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第十三届高功率粒子束国际会议论文集（2000） 2000年6月25-30日，日本，长冈
用于脉冲电源加速器的大功率高压直流电源的研制
M. 长春, F. Endo ,C. 山崎.日本，东芝町、府中市、东京183-8511，东芝公司
摘要：一种大功率高压直流电源已经研制出来用于基于串联谐振的脉冲电源加速器，这种直流电源采用的是31.2kHz 的IGBT系列谐振缓冲逆变器。对直流电源性能进行测试主要包括两方面的应用：直流冲电和电容充电。对于直流充电电源，在连续运行和50%的占空比模式下的输出功率分别为48kW和67kW的功率。对于电容器充电电源，其输出能量和峰值分别为12焦耳和46J/s。
关键字：直流电源、串联谐振变换器，缓冲器。
- 简介
高功率、高电压、高稳定性、低电压纹波是直流电源加速器的主要要求。基于晶闸管转换技术的直流电源，其用于减少电压纹波的大容量直流滤波器是必不可少的，因此，负载能承受能量是负载面临的大难题，比如电子管的短路故障等。因此，一个被称为“撬棍”的保护电路对于传统的供电系统来说是不可或缺的部分。
我们已经在串联谐振转炉技术的基础上研制开发出了一种大功率的直流电源以运用于粒子加速器。因为这项技术使用的开关频率会非常高，直流滤波电容容量会减小许多，基本上不需要“撬棍”保护电路。研制开发的直流电源工作的开关频率为31.2KHz。本文将介绍电源的设计和实验结果。
- 大功率直流电源的设计
- 规格
基于串联谐振变换器的直流电源技术规格已经总结在表1中。电源可以通过并联连接，以获得更大的功率等级。
- 设计
图1显示了直流电源的电路图。它可分为两个部分：一个是主电路，包括高频IGBT逆变器，谐振电容器、高压变压器、高压整流器。
IGBT逆变器由四臂组成，各臂由两个并联的IGBT组成。所使用的IGBT的型号为MG600Q1US41（1200V，600A），并与自由二极管（FWD）搭建反向续流。IGBT逆变器的开关频率为31.2 kHz。当逆变器的设计处于零电流开关模式时，IGBT会关闭使电流反向流过，此时FWD会以尽量减少开关损耗。因为是零电流开关，并不会出现关断过电压，IGBT逆变器并不需要缓冲电路。
表1直流电源的规范
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项目 |
规范 |
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输出功率 |
峰值：67kW（50%工作） 连续：42kW |
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输入电压 |
560V |
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输出电压 |
13kV |
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效率 |
超过85% |
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电压脉动率 |
不到0.5% （@电容1.5F） |
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并联运行 |
可行 |
负载
控制电路
直流电源
主电路
驱动电路
图1直流电源的电路图
高频工作需要高压变压器的漏感尽可能的小，每个变压器是由2个单位绕组组成的。对于每一个单位绕组来说，一个二次绕组被放置在2个主绕组之间，以尽量减少漏感，并获得绕组之间的高耦合系数。
串联连接时，次级绕组与高电压全桥整流器相连。
控制电路有三个功能：生成栅极图案，锁住门脉冲和驱动IGBT。
综上所述，由于IGBT逆变器没有缓冲电路。因此，关闭IGBT的电流传导过程中会产生浪涌电压和断断开IGBT。所以门脉冲宽度必须是恒定的。
