一種低輸入電功率緊湊型重頻高壓充電電源的製作方法

2024-01-23 01:46:15 1

本發明涉及脈衝功率領域，具體是一種高功率脈衝功率源的高壓充電電源，可應用於高功率微波源技術研究，也可在工業、醫療等脈衝功率技術領域發揮作用。

背景技術：

重頻高壓充電電源作為為重頻高功率脈衝功率源的重要組成部分，用於給功率源中的marx發生器或脈衝形成線提供能量及進行數十千伏的重頻高壓充電。高壓充電電源通常採用軟開關技術高壓開關電源產生一個毫秒量級的高壓脈衝給高功率脈衝功率源進行充電。此類高壓充電電源的不足之處在於：由於直接從供電系統饋電，並未實現供給能量在時間尺度上的壓縮，導致電源輸入電功率大於輸出電功率且與輸出電功率為一數量級，一般均為kw級或十kw級，存在輸入電功率高的問題，這大大限制了基於此類高壓充電電源的高功率脈衝功率源在低供電功率應用場合的使用。當前高功率脈衝功率源應用領域或潛在應用領域十分廣泛，存在著較多供電系統供給電功率很低的情況，例如機載高功率脈衝功率裝置，其供電系統供給充電電源的電功率僅為幾百瓦，上述高壓充電電源並不能應用於此類應用場合。

目前沒有人同時從低輸入電功率（可低至數瓦）、輸出高充電電壓（數十千伏甚至百千伏）、可重頻工作角度去關注高壓充電電源的設計。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種電源，解決傳統重頻高壓充電電源輸入電功率高的缺點，同時採用集成一體化小型化結構設計，提供一種低輸入電功率緊湊型重頻高壓充電電源，能夠實現低輸入電功率、緊湊型、重頻高壓（數十千伏）充電脈衝輸出。

為了實現上述目的本發明採用如下技術方案：

一種低輸入電功率緊湊型重頻高壓充電電源，從輸入端到輸出端包括充電器、低壓單元、高壓單元和充電負載；

所述充電器的一端用於連接供電系統，且所述充電器為可攜式可移動，所述供電系統或為直流電源、或為交流電源，所述充電器的饋電功率不大於500瓦；

所述高壓單元對低壓單元超級電容器組的低壓直流電進行變換後輸出正負電壓均不低於50千伏高壓。

在上述技術中，所述低壓單元包括超級電容器組和串聯諧振電路，所述超級電容器組的輸入端與充電器連接，超級電容器組的輸出端與串聯諧振電路連接。

在上述技術中，所述高壓單元包括從輸入到輸出依次連接的高頻高壓變壓器和高壓整流濾波電路。

在上述技術中，包括控制電路，所述控制電路的控制信號輸出端連接到串聯諧振電路和充電器。

在上述技術中，所述串聯諧振電路與控制電路構成超級電容器組輸出的開關電路。

在上述技術中，所述充電電源的工作過程為：

將充電器與供電系統連接，供電系統通過充電器向低壓單元中的超級電容器組進行充電；

當超級電容器組充電一定時間後，由控制電路檢測超級電容器組中的電壓達到相應的設定值後，控制電路控制充電器停止工作，並控制串聯諧振電路導通；

串聯諧振電路導通後，由超級電容器組經高壓單元中的高頻高壓變壓器進行重頻高壓變換；

高壓整流濾波電路對高頻高壓變壓器輸出的高頻交流高壓電進行整流濾波後輸出充電高壓。

在上述技術中，所述供電系統可以為輸出任意電壓值的直流電源或交流電源。

在上述技術中，所述直流電源或交流電源為可移動電源，或車載電源，或為機載電源。

在上述技術中，經高頻高壓變壓器重頻充電過程中，超級電容器組端電壓不斷降低，充電電流不斷減小，通過實時採樣高壓充電電壓、閉環反饋控制及增加充電時間來保證每個高壓充電脈衝幅值的一致性。

綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是：

從低輸入電功率（可低至數瓦）、輸出高充電電壓（數十千伏甚至百千伏）、可重頻工作角度去關注高壓充電電源的設計，在保證重頻高壓充電的前提下採用了基於超級電容器組的前級低壓儲能技術，使得整個充電電源的輸入電功率大幅度減低；同時進行充電電源各部件及部件間的緊湊性結構設計，使得電源結構大為緊湊，極大縮小了裝置體積。本發明的充電電源可實現高功率脈衝功率源重頻高壓充電，具有快速高電壓充電、重頻穩定運行、體積小、重量輕、低輸入電功率等優點，可應用於高功率微波源技術研究，也可在工業、醫療等脈衝功率技術領域發揮作用，在不同供電功率的供電場合、機動性要求高的場合具有廣泛的應用價值。

