留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

时基反馈控制的Tesla变压器初级电源

乔汉青 樊亚军 夏文锋 张兴家 卢彦雷 关锦清

李天一, 孟维思, 潘攀, 等. 0.8 THz再生反馈振荡器的仿真模拟研究[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31: 123101. doi: 10.11884/HPLPB201931.190372
引用本文: 乔汉青, 樊亚军, 夏文锋, 等. 时基反馈控制的Tesla变压器初级电源[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30: 085005. doi: 10.11884/HPLPB201830.170526
Li Tianyi, Meng Weisi, Pan Pan, et al. Study of 0.8 THz regenerative feedback oscillators[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 123101. doi: 10.11884/HPLPB201931.190372
Citation: Qiao Hanqing, Fan Yajun, Xia Wenfeng, et al. Time-base feedback controlled primary source of Tesla transformer[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 085005. doi: 10.11884/HPLPB201830.170526

时基反馈控制的Tesla变压器初级电源

doi: 10.11884/HPLPB201830.170526
详细信息
    作者简介:

    乔汉青(1986—), 男, 博士研究生, 主要从事脉冲功率技术研究; qiaohanqing@nint.ac.cn

  • 中图分类号: TM89

Time-base feedback controlled primary source of Tesla transformer

  • 摘要: LC谐振充电是Tesla变压器常用的初级电容充电技术,但存在对控制时序要求高、易受电磁干扰和不具备故障保护能力等缺陷。针对这个问题,提出了一种时基反馈控制的LC谐振充电电源。该电源与传统LC谐振电源的主要区别在于,采用特殊设计的时基反馈电路取代多路时基控制器,将能量回收开关反向阻断瞬间的电压突变调制为谐振晶闸管触发信号,从而在能量回收结束时刻启动谐振充电,实现各工作回路准确按照预定时序运行。时基反馈电路由高压元件构成,不易受电磁干扰,且在原理上具备负载短路保护能力。该技术已经应用于CKP1000,CKP5000等多台Tesla型超宽谱脉冲源。实验结果表明,在强脉冲辐射环境下,该电源能够1000 Hz重频稳定运行,且能够在Tesla变压器初级短路故障时进行快速自动保护。
  • Tesla变压器具有紧凑、重复频率高等优点,广泛应用于高功率微波驱动源、电磁脉冲辐射源等领域[1-3]。初级充电电源是Tesla型脉冲功率源的重要部件,主要用于给Tesla变压器初级储能电容器充电,满足系统重复频率运行时对初级能源的需求。LC谐振充电是Tesla变压器常用的初级充电技术[4-6],普遍应用于国内外研制的Tesla型脉冲功率源。LC谐振充电的主要原理是大容量储能电容通过谐振电感向小容量负载电容充电,以获得倍压效果。由于Tesla变压器初级电压一般为几百V到kV,LC谐振充电的储能电容可直接用市电整流滤波供电,谐振充电开关和能量回收开关可采用单级晶闸管,因而电源体积比高电压应用[7-8]时大大缩小,整体功率密度可媲美高频谐振充电电源[9],但成本和复杂度都比后者低得多。LC谐振充电电源给Tesla初级电容重复频率充电时,需要采用多路时基控制器对初级放电、能量回收和谐振充电等三个回路的工作时序进行严格控制[6, 10-11]。如果因强电磁干扰等因素,导致多路触发时序紊乱可能出现严重的后果[12],如充电电压过高、电源“连通”短路等。此外,LC谐振充电电源本身不具备输出短路保护机制,如果发生Tesla变压器初级短路等故障,很可能导致全系统大范围烧毁。针对LC谐振充电的上述缺陷,本文提出了一种时基反馈控制的谐振充电电源,采用特殊设计的时基反馈电路取代多路时基控制器,对谐振充电进行自动触发控制,提高了抗电磁干扰能力,同时具有负载短路保护功能。

    典型的LC谐振充电电源原理如图 1所示。它包括前级直流电源HV、储能电容器C1、谐振电感L1、谐振晶闸管S1、回收电感L2、回收晶闸管S2、多路时基控制器、负载电容器C2等。其中,前级直流电源HV为市电整流滤波,给储能电容器C1供电。C1-L1-S1-C2构成了谐振充电回路,C2-L2-S2构成了能量回收回路。S3为Tesla初级放电晶闸管。多路时基控制器有三个触发端口CH1~CH3

    图  1  典型LC谐振电源原理图
    Figure  1.  Principle of typical LC resonance capacity charging power supply (CCPS)

    CH3首先触发S3,C2迅速向Tesla初级回路放电,放电剩余电压一般为负极性。然后,CH2触发S2,启动能量回收过程,C2L2之间发生LC谐振。半个振荡周期后,回收电流过零,S2自然关断,能量回收过程结束。此时,C2电压由负极性翻转为正极性。最后,CH1触发S1,启动谐振充电过程,C1-L1-C2之间发生LC谐振,即储能电容C1通过谐振电感L1向负载电容C2充电。半个振荡周期后,谐振电流过零,S1自然关断,谐振充电结束,初级电容C2被充到预定电压。