图2显示了门块函数的时序图。门模式的的频率为31.2kHz、脉宽为10us等宽恒定频率脉冲由振荡器产生。门块的功能是必须保持恒定的门脉冲宽度，即使栅极停止信号反馈电路或外部电路进入随机的无关门模式。这门块的功能是通过使用D触发器组成一个简单的电路来实现。只有当栅极图案变低的时D触发器才可以接受GB信号，从而使门脉冲宽度保持不变。使用这种方法，IGBT零电流开关是有保证的，IGBT可以安全地关闭即使没有缓冲电路。
图3显示了直流电源的外部视图。它的单位尺寸为430毫米times;590毫米times;1350毫米，可以安装在一个标准的19封装里。为了达到冷却和绝缘的目的，在一个油槽内采用封闭高压电路。
图2门模块功能时序图
图3直流电源的外部视图
- 实验结果
直流电源的性能由图1所示的测试电路图验证。通过62nF的直流滤波电容和3.8kOmega;的负载电阻连接用于直流电源的测试。直流电源的分别进行了连续运行模式和50%的占空比运行模式的测试。另一个电容器充电电源的试验通过62nF的电容和5MOmega;的负载电阻。
图4显示了连续运行模式下输出13kV的电压波形。输入直流电压和电流分别为430V和129.7A，输出电压和电流分别为13.28kV和3.65A。从结果可以看出平均输出功率和效率eta;分别大概为48.5kW和87%左右。通过峰值为500V的纹波电压获得13kV的输出电压。
图5显示了在50%的占空比的运行模式下输出16V的电压波形。输出电压和电流分别为15.7kV和4.3A。得到峰值峰值为67.4kW的输出功率。
图6显示了电容充电电源的输出电压。获得了12 J的输出能量。通过这个结果可以计算最大充电率为46 kJ / s。
- 讨论
作者先前的报道，（在直流供电的情况下）总缓冲损失约1.1 K W。通过去除缓冲电路，48kV的连续运行模式下效率提高了2% 。
由测试的结果可知，输出500V的电压纹波可以通过直流滤波器中62nF的滤波电容测量。由于输出的电压纹波与直流滤波器中电容成反比，因此可以通过1.5F的电容在13kV的高压下实现峰值为20.6V的纹波电压的波动率小于0.5%。通过串联谐振转换器技术，与传统技术相比，直流滤波器的电容可以减少原来的到十分之一。
图4在13kV下输出电压波形
（连续运行）
图5为在16kV下的输出电压波形（区间运行）
图6输出电压波形
（对电容充电电源）
- 结论
大功率高压直流电源研制用于基于谐振缓冲器逆变器的加速器和脉冲中。
对于直流电源，在连续运行和50%的占空比运行模式下的输出功率人别为48kW和67kW。对于电容器充电电源，获得12J的输出能量和46kJ每秒的充电率.
在13kV的输出电压下通过62nF的直流滤波电容可获得500V的纹波电压。通过1.5F的滤波电容在13kV的高压下实现峰值为20.6V的纹波电压的波动率小于0.5%。
- 引用
M，长春，F. Endo,C.远藤，K.冈村，K.山崎，“发展学院。福岛电力电容，高功率脉冲电源为装应用程序”。第十二届IEEE国际脉冲功率会议，1999年，pp.1414-1416。
IEEE磁学会议，45卷，2009年1月1日
用于大电流高速滑动电接触研究
的电容式脉冲电源的研制
夏胜国，何俊佳，萧政，董满玲，李军，桂迎春，刘培柱，李世忠
华中科技大学，武汉430074，中国北京特种机电技术研究所，北京100012
1.5-MJ电容式脉冲电源已经研制用于大电流高速滑动电接触研究电磁轨道炮的发射该系统由8个小模块组成，每一个模块包括15 mF的电容和一个包括54mF电容的大模块。所有的九个模块使用触发火花间隙作为主要开关。通过控制各模块的充电电压和发射时间，可以形成各种形状的高电流脉冲。小模块最大工作电压设为5kV，峰值电流为140 kA，脉冲的上升时间为0.9mS，其中用半导体二极管堆栈作为短路开关。由于大模块没有短路开关和相对较小的脉冲形成的电感，因此它可以提供高振幅振荡电流波形。大型模块的作用有三，首先，大型模块提供了一个基本的电流通过小模块的电流叠加形成一个几乎恒定的电枢驱动电流.二，振荡性质的电流可以大大降低的枪口弧电流，因此可实现对枪口弧的抑制。第三、不需要撬棍开关，因此可以降低系统成本。通过实验以验证这2种模块的操作性能，其中的模块被同时排出和/或的顺序。在枪口控制的大模块的可行性也要进行了检查。实验的结果表明，当获得总电流为400 kA并且平顶时间为1.5mS时，所有的模块显示轨道炮的射击性能好。
