重复频率高功率脉冲电源的研究

摘要

脉冲功率技术在民用方向的拓展,尤其是污水处理、烟气除尘、生物医疗等方面的应用,促进了重复频率脉冲功率技术的快速发展。磁开关和大功率半导体开关在长寿命、高运行频率方面的优势,使得一些不同性能参数的重复频率脉冲功率装置的设计研制成为可能。但是气体开关由于具有结构简单坚固、性能稳定、耐压高、通流强、能承受高dv/dt、高di/dt等优点,使其在现代脉冲功率技术中仍占有很重要的地位,所以利用磁开关的饱和延迟特性来改善气体开关的开通和绝缘恢复性能,以提高气体开关的工作频率和寿命,对于脉冲开关技术的发展,具有一定的意义,可以拓展气体开关在高重复频率脉冲功率系统和脉冲功率在民用方面的应用范围。
　　正是基于上述的目的,本文设计了一套含有气体开关的重复频率高功率脉冲电源。该脉冲电源利用串联谐振充电技术实现了输入电容器的快速充电,并利用可饱和变压器和磁开关组成的脉冲形成网络完成脉冲从ms到μs的压缩、陡化,最后通过气体开关向负载释放能量。该电源可以在6Ω的负载上,形成上升前沿约450ns,峰值电流580A,半高脉宽800ns的电流脉冲,重复频率可达200Hz。
　　本文对此脉冲电源的研制进行了详细的说明;通过对比之前比较常用的拓扑结构,提出了脉冲电源的电路拓扑结构,并对其原理进行了详细的介绍,对电路的充放电特性进行了研究,设计了合适的可饱和变压器和磁开关,并通过建立 PSpice仿真模型,对脉冲电源关键参数的选取进行了研究。通过研究影响气体开关重复频率运行的因素,指明用磁开关配合有利于改善气体开关的开通性能和绝缘恢复特性。
　　串联谐振充电技术是解决大容量电容器快速充电的有效方法,本文对串联谐振的原理进行了分析,并结合脉冲电源的工作要求计算了串联谐振充电的各个关键参数,并对高频变压器的设计、谐振电感的绕制、IGBT的驱动控制等进行了详细的分析。
　　对设计研制的重复频率高功率脉冲电源进行了试验研究和分析,对PSpice仿真波形结果和实验测试波形作了比较,给出了有磁开关配合和无磁开关配合时气体开关的损耗的定量分析,最后对实验中发现的问题进行了深入的讨论。

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1 绪论

1.1 脉冲功率技术概述

1.2 磁开关在重复频率脉冲功率技术中的应用

1.3 磁开关的饱和延迟、整形作用

1.4 本文的主要工作

2 脉冲电源的工作原理及设计

2.1 重复频率高功率脉冲电源的原理分析

2.2 磁开关、饱和变压器的设计

2.3 脉冲电源的电路仿真分析

2.4 气体开关及其重复频率的运行

3 串联谐振恒流充电原理及其设计

3.1 DCM模式下串联谐振充电电路的分析

3.2 高频变压器、谐振电感的设计

3.3 IGBT驱动控制电路

3.4 串联谐振恒流充电系统的运行试验

4 重复频率脉冲电源的试验研究

4.1 重复频率脉冲电源控制系统

4.2 试验研究与分析

5 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 论文的不足及后续展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 重复频率脉冲电源的控制电路图