高压电源在脉冲功率技术领域的应用

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前言

脉冲功率技术又称高功率脉冲技术,它是一个研究在相对较长时间里把能量储存起来,然后经过快速压缩、转换,最后有效释放给负载的新兴领域技术。脉冲功率技术是高压电源重要的应用领域之一,本文将简要介绍脉冲功率领域的常用技术,同时谈谈高压电源在脉冲功率系统应用中容易产生损坏的风险及其防护。

更新历史

2019年8月21日 - 初稿

作者:海伏科技——小涛(转载注明出处)
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脉冲功率系统的介绍

广义上脉冲功率系统应用非常广泛,比如用锤子钉钉子就是一个小型的脉冲功率系统,利用重力或手腕的力量使锤子加速,撞击到钉子时锤子的速度在短时间之内降低为0,就需要一个非常大的力提供锤子的加速度,钉子也受到同样大的反作用力被硬生生的塞进木头里。

相对长时间储能,短时间释放的系统都可以称之为脉冲功率系统,脉冲功率系统广泛存在与自然界和我们的生活中,例如:闪电、钉钉子、劈柴等等。工业上应用的破碎锤、震动打桩机等等都可以简化为脉冲功率的模型。接下来谈到的是脉冲功率技术在电学方面的应用,利用电压转换装置将市电的能量转移到电容器或者电感中储存起来,储存的能量通过脉冲放电得到高功率脉冲,再有效的释放给负载。

脉冲功率系统的储能方式

脉冲功率技术的能量储存有许多形式,包括:电容储能、电感储能、机械储能、化学储能等,其中比较常用的是电容储能。

虽然从储能效率上来讲电感储能要优于电容储能,但是电感储能需要的脉冲放电开关是断路开关,断路开关的理论及技术均比闭合开关复杂其成熟度及应用的广泛性目前都不如电容储能系统。

插一句题外话:关于未来能源“受控热核聚变”我公司也有一些接触,未来有时间可以将现阶段常用的技术及进展与大家分享。海伏课堂有一篇文章氰化氢(HCN)激光器电源应用就是应用于磁约束核聚变系统中。

在中小型脉冲功率系统中,常用的是电容储能,海伏科技生产的大功率高压电源(高压充电机)超过80%都应用于电容充电和脉冲功率系统中。

电容储能脉冲功率系统的关键技术有以下几点:

  • 能量的转换和存储
  • 开关技术
  • 功率脉冲的进一步陡化
  • 功率脉冲的负载及测量技术

储能电容的分类

作为储能元件的脉冲电容和一般电容器不同,除对电容器的一般要求外,主要要求是低电感、长寿命、高出能密度、允许大电流放电(接近短路)和重复频率运行等。适合作为脉冲电容器的电容类型一般有3种。

脉冲功率系统储能电容 陶瓷电容

图1:脉冲功率系统储能电容 陶瓷电容

  • 陶瓷电容:适合小容值大电流放电;
  • 金属箔电容(油浸):传统的脉冲电容;
  • 金属化薄膜电容:近年来发展起来的具有能量密度高软失效等优点,同等容量下体积更小,但是放电电流弱于金属箔电容。

储能电容需要根据系统的需求选取合适的电容,这里暂不展开介绍,有疑问可以咨询海伏科技的工程师,将来海伏课堂中会写一篇介绍这三种电容器的实现原理及工艺的文章,请持续关注海伏科技。

电容充电电源与普通高压电源的区别

电容充电电源是脉冲功率系统中能量的来源,它将市电单相220V或三相380V的交流电转化为直流高压电存储在电容中。

海伏科技 R15 电容充电电源

图2:海伏科技 R15 电容充电电源

  1. 电容器在不带电时两端的电压为 0,充满电之后电压常见的中小型脉冲功率系统储能电压在 5-40kV 之间。对于大容量电容来说,刚开始充电的阶段电容两端是近似短路的状态,电压为 0,这就要求电容充电机的输出电压可以从0起调,允许长时间短路运行。

  2. 储能电容在放电时电压由几十千伏,瞬间跌落至 0 ,所以高压充电机也应该有输出中应对突然短路的能力。对于某些高频放电应用,充电机内部的储能必须足够小,这样高压输出频繁的短路对充电机本身的冲击也会减小。可以提高放电的频率。

  3. 电容充电电源在充电过程中电压是线性上升的,用常规直流源充电会有过冲的问题,所以必须在电压达到设定值时立刻停止输出,为了保证每次试验数据一致充电重复精度也是一个比较重要的指标。

  4. 强流脉冲系统在放电时电流可达到几十 kA 甚至几百 kA 量级,在这样的强放电场合下产生的电磁干扰是不可忽视的,尤其是对控制系统的影响,所以电容充电机最好能配备光通信接口。

为了适配脉冲功率系统,海伏科技全新开发的电容充电电源采用全数字化控制电路,直流与电容充电通用,重复精度优于 0.1% ,并且为了提升控制系统的抗干扰能力控制上采用全光纤方案,并且开发了USB转光纤的适配器。

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后续

由于篇幅的限制,关于脉冲功率系统常用的典型电路和脉冲前沿的陡化技术,以及充电机的保护电路、测试波形的采集等这里暂时不展开讨论。后续将会在 海伏课堂 继续介绍,海伏课堂 会定期发布一些高压电源领域的技术干货,是海伏科技工程师从业以来技术分享平台,希望对您有所帮助,请持续关注,谢谢!

参考资料

[1]邱爱慈. 脉冲功率技术应用[M]. 陕西科学技术出版社, 2016
[2]韩旻等编著.脉冲功率技术基础[M].清华大学出版社,2010:205.

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