高壓電源在脈沖功率技術領域的應用

前言

脈沖功率技術又稱高功率脈沖技術，它是一個研究在相對較長時間里把能量儲存起來，然后經過快速壓縮、轉換，最后有效釋放給負載的新興領域技術。脈沖功率技術是高壓電源重要的應用領域之一，本文將簡要介紹脈沖功率領域的常用技術，同時談談高壓電源在脈沖功率系統應用中容易產生損壞的風險及其防護。

更新歷史

2019年8月21日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉載注明出處）
閱讀原文 - http://www.sztoxda.net/class/41

脈沖功率系統的介紹

廣義上脈沖功率系統應用非常廣泛，比如用錘子釘釘子就是一個小型的脈沖功率系統，利用重力或手腕的力量使錘子加速，撞擊到釘子時錘子的速度在短時間之內降低為0，就需要一個非常大的力提供錘子的加速度，釘子也受到同樣大的反作用力被硬生生的塞進木頭里。

相對長時間儲能，短時間釋放的系統都可以稱之為脈沖功率系統，脈沖功率系統廣泛存在與自然界和我們的生活中，例如：閃電、釘釘子、劈柴等等。工業上應用的破碎錘、震動打樁機等等都可以簡化為脈沖功率的模型。接下來談到的是脈沖功率技術在電學方面的應用，利用電壓轉換裝置將市電的能量轉移到電容器或者電感中儲存起來，儲存的能量通過脈沖放電得到高功率脈沖，再有效的釋放給負載。

脈沖功率系統的儲能方式

脈沖功率技術的能量儲存有許多形式，包括：電容儲能、電感儲能、機械儲能、化學儲能等，其中比較常用的是電容儲能。

雖然從儲能效率上來講電感儲能要優于電容儲能，但是電感儲能需要的脈沖放電開關是斷路開關，斷路開關的理論及技術均比閉合開關復雜其成熟度及應用的廣泛性目前都不如電容儲能系統。

插一句題外話：關于未來能源“受控熱核聚變”我公司也有一些接觸，未來有時間可以將現階段常用的技術及進展與大家分享。海伏課堂有一篇文章氰化氫（HCN）激光器電源應用就是應用于磁約束核聚變系統中。

在中小型脈沖功率系統中，常用的是電容儲能，海伏科技生產的大功率高壓電源（高壓充電機）超過80%都應用于電容充電和脈沖功率系統中。

電容儲能脈沖功率系統的關鍵技術有以下幾點：

• 能量的轉換和存儲
• 開關技術
• 功率脈沖的進一步陡化
• 功率脈沖的負載及測量技術

儲能電容的分類

作為儲能元件的脈沖電容和一般電容器不同，除對電容器的一般要求外，主要要求是低電感、長壽命、高出能密度、允許大電流放電（接近短路）和重復頻率運行等。適合作為脈沖電容器的電容類型一般有3種。

圖1：脈沖功率系統儲能電容 陶瓷電容

• 陶瓷電容：適合小容值大電流放電；
• 金屬箔電容（油浸）：傳統的脈沖電容；
• 金屬化薄膜電容：近年來發展起來的具有能量密度高軟失效等優點，同等容量下體積更小，但是放電電流弱于金屬箔電容。

儲能電容需要根據系統的需求選取合適的電容，這里暫不展開介紹，有疑問可以咨詢海伏科技的工程師，將來海伏課堂中會寫一篇介紹這三種電容器的實現原理及工藝的文章，請持續關注海伏科技。

電容充電電源與普通高壓電源的區別

電容充電電源是脈沖功率系統中能量的來源，它將市電單相220V或三相380V的交流電轉化為直流高壓電存儲在電容中。

圖2：海伏科技 R15 電容充電電源

1. 電容器在不帶電時兩端的電壓為 0，充滿電之后電壓常見的中小型脈沖功率系統儲能電壓在 5-40kV 之間。對于大容量電容來說，剛開始充電的階段電容兩端是近似短路的狀態，電壓為 0，這就要求電容充電機的輸出電壓可以從0起調，允許長時間短路運行。

2. 儲能電容在放電時電壓由幾十千伏，瞬間跌落至 0 ，所以高壓充電機也應該有輸出中應對突然短路的能力。對于某些高頻放電應用，充電機內部的儲能必須足夠小，這樣高壓輸出頻繁的短路對充電機本身的沖擊也會減小。可以提高放電的頻率。

3. 電容充電電源在充電過程中電壓是線性上升的，用常規直流源充電會有過沖的問題，所以必須在電壓達到設定值時立刻停止輸出，為了保證每次試驗數據一致充電重復精度也是一個比較重要的指標。

4. 強流脈沖系統在放電時電流可達到幾十 kA 甚至幾百 kA 量級，在這樣的強放電場合下產生的電磁干擾是不可忽視的，尤其是對控制系統的影響，所以電容充電機最好能配備光通信接口。

為了適配脈沖功率系統，海伏科技全新開發的電容充電電源采用全數字化控制電路，直流與電容充電通用，重復精度優于 0.1% ，并且為了提升控制系統的抗干擾能力控制上采用全光纖方案，并且開發了USB轉光纖的適配器。

相關產品：

• R2 系列2kW直流、電容充電一體化高壓電源
• R15系列15kW直流、電容充電一體化高壓電源
• HVU2F系列 USB串口光纖轉換器

后續

由于篇幅的限制，關于脈沖功率系統常用的典型電路和脈沖前沿的陡化技術，以及充電機的保護電路、測試波形的采集等這里暫時不展開討論。后續將會在 海伏課堂 繼續介紹，海伏課堂 會定期發布一些高壓電源領域的技術干貨，是海伏科技工程師從業以來技術分享平臺，希望對您有所幫助，請持續關注，謝謝！

參考資料

[1]邱愛慈. 脈沖功率技術應用[M]. 陜西科學技術出版社, 2016
[2]韓旻等編著.脈沖功率技術基礎[M].清華大學出版社,2010:205.