本發(fā)明涉及高壓電源技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是涉及一種低成本大功率長(zhǎng)脈沖高頂平的高壓脈沖電源。

背景技術(shù)：

大功率長(zhǎng)脈沖高頂平的高壓脈沖電源是一種可廣泛應(yīng)用于國(guó)防、醫(yī)療、環(huán)保等技術(shù)領(lǐng)域的電子設(shè)備，其功率可達(dá)數(shù)兆瓦以上，其脈寬可達(dá)秒級(jí)，且脈沖頂部降落和脈沖頂部紋波都有較嚴(yán)格要求，其充放電過程可單次工作也可連續(xù)重復(fù)工作。傳統(tǒng)大功率長(zhǎng)脈沖高頂平的高壓脈沖電源，一般有兩種做法，第一種做法是用大功率電源直供電，比如輸出一秒鐘3mw的高壓脈沖，就采用3mw的工頻供電電源，經(jīng)整流濾波及開關(guān)直接輸出3mw，這種方式對(duì)供電要求很高；第二種是根據(jù)平均功率來配置供電電源，其電氣結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，這種做法需使用很多高壓儲(chǔ)能脈沖電容器，先給高壓儲(chǔ)能脈沖電容充滿電，然后通過開關(guān)導(dǎo)通讓電容器放電，在電容放電期間也伴隨電源供電輸出以減小電容器電壓降落的幅度，這種方法對(duì)大功率長(zhǎng)脈沖高頂平要求的高壓脈沖電源，不僅需要很大容值的電容來儲(chǔ)存電能，直接造成高壓脈沖電源的制作成本、體積及重量大幅增加大，而且打火放電能量很大，容易對(duì)負(fù)載造成損壞，保護(hù)也很困難。上述兩種做法的制作成本均很高，這也給用戶直接造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有大功率長(zhǎng)脈沖高頂平的高壓脈沖電源的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種低成本大功率長(zhǎng)脈沖高頂平的高壓脈沖電源，本高壓脈沖電源可在滿足功能指標(biāo)的前提下，通過大幅降低高壓儲(chǔ)能電容的容量來大幅降低高壓脈沖電源的制作成本，并提高設(shè)備使用的安全性和可靠性，使用戶用較低的費(fèi)用獲得高性能的高壓脈沖電源。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種低成本大功率長(zhǎng)脈沖高頂平的高壓脈沖電源，它包括主高壓儲(chǔ)能部分和補(bǔ)跌部分，其主高壓儲(chǔ)能部分疊墊有補(bǔ)跌部分；所述主高壓儲(chǔ)能部分包括主高壓儲(chǔ)能充電電源e1、主儲(chǔ)能電容陣列c11～c1m、放電開關(guān)k11～k1m及鉗位旁路二極管d11～d1m，其開關(guān)k1i位于電容c1i的高端與二極管d1i的高端之間；所述補(bǔ)跌部分包括分段補(bǔ)跌部分與段內(nèi)補(bǔ)跌部分，其分段補(bǔ)跌部分包括分段補(bǔ)跌充電電源e2、分段補(bǔ)跌電容陣列c21～c2n、補(bǔ)跌開關(guān)k21～k2n及鉗位旁路二極管d21～d2n，開關(guān)k2i位于電容c2i的高端與二極管d2i的高端之間，其段內(nèi)補(bǔ)跌部包括段內(nèi)補(bǔ)跌充電電源e3、段內(nèi)補(bǔ)跌電容c31和c32、轉(zhuǎn)換開關(guān)k3及鉗位旁路二極管d3，其電容c31和c32與二極管d3的低端之間電連接，其開關(guān)k3輪換將二極管d3的高端與電容c31或電容c32的高端接通，其等效負(fù)載電阻re的uh端電連接在開關(guān)k11與二極管d11之間的連接線上，等效負(fù)載電阻re的ul端電連接在電容c32與二極管d3之間的連接線上。

優(yōu)選的，所述段內(nèi)補(bǔ)跌充電電源e3為高頻充電電源。

進(jìn)一步，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)k3為半導(dǎo)體快速轉(zhuǎn)換開關(guān)。

