一种大功率重频充电电流的分析与研制

冯传均，何 泱，戴文峰

(中国工程物理研究院流体物理研究所 脉冲功率科学与技术重点实验室，四川 绵阳 621900)

0 引言

Marx发生器是一种利用电容器并联充电再串联放电的高压装置，是产生高压脉冲的最重要的途径之一。在闪光X射线照相、电磁发射、高能加速器等研究领域得到广泛的运用。根据不同的应用需求，Marx发生器工作模式有所不同。在重频工作模式下，高压脉冲电容储存的能量释放完毕以后，需要利用高压充电电源将电容器电压重新充至工作电压。充电快慢、效率、控制方式都是衡量电源性能的重要指标。对高压脉冲电容器进行充电的电源主要有工频和高频两种形式，高频充电电源采用电力电子和现代控制技术，与工频充电电源相比，高频充电电源体积更小、效率更高，是目前主要采用的方式[1-6]。

随着小型Marx技术的发展，脉冲功率源的紧凑型、小型化设计建造技术也日趋完善[7-8]，并开始

应用于野外作业或移动式作业环境下的脉冲高压设备[9-10]。因此对高压电容器充电电源设计提出更严格的要求。依据上述应用背景，本文研制了一台应用于等效电容量0.32 μF、电压-90 kV的小型Marx发生器重频充电电源，实现5 Hz重频输出电压-90 kV，平均充电功率6.5 kJ/s。电源采用模块化设计，具有体积小、控制简单等优点。

1 电路原理

1.1 电源设计参数

输入：直流电源供电，额定电压：32 V；额定电流：10 A。

负载：等效电容量0.32 μF；电压-90 kV。

控制要求：脉冲输出；频率：5 Hz。

根据上述要求，电源设计参数：输出电压：0～-90 kV；平均充电电流:0.14 A；平均充电功率6.5 kJ/s；输出电压误差：≤1%。

1.2 电源结构组成

电源由主电路和控制电路两部分组成。主电路包括直流供电电源、预储能电容器组、全桥逆变电路、高频变压器、倍压整流模块。主电路原理示意图如图1所示。直流电源Udc，通过限流元件Zs，为电容器组Cs充电。电容器组Cs作为预储能元件，为升压电路提供瞬间高功率输出。Q1～Q4构成高频逆变全桥电路，将低压直流电压转换为低压高频方波输出，高频变压器TX对电压进行升压，升压后的高压经过6级倍压整流电路，将电压放大6倍输出。图1中虚线框内为一组升压电路U1，共10组。U1到U10并联使用，提高电源输出功率。

Udc—直流电源；Zs—限流元件；Cs—超级电容；Q1～Q4—MOSFET；Lr—谐振电感；TX—变压器；Cr—谐振电容；Lch—负载电感；Cch—负载电容。图1 主电路原理示意图

1.3 预储能电容

电源采用32 V/10 A直流电源供电，最大输出功率320 W。高压电源的输出平均功率要求大于6.5 kJ/s。通常采用大容量蓄电池对输入电压进行预储能，从而实现瞬时高功率输出。由于常用的蓄电池储能密度低、体积大、输出电流小，本设计采用超级电容器组替代蓄电池储能。超级电容与电池比较有以下特点：

(1)尺寸小，电容量大。储能密度大，易于实现超小型化。

(2)大电流放点性能优越，功率密度是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电。

(3)充电时间短，充电电路简单。

(4)电压保存特性良好，漏电流极小。

(5)温度范围宽：-40℃～+70℃。

预储能电容器采用多只超级电容器串并联组成，设计容量为180 F，工作电压为32 V，输出电流1.5 kA。工作过程中直流电源通过限流元件Zs(由电阻、电感等无源器件构成)为预储能电容器组充电至工作电压，电容器组为U1～U10提供输入电压，同时为电源控制电路供电。为避免电容器组电压过低，电源控制电路无法正常工作，电容器组的最低工作电压为15 V。因此理论上储能电容最多可提供60 kJ的能量输出，使电源对0.32 μF/90 kV电容器组充电次数≥40。

1.4 逆变升压

电源采用全桥逆变电路将低压直流电压逆变为高频脉冲方波电压信号。然后经过高频变压器升压。全桥逆变电路采用IRFP4368大功率MOSFET作为开关元件，额定电压75 V，额定电流195 A。