附圖說明

本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中：

圖1是本發明的系統框圖；

圖2是本發明的結果示意圖；

其中1是低壓單元的超級電容器組，2是低壓單元的串聯諧振電路，3為高壓單元，包括高壓高頻變壓器和高壓整流濾波部分。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

如圖1所示，低輸入電功率緊湊型重頻高壓充電電源包括低壓單元和高壓單元兩部分，低壓單元由超級電容器組和串聯諧振電路組成，高壓單元由高頻高壓變壓器和高壓整流濾波部分組成。高壓充電電源輸入端（實際電氣連接處為超級電容器組正負端子）外接一可攜式充電器，充電器與供電系統的供電端子連接；高壓充電電源輸出端（實際電氣連接處為高壓整流濾波部分）與高功率脈衝功率源的marx發生器或脈衝形成線連接。充電電源內部依次為超級電容器組、串聯諧振電路、高頻高壓變壓器、高壓整流濾波部分首尾電氣連接。

本發明低輸入電功率緊湊型重頻高壓充電電源的工作原理為：供電系統電能通過可攜式充電器長時間給超級電容器組進行數百伏低壓充電，充好電後充電器停止工作，然後啟動串聯諧振電路進行工作，超級電容器組的電能通過串聯諧振電路、高頻高壓變壓器、高壓整流濾波部分組成的軟開關高壓開關電源輸出數十千伏高壓給脈衝功率源進行高壓充電。在重頻充電過程中，超級電容器組端電壓不斷降低，充電電流不斷減小，通過實時採樣高壓充電電壓、閉環反饋控制及增加充電時間來保證每個高壓充電脈衝幅值的一致性。

本發明由於採用基於超級電容器組的前級低壓儲能技術，使得整個充電電源的輸入電功率大為降低。相對而言，在高功率脈衝功率領域中，通常高壓充電電源的輸入電功率通常大於十千瓦甚至達到百千瓦級，而本發明的充電電源由於採用了前級長時間低壓充電，輸入電功率可低至數百瓦甚至數瓦，極大拓展了本發明充電電源在不同供電場合的應用範圍。

本發明電源採用集成一體化緊湊型結構設計（見圖2），低壓單元的串聯諧振電路擱置於高壓單元的上方，串聯諧振電路各組成部分緊密排列，高壓單元各組成部分在高壓絕緣耐壓限度內亦緊密排布並採用變壓器油絕緣。低壓單元的超級電容器組採用印製電路板結構形式並通過螺釘固定於高壓單元的側面上，印製電路板結構形式減少了電容單體間的連線，同時電容單體及均衡電路均焊接至電路板上。通過上述結構設計，極大地提高了高壓充電電源的的緊湊性。

按照上述思想設計出一個電源，電源最大外輪廓尺寸為360mm×330mm×300mm。超級電容器組由180個額定容量100f、額定電壓2.8v的超級電容器單體串聯組成，其中90個超級電容單體焊接在上層電路板上，另90個超級電容單體焊接在下層電路板上，均衡電路焊接至上、下層電路板上，上、下兩組超級電容組件採用三塊厚度為3mm的環氧玻璃布板進行絕緣與固定。超級電容器組的最大外輪廓尺寸為280mm×280mm×120mm。超級電容器組通過4顆十字槽盤頭螺釘m5×12固定於高壓單元的側面。

高壓單元和低壓單元的串聯諧振電路中間為銅質母板，母板上方為串聯諧振電路，其組成部分控制及低壓電源轉換電路、觸發電路、逆變器、諧振電感、諧振電容從左至右緊密排布。逆變器由兩個1200v/600a的igbt組件組成，諧振電感參數為2.6μh，諧振電容參數為2.0μf。低壓單元的最大外輪廓尺寸為340mm×186mm×73mm。母板下方為高壓單元，單元中的高頻高壓脈衝變壓器、高壓整流濾波部分等部件擱置於矩形變壓器油箱中，高頻高壓脈衝變壓器變比為1:145，設計功率為20kw。高壓單元的最大外輪廓尺寸為355mm×195mm×196mm。

具體工作過程如下：電源通過充電器從28.5vdc供電系統饋電，然後給超級電容器組充電至490vdc，饋電最大電功率小於500w，充電時間小於60s。超級電容器組充電完成後充電器停止工作。然後啟動串聯諧振電路工作，從超級電容器組吸收能量給高功率脈衝源進行重頻（10hz/10個脈衝）高壓充電，正充電電壓和負充電電壓均不小於50kv。

本發明的與現有高壓充電電源的最大區別在於增加了低壓單元，通過控制可以使得利用直流電源低功率的長時間對超級電容器組進行充電，然後通過高壓變換輸出高壓電源，最大的好處就在於本電源可以脫離傳統交流電源（市電）的固定充電方式，可以實現在野外或者車載或者機載以及特殊環境下不具備交流電源（市電）的地方進行工作，極大的提高了適用範圍，極大降低了電源在充電過程中的供電功率。

本發明並不局限於前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。