基于脉冲变压器的脉冲电源设计

王凯宁 柳娜

摘要：本文充分论述分析了一种传统的超导电阻电感用于储能的直流脉冲短路电源，了解在没有理想的充放电电压情况下超导电阻性电压转换限制电路的脉冲能量电流损耗与脉冲电路超导电感之间的相互关系，以及脉冲电流电压转换限制时间与超导电感储能端点的电压转换限制的相互关系。然后，本文对目前传统的基于超导体的储电节能稳压脉冲直流变压器的多电路模块储能脉冲稳压电源控制模式技术进行了深入分析，并通过对单模块电路进行并联得到双模块、三模块以及八模块电路，对可控硅的耦合系数选择，触发时间，以及多模块电路的延迟时间的控制等方面进行一系列的仿真分析，并对其进行数据优化。最终可知增加模块的是能够较快并且平稳的输出较大的电流，模块数量的增加能够让输出较大电流的时间变长，验证多模块脉冲电源的设计也是可行的。

关键词：脉冲功率技术;多模块电路;超导脉冲储能变压器

1.总体设计方案及其方法

本文先充分论述分析了一种传统的超导电感用于储能的直流脉冲短路电源，了解在没有理想的充放电电压情况下超导电阻性电压转换限制电路的脉冲能量电流损耗与脉冲电路超导电感之间的相互关系，以及脉冲电流电压转换限制时间与超导电感储能端点的电压转换限制的相互关系。然后，本文对目前传统的基于超導储能变压器的多电路模块储能脉冲稳压电源控制模式技术进行了深入分析，并通过Simplore仿真软件对单模块电路进行并联得到双模块、三模块以及八模块电路，对可控硅的耦合系数选择，触发时间，以及多模块电路的延迟时间的控制等方面进行一系列的仿真分析，并对其进行数据优化。

最终可知增加模块的是能够较快并且平稳的输出较大的电流，模块数量的增加能够让输出较大电流的时间变长，验证多模块脉冲电源的设计也是可行的。

2.对限制电压措施的仿真和分析

2.1线性转换电路

转换电路中的线性电阻的选择要满足Rr<<Rs，Rr>>R2。因为存在于超导电感中的电流在放电时不可以发生突变，所以电流将在很短的时间内流入电阻Rr。超导电感终端电压的最大值可近似为线性电阻Rr与超导电感初始储能电流I0的乘积。

2.2非线性转换电路

利用陶瓷材料做的非线性电阻器在电阻转换电路中可以随着电压的增加而变化的特性，从而可以使过电压受到抑制，对电路中的器件起到过电压保护的作用。而在过电压结束之后，就可以使电路恢复正常工作。

3.多模块脉冲电源设计

在进行脉冲直流电源电路设计时，使每一级的电流参数都相同。选择超导超阻电感的耦合值分别为主边l1=l7=l3=l8=l10=l12=l14=l16=6mh，而副边超导电感为零的l2=l4=l6=l9=l11=l13=l15=l17=2μh，使其中的耦合功率系数设定为0.9，使用2mω的超导电阻负载代替副边负载，三个超导电容器的的耦合参数均为50μf，选择初始时间为2ms的控制开关时间，之后依次递减0.6ms，选择12v的电压源电压，使电感的储能电流为500A。

控制开关的触发时间选择分为两组，第一组为2ms-6.2ms，依次间隔0.6ms。第二组为2ms、2.6ms、3ms、3.4ms、3.8ms、4.1ms。可控硅的触发时间分为两组，第一组为2.72ms、3.32ms、4ms、4.2m。第二组为2.72ms、3.32ms、3.92ms、3.8ms、3.78ms。

根据仿真结果可知随着模块的增多，电流的峰值也会越来越大，其电流的波形也会变得复杂。而多模块电路的控制时间与可控硅的触发时间的选择根据多次仿真实验可知第二组时间选择最为合理，分别选择3.2s与3.8s左右可以达到理想状态。

4.结论

本文对基于新型脉冲整流变压器的单一多模块一个脉冲整流电源的设计电路及其设计验证系统性能和实验结果分析进行了设计分析，并将单一模块脉冲电路元件进行连接并联后构成多模块的一个脉冲电源，对多一个模块中的脉冲电源进行系统设计进行了电路设计与测试仿真实验研究。仿真测试结果充分证明了该电源脉冲器的电源电流模式设计是可行的。而全新设计的八模块式脉冲电源也可以充分满足各种实验科学研究的各种要求。通过增大耦合系数，改变超导电感的储能电流，最后达到方波的峰值持续7-8s较为理想的结果。

参考文献

[1]李海涛，杜桂兴，罗文博，王豫.基于超导脉冲变压器的多模块脉冲电源设计[J].低温与超导，2012（8）：14-18.

[2]张圣，李震梅，李海涛，路通，李宗哲，王卓.基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源测控系统[J].低温物理学报.2019，（06）：46-53

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