高频变压器采用锰锌铁氧体磁芯以满足高频逆变运行性能要求。图1中的电感Lr和电容Cr主要是变压器的漏感和杂散电容。变压器所需输出电压为20 kV，因此理论变比在700倍左右。由于变比极大，高压侧杂散电容参数十分明显，运行中极易发生谐振导致过电压故障。因此实际设计的变压器变比低于该理论变比，需通过谐振作用使电压达到额定参数，为了减小变压器的体积，提高变压器初次级间的绝缘强度，预先对变压器采用有机硅凝胶真空灌封处理。

1.5 多倍压整流

变压器升压后输出电压峰值约20 kV，为满足90 kV的充电电压要求，采用6级倍压整流输出，理论最高可达到120 kV，倍压整流电路中电容参数需要与工作频率、谐振参数、负载特性等进行匹配以取得较好的使用效果，依据不同的使用位置分别采用0.1 nF～1 nF 多种容量的电容。

1.6 并联输出

图1中变换模块U1包括逆变、升压、6倍压整流电路三个部分。其中6倍压整流电路的输出电流参数较小，通过仿真分析发现其平均输出电流小于20 mA，即模块平均功率小于900 W。因此采用10组相同的模块(U1～U10)并联输出以提高功率。10组模块均使用储能电容Cs供电，模块输出端并联后经过隔离电感Lch为等效负载电容Cch充电。控制电路主要包括逆变控制电路、保护电路和充电控制电路。

1.7 控制电路设计

控制电路包括逆变控制电路、保护控制电路、触发控制电路。逆变控制电路产生开关元件的驱动信号，同时接收保护电路反馈的保护信号实现电源保护。本文采用UCC3895控制器实现MOSFET开关器件的移相控制功能，开关工作频率为23 kHz，采用可调占空比方式运行，以适配不同变换模块器的杂散参数差异。为了使输出电压达到一定的稳定度，输出电压采用闭环控制调节，将分压器上采集的电压信号与给定信号进行滞环比较以实现充电电压控制。在充电的过程中，如果电容电压高于下限电压，则可以持续充电，否则充电停止。上述电压可以通过电位器进行调节。逆变电路中还集成了一个电流传感器，用以提供过流保护功能。触发控制电路，当接收到高电平时，电源启动输出，否则停止输出，电源输出频率为5 Hz。为了保证操作人员的安全，电源采用光纤信号远程控制。系统运行控制框图如图2所示。

图2 电源系统运行控制框图

2 电源结构设计

电源采用模块化设计，依据功能分层设置，内部器件沿中轴对称分布，不同层次之间用绝缘板隔开，如图3所示。其中储能电容及限流元件层一侧盖板上设置有电源插头、控制插头、调节旋钮等部件，倍压整流元件层一侧盖板上设置有输出转接法兰。

在本设计结构下，不同变换模块(U1～U10)的元件按圆周方向均匀分布在各层圆筒内。变压器元件层和倍压整流元件层由于运行电压较高，整个装置为密封结构设计，工作时填充一定压力的六氟化硫气体提高电源内部绝缘强度。此外电源金属外壳同时作为设备地线引出。

图3 电源系统结构设计示意图

图4 电源输出电压波形

3 实验测试

为验证本方案设计研制的充电电源系统性能，开展了相关试验与测试工作。测试中使用一台小型Marx发生器作为负载，其等效充电电容为-90 kV/0.32 μF。充电电压信号通过30 000∶1分压器引出，并使用示波器进行观测记录。测试使用32 V恒压源对储能电容进行预充电，设置目标充电电压为-90 kV，充电频率为5 Hz，充电脉冲个数为6个。充电电源输出电压波形如图4所示，电压峰值约3 V，即6次充电电压约90 kV。计算平均充电功率约6.5 kJ/s。试验结果表明该充电电源参数满足设计的性能指标。

4 结论

移动式重频高压发生装置是脉冲功率技术中一种前沿的应用方向，具有良好的发展潜力。这种应用需要重频充电电源，在提供满足所需功率的同时实现更为紧凑的结构，相关系统设计研制上存在很大的难度。

本文研制的高压电容器充电电源，采用32 V/10 A直流电源供电，通过超级电容预储能，高频逆变、升压，倍压整流技术，实现输出电压-90 kV，平均功率6.5 kJ/s。将其应用于电容量0.32 μF、工作电压-90 kV的小型Marx发生器，实现5 Hz重频工作。经测试电源系统满足设计参数需求。

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