進(jìn)一步，所述放電開關(guān)k11～k1m為半導(dǎo)體分布開關(guān)。

進(jìn)一步，所述補(bǔ)跌開關(guān)k21～k2n為半導(dǎo)體開關(guān)。

進(jìn)一步，所述的高壓脈沖電源還包括控制器，控制器控制開關(guān)k11～k1m、開關(guān)k21～k2n及開關(guān)k3的通斷。

本發(fā)明的工作原理：是將長(zhǎng)脈沖放電劃分為連續(xù)多段短放電脈沖放電，長(zhǎng)脈沖開始的第一段主高壓儲(chǔ)能部分和段內(nèi)補(bǔ)跌部分開始工作，主高壓儲(chǔ)能部分開關(guān)導(dǎo)通放電電容電壓下降，段內(nèi)補(bǔ)跌電容c31充電電壓同步開始上升，總輸出脈沖電壓恒定，當(dāng)電容c31電壓上升到分段補(bǔ)跌電容c2i的電壓值時(shí)，開關(guān)k3立即從電容c31的高端斷開轉(zhuǎn)接到電壓值為零伏電容c32的高端上，同時(shí)補(bǔ)跌開關(guān)k21閉合導(dǎo)通補(bǔ)足電容c31斷開的電壓值，使分段補(bǔ)跌電容c21與主儲(chǔ)能電容c11串聯(lián)放電，第一段脈沖放電及補(bǔ)跌結(jié)束進(jìn)入第二段。在第二段工作期間，分段補(bǔ)跌電容和主儲(chǔ)能電容串聯(lián)放電電壓下降，段內(nèi)補(bǔ)跌充電電源e3開始給段內(nèi)補(bǔ)跌電容c32充電電壓同步上升，使總輸出電壓恒定，電容c31放電，當(dāng)電容c32電壓上升到補(bǔ)跌電容c2i的電壓值時(shí)，開關(guān)k3立即從電容c32的高端上斷開轉(zhuǎn)接到電壓已經(jīng)放電到零電容c31的高端上，同時(shí)補(bǔ)跌開關(guān)k22閉合導(dǎo)通，補(bǔ)足電容c32斷開的電壓值，分段補(bǔ)跌電容c22也參與主儲(chǔ)能電容的放電，第二段放電結(jié)束進(jìn)入第三段放電，以此類推，直到長(zhǎng)脈沖結(jié)束。

本發(fā)明相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法：

1)明確高壓脈沖電源要求的脈沖電壓um，脈沖功率pm或脈沖電流im，脈沖寬度時(shí)間t，以及客戶能提供的供電電源功率pin，以及脈沖電壓允許跌落值△u；

2)根據(jù)脈沖電流im和供電功率設(shè)計(jì)段內(nèi)補(bǔ)跌電壓值u3，可令i3等于(1.1～2.0)im，須注意段內(nèi)補(bǔ)跌電流i3大及電容c3i越大，脈沖頂部越平滑，但其功率損耗也大；當(dāng)段內(nèi)補(bǔ)跌電流i3確定后，u3=pin/i3，由此可選定段內(nèi)補(bǔ)跌電容c3i的電壓值。該電壓值也是分段補(bǔ)跌部分每組的電容電壓值u2；當(dāng)供電功率比較小時(shí)，選擇放電期間供電電源只為段內(nèi)補(bǔ)跌電容充電；當(dāng)供電功率比較大時(shí)，可綜合考慮選擇段內(nèi)補(bǔ)跌電源的功率，多余功率讓供電電源在主儲(chǔ)能電容c1i放電期間也提供一些能量，可進(jìn)一步減小主儲(chǔ)能電容c1i的值；

3)設(shè)計(jì)選擇分段補(bǔ)跌部分的參數(shù)，首先分段補(bǔ)跌部分每組電壓等于段內(nèi)補(bǔ)跌電壓，每組電壓確定后，分段補(bǔ)跌部分的組數(shù)要綜合考慮選擇；分段補(bǔ)跌部分組數(shù)越多，主儲(chǔ)能電容c1i允許電壓跌落越大，主儲(chǔ)能電容c1i容量越小，但組數(shù)太多會(huì)增加加工難度。對(duì)于脈寬為1秒的長(zhǎng)脈沖，可選擇30～50組。主高壓儲(chǔ)能電容器允許跌落電壓就由規(guī)定的△u變成(30～50)△u。還要考慮總脈寬的時(shí)間與分段補(bǔ)跌部分的組數(shù)及段內(nèi)補(bǔ)跌部分的電壓值；

4)主儲(chǔ)能電容c1i的電容量值設(shè)計(jì)選擇，首先計(jì)算無分段補(bǔ)跌部分及段內(nèi)補(bǔ)跌部分時(shí)，在用戶允許的電壓跌落范圍內(nèi)，it=c△u，c=it/△u；按此傳統(tǒng)公式計(jì)算出的電容值會(huì)很大，價(jià)格很高，體積重量都很大；按本發(fā)明的方案，可考慮取傳統(tǒng)儲(chǔ)能電容容量的1/30～1/50作為主儲(chǔ)能電容c1i的電容容量；

