指标要求，提出了恒流限功率的充电控制策略，在满足充电时间要求的前提条件下，有效地降低了锂电池电源系统的输出峰值功率。通过对放电系统的分析与设计，以降低锂电池电源系统输出电压等级、减小系统实现难度为目的，提出了把每个电容器组分成两个完全相同的小电容器组，在充放电过程中，对这两个电容器组采用并联充电、串联放电的工作方式，可以将锂电池电源的输出电压等级降为原来的一半，提高了本系统的实施可行性。 最后，对电容器组串联充电和并联充电两种方案进行了主要器件的选型和损耗分析，并进行了仿真验证。

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归档论文.刘晔宁5.27

独创性声明.刘晔宁

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