索引词—电容器组，滑动电接触，脉冲电源，电磁轨道炮。
- 引言
由于金属之间的滑动电接触其存在于所有的电气机械和一些其他的电力传输系统中，因此电接触在各个领域都被广泛研究。然而，由于轨道炮的发射电流密度非常高，因此轨道炮电枢轨道接口相比正常的滑动接触有许多不同的特性，通常在40kA/cm的顺序。在这种情况下，一旦滑动速度超过一个临界值就非常容易发生从金属-金属接触过渡到电弧接触。在固体电枢的磁轨炮这个转变的机制尚不十分清楚。与正常滑动接触不同的是，它不仅与接触界面分离或接触力不足，还有电流流过，滑动速度和机械磨损都可能引起电枢轨道接口的电弧损坏。接触过渡可能导致能量损失，高轨道损坏，消除磁轨炮的不可靠的启动性能设计和操作或延迟是非常必要的。
最近，我们研究中心此前用于高电流断路器测试的1.5-MJ电容器组已经被改成了一个脉冲电源。这样可达到双重目的：小口径电磁炮发射实验；大电流高速滑动电接触研究。本文介绍了该电容器组的发展及其特点。
- 系统描述
磁轨炮电源的理念是运用脉冲形成网络，高度模块化，电流脉冲是由触发模块产生并适当地时间延迟，目的是尽可能地使其接近矩形形状。在这项工作中，整体系统由8个电容器组模块，高电压充电电源和控制系统组成。为了最大限度地提高输出脉冲整形的灵活性，1.5 MJ电容器组分别设计了八个可切换模块。每个模块可以单独进行切换，在序列中，可以方便得到一个比较宽的范围内的脉冲形状，峰值电流和脉冲长度。图1显示了一个模块的电路图。每一个模块由100个150F，5kV的脉冲电源电容器组成。
图1.单模块电路图。
用两个二极管串联成撬棍二极管组，可以保护每个模块的电容器，防止损坏电压的逆转。每个二极管的额定电压为4.5 kV，1半正弦冲击电流为100kA。撬棍二极管组夹在一起并均匀分布的两个相同的铝片之间。用两个10 W，1M的电阻并联，当二极管处于反向阻断条件时，能均衡分担电压。20M的电阻连接在每个撬棍二极管系列中，可以限制和调节流过二极管的电流峰值，当开关在较大电压时，这些二极管变得容易出故障时。
脉冲整形电感器的电感为20H，对电磁力相关的高电流和高电压应用的绝缘强度和机械强度进行测试。采用150 kA的高脉冲电流流过电感4ms，电感并未损坏，同样使用5kV的高压时观察电感并未被击穿。每个模块的放电由火花隙开关启动。图2显示了触发火花间隙的本质。
图2火花隙开关示意图。
该触发电极被嵌入在阴极中心，由一个陶瓷绝缘体隔开。主电极之间的间距固定为0.3cm，因为开关的触发时间会随d的变化而非常灵敏。
触发火花间隙比一般的装置成本低。它们通常采用低电压降，低动态阻抗。图3显示了一个间隙间距为0.3cm和电极半径为5cm的火花隙开关的测量电弧阻抗。通过测量火花开关的电弧电压和放电电流，得到了开关电弧的动态阻抗。当电流上升，阻抗减小，但是当电流下降，阻抗几乎稳定保持值为1.3M，一旦电流小于45kA，当阻抗上升。此时弧淬火过程开始。
图3触发火花隙与放电电流的电弧阻抗。
每一个火花隙开关都配有一个单独的触发单元，并能独立地触发脉冲整形应用。此触发单元如图4所示。一个基于PC的控制器控制触发继电器的操作和触发飞轮充电电容器。脉冲变压器可以在几微秒的上升时间内提供一个高达20kV的最大脉冲电压。
图4火花隙触发单元电路图
- 电容器组的运行性能
-
短路负载测试结果lt;
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