5)主高壓儲(chǔ)能部分的主高壓儲(chǔ)能充電電源e1、主儲(chǔ)能電容c1i及放電開關(guān)k1i，既可以用分組型的，也可用分組分布型的。

與傳統(tǒng)的高壓脈沖電源相比，本發(fā)明有益效果是：

1、本發(fā)明的高壓脈沖電源可在滿足功能指標(biāo)的前提下，大幅降低高壓儲(chǔ)能電容的容量，從而大幅降低高壓脈沖電源的制作成本，降低設(shè)備體積重量，并提高高壓脈沖電源使用的安全性和可靠性，使用戶用較低的費(fèi)用獲得高性能的高壓脈沖電源；

2、本發(fā)明的高壓脈沖電源還能在滿足功能指標(biāo)的前提下提高脈沖電源的功能指標(biāo)，使脈沖頂部電壓無跌落，且脈沖頂部更平滑；

3、本發(fā)明的高壓脈沖電源，由于大幅降低高壓儲(chǔ)能電容的儲(chǔ)存能量，在負(fù)載發(fā)生打火時(shí)更容易保護(hù)，因此提高了高壓脈沖電源的安全性；

4、對(duì)于主高壓儲(chǔ)能部分的主高壓儲(chǔ)能充電電源、主儲(chǔ)能電容及放電開關(guān)采用分組分布型的高壓脈沖電源，由于在設(shè)計(jì)主高壓儲(chǔ)能部分的組數(shù)和分段補(bǔ)跌部分的組數(shù)時(shí)采取了多組冗余組數(shù)設(shè)計(jì)，并且在每組都采取了故障隔離措施，當(dāng)其中一組或多組發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備仍能正常工作，故提高了高壓脈沖電源運(yùn)行的可靠性。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)大功率長(zhǎng)脈沖高頂平的高壓脈沖電源電氣結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的電氣結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明主儲(chǔ)能電容的脈沖波形；

圖4為本發(fā)明分段補(bǔ)跌的脈沖波形；

圖5為本發(fā)明段內(nèi)補(bǔ)跌的電壓波形圖；

圖6為本發(fā)明的脈沖波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

實(shí)施列：

參見圖2至圖6，本發(fā)明的高壓脈沖電源，它包括主高壓儲(chǔ)能部分和補(bǔ)跌部分，其主高壓儲(chǔ)能部分疊墊有補(bǔ)跌部分；所述主高壓儲(chǔ)能部分包括主高壓儲(chǔ)能充電電源e1、主儲(chǔ)能電容陣列c11～c1m、放電開關(guān)k11～k1m及鉗位旁路二極管d11～d1m，其開關(guān)k1i位于電容c1i的高端與二極管d1i的高端之間；所述補(bǔ)跌部分包括分段補(bǔ)跌部分與段內(nèi)補(bǔ)跌部分，其分段補(bǔ)跌部分包括分段補(bǔ)跌充電電源e2、分段補(bǔ)跌電容陣列c21～c2n、補(bǔ)跌開關(guān)k21～k2n及鉗位旁路二極管d21～d2n，開關(guān)k2i位于電容c2i的高端與二極管d2i的高端之間，其段內(nèi)補(bǔ)跌部包括段內(nèi)補(bǔ)跌充電電源e3、段內(nèi)補(bǔ)跌電容c31和c32、轉(zhuǎn)換開關(guān)k3及鉗位旁路二極管d3，其電容c31和c32與二極管d3的低端之間電連接，其開關(guān)k3輪換將二極管d3的高端與電容c31或電容c32的高端接通，其等效負(fù)載電阻re的uh端電連接在開關(guān)k11與二極管d11之間的連接線上，等效負(fù)載電阻re的ul端電連接在電容c32與二極管d3之間的連接線上。所述段內(nèi)補(bǔ)跌充電電源e3為高頻充電電源。所述轉(zhuǎn)換開關(guān)k3為半導(dǎo)體快速轉(zhuǎn)換開關(guān)。所述放電開關(guān)k11～k1m為半導(dǎo)體分布開關(guān)。所述補(bǔ)跌開關(guān)k21～k2n為半導(dǎo)體開關(guān)。所述的高壓脈沖電源還包括控制器，控制器控制開關(guān)k11～k1m、開關(guān)k21～k2n及開關(guān)k3的通斷。

當(dāng)需要對(duì)等效負(fù)載電阻re施加脈沖電壓um為55kv、脈沖電流im為45a、脈沖寬度時(shí)間t為1s，頂降要求小于1%的高壓脈沖電源時(shí)。如采用傳統(tǒng)大功率長(zhǎng)脈沖高頂平的高壓脈沖電源，其高壓儲(chǔ)能脈沖電容器c需用82000μf才能滿足1%的頂降要求；如采用本發(fā)明的高壓脈沖電源，其分段補(bǔ)跌部分分39組，其段內(nèi)補(bǔ)跌部分分40段，其主儲(chǔ)能電容c1i只需用2000μf就可完全滿足的頂降要求，甚至頂降可控制在0.1%內(nèi)。

上述僅為本發(fā)明的一種實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改等同替換和改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。