基于低压直流供电的100kV重频高压电源相关研究

康维

摘 要：如今为了达到小型和重频脉冲功率装置在无市电情况时的充电要求，人们便研发出了紧凑型的重频高压电源。此电压为30V的低压直流供电，应用了初级的储能电容以及多板块的串联叠加组成，充分达到了放大输出功率以及输出100 kV的高压效果。此研发结果证实了重频高压电源的可行性，并给今后的研发内容打下了根基。

关键词：低压直流供电;高压电源;重频电源;电容储能

一、重频高压电源的重要性

如今小型重频脉冲功率装置中的脉冲发生器都是使用的紧凑型Marx装置，但相应的充电电源技术发展较为缓慢，尤其是对高功率微波以及高能加速器来说，更是极其的缓慢。其主要原因就因为紧凑型Marx装置串联级数较少，而对每级的充电电压又要求很高，需超过100 kV。可是移动式的应用环境不仅对装置的大小、重量有要求，对供电的水平也有限制，而一般的小型电池组只可供应32V/1kW之内的能量，这便很大程度上抑制了脉冲功率源的充电效果的实现。目前大功率的高压电源均通过高频逆变-升压隔离-整流输出以实现的，还有很多电源的电容充电是在逆变侧的状况下通过串联谐振的形式得以完成，具备恒流输出的属性。但因绕组分布参数的限制，使得变压器的变比无法一直加大，所以通过32V输入直接获得100kV高压输出根本无法完成。另外，在整流侧应用多倍压的整流构造，采取加大倍压的级数来达到提高输出电压、降低变压器的升压比，其会严重加大电容充电时电压的负载，而且变化较大，使得倍压的输出参数很不稳定，难以优化。同时现阶段的高压电源技术都没有输入功率严重小于输出功率的情况，具体解决措施还要在脉冲功率技术当中鉴定。因此，为了达到移动应用时紧凑重频脉冲功率装置的小型重频要求，我们便研发出了紧凑型的重频高压电源，此电源采用的是30V直流供电，应用慢充快放的方法来储存电容以达到放大输入功率的效果，然后使用多个输出电压是10kV的升压模块，采用输入并联和输出串联的叠加方式来达到100kV的高压输出，此方法的电源不仅对320nF电容负载平均充电功率超过了10kW，而且使充电的频率在1-10Hz可调，既有紧凑构造又有极强的属性，所以具有极其重要的地位。

二、电路设计研究

（一）电路原理

本文研发的电源系统电路结构具体包括：32V的直流电源、限流稳压器、储能电容、MOSFET 开关、等效的变压器漏感与分布电容、高压整流硅堆、均压滤波电容、充电隔离电感、负载电容等。其中，供电电源通过限流稳压器对储能电容进行充电，储能电容属于电源系统的初级储能部件，其输出端并联了十组升压变换模块，每组模块均通过全桥逆变-升压隔离-整流输出的流程得到10kV以上的直流输出，因此这十组模块输出端串联之后就能得到100kV的高压输出。

（二）主要元器件

1.储能电容。通常重频Marx装置会重复多次的进行充电和放电，这就会使电源功率随频率的增加超过10kW。如果应用电池组其供电效率只会在1kW之内，与电源需求严重不符。为此本文将一组电容器当作初级的储能部件，先用低功率来进行充电，再利用高功率在短时间内对负载进行放电。由此可见，这属于一种脉冲功率的工作形式，采用压缩时间来给功率放大，进而实现输出功率。

2.变压器。变压器具有升压和隔离高压的作用，属于电源系统中极其关键的一个部件。即便单个变压器仅有10kV的输出电压，不过将升压变换模块的输出端串联起来，其次级就会显著变大，末端模块会达到100 kV，有极大的绝缘要求。另外，变压器的变比大，会造成大次级的分布电容，最后加大电压电流振荡。它的优点能够满足负载电压较大时充电的性能。缺点会对振荡电流的线路造成损耗，进而使振荡电压发生故障，所以设计时需留有充足的余量。

三、电源测试研究

本文主要通过两组充电测试来检测电源系统的性能。测试负载是一台Marx发生器，等效充电电容是320nF，最高充电电压是100kV。测试的条件：储能电容电压为30V，开关频率为20kHz，占空比90%，初级限流200A。首先，对Marx发生器展开单次充电测试，其结果为：电源系统可以在145ms内把320nF负载电容充电到100kV，平均充电功率是11.0kW。充电之后储能电容电压会下至到29.82V。其次，对Marx发生器展开重频充电测试，此重复的频率是10Hz、共5次，在此频率中电源的单次最长运行时间是100ms，不过因为Marx发生器的气体开关需有一定的恢復时间，所以实际充电时间为80ms，其结果为：电源系统在69ms左右把负载电容充到了70kV，平均充电功率是11.4kW，比充电到100kV的功率要大，充电之后储能电容电压下至到了29.65V。其5次的充电波形间隔时间是100ms，符合10Hz充电频率的要求;5次充到70kV 电压的时间相差不到1ms，具有很好的一致性。通过测试的结果能够发现电源装置的输出功率比仿真结果要小，主要原因有两个，既充电限流参数小于预期以及电源电路内阻抗大于预期。通过以上测试可知：所研发的电源系统的电压、功率以及重复频率参数等指标都符合要求。

四、总结

本文主要根据高压电源的设计方案研发出了一套高压电源系统，此电源应用的是紧凑构造，全面达到了高压绝缘的要求。虽然目前电源的性能和参数还有很大的差距，但经过后期的不断优化已显著增强了电源的性能。

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