    由上述分析可以看出,基于LC谐振充电的Tesla初级电源需要三路触发信号,而且各触发信号必须按照严格的相对时序依次输出。如果因人为操作错误或者强电磁干扰等因素(Tesla变压器一般工作在恶劣电磁环境下),导致多路时基控制器输出的各触发脉冲时序出现偏差,将可能出现严重的后果。比如,如果CH1与CH2之间的相对延时小于正常值,那么谐振充电过程启动过早,将会导致充电电压过高,危及到开关器件的安全,甚至导致脉冲源内部击穿。又比如,如果在谐振充电还没结束的时候,CH3就已经触发S3放电,那么由于S1和S3都处于导通状态,电源将出现整体性的“连通”短路,往往造成全系统大范围烧毁。此外,LC谐振充电电源本身不具备输出短路保护机制,如果发生了负载短路故障,如Tesla初级放电晶闸管S3烧毁或者初级电容C2击穿,那么也同样会使得电源整体性“连通”短路,造成严重后果。

    提出的时基反馈控制的LC谐振充电电源如图 2所示。与典型LC谐振充电电源不同的是,原回收晶闸管S2改为回收二极管D2,原谐振充电晶闸管S1保留,但S1不再由多路时基控制器触发控制,而是由特殊设计的时基反馈电路进行自动触发控制。该时基反馈电路由隔直电容C3、限流电阻R1、隔离变压器T1、泄放二极管D1等组成,其功能是在C2-L2-D2能量回收过程结束时刻,自动在T1的次级产生幅值和脉宽都合适的触发信号,去触发谐振晶闸管S1

    图  2  时基反馈控制的LC谐振电源的原理图
    Figure  2.  Principle of time-base feedback controlled LC resonance CCPS

    图 3给出了该电源主要节点波形示意图,其中u2为初级电容C2电压,uD2为回收二极管两端电压,itri为T1次级输出的晶闸管触发电流。初级电容C2放电后的初始剩余电压为-Ur,回收二极管D2正向导通,C2-L2-D2能量回收过程自动启动。在能量回收过程中,uD2很小,从而D2将T1的初级短路,即T1初级没有电流流过。半个振荡周期后(td时刻),C2电压u2由-Ur翻转为+Ur,D2反向阻断,能量回收过程结束。此时,C2-L2-D2回路立即切换为C2-T1-R1-C3-L2回路。在C2正极性电压驱动下,C2-T1-R1-C3-L2回路中产生快速上升的电流脉冲。经过变压器耦合作用,T1次级输出快速电流脉冲itri,去触发谐振晶闸管S1,启动谐振充电过程。相应的谐振晶闸管S1触发延时为

    td=πL2C2
    (1)
    图  3  时基反馈的谐振充电电源节点波形示意图
    Figure  3.  Waveform of time-base feedback controlled LC resonance CCPS

    时基反馈电路各元器件的作用是:R1限制触发脉冲幅值,C3限制触发脉冲宽度,T1对触发脉冲进行隔离和调制,D1C3储存的能量提供泄放通道。设T1的变比为n。一般C2C3R1远大于晶闸管门极等效电阻。为了避免触发电流振荡,并考虑到尽可能提供较大的触发电流,C2-T1-R1-C3-L2回路一般可设计为临界阻尼或者接近临界阻尼的过阻尼状态,即R12L2/C3。于是,时基反馈电路产生的itri的峰值、半高宽、初始上升率分别约为

    ip=αUrC3/L2/ne,τ=βeC3L2,ditr/dt=Ur/nL2
    (2)

    式中:αβ是阻尼修正因子;Ur是初级电容初始反向电压。对于临界阻尼,α≈1,β≈1。通过选择合适的隔离电容C3、限流电阻R1和隔离变压器T1变比n,可以获得幅值为安培级、半高宽为10 μs级,且具有足够初始上升率的触发电流,从而驱动谐振晶闸管S1

    时基反馈电路提供了稳定的触发延时,保证了电源各工作回路相对时序的正确性。与多路时基控制器相比,其电路结构简单,且都是高压元件,因而抗电磁干扰较强。进一步分析发现,该时基反馈控制的谐振充电电源具有负载短路故障保护能力:如果发生了负载短路故障,如Tesla初级放电晶闸管S3烧毁或者初级电容C2击穿,那么回收二极管D2两端电压迅速降到零,时基反馈电路因缺乏能量而无法产生触发信号,从而谐振晶闸管S1保持关断状态,谐振充电停止,从而防止了电源发生“连通”故障,避免短路电流烧毁系统其他部分。

    时基反馈控制LC谐振充电电源已应用于CKP1000,CKP5000等多台Tesla型超宽谱脉冲源。以CKP1000超宽谱脉冲源为例,其Tesla变压器初级电容C2=80 μF,初级充电电压U0≈700 V;前级直流源HV采用三相市电全桥整流,储能电容C1=5 mF,储能电压U1=540~580 V;谐振电感L1=350 μH,回收电感L2=85 μH。根据式(2),为获得合适的谐振晶闸管触发电流,选取隔直电容C3=0.22 μF,限流电阻R1=50 Ω,隔离变压器T1变比为1∶1。

    图 4给出了电源工作波形,其中CH1是初级电容C2充电电压波形,CH2是谐振充电电流波形,CH3是时基反馈电路输出电流波形。可以看出,初级电容电压从约-450 V充电到约+700 V,总充电时间约820 μs,其中0~260 μs为能量回收阶段,td=260 μs时刻时基反馈电路给出谐振触发信号,260~820 μs为谐振充电阶段,谐振电流峰值65 A。图 5是时基反馈电路输出电流的放大波形,幅值5.6 A,上升率5 A/μs,半高宽12 μs,满足谐振晶闸管强触发要求。

    图  4  电源工作波形
    Figure  4.  Waveforms of the CCPS
    图  5  时基反馈电路输出电流
    Figure  5.  Output current of the feedback circuit

    图 6给出了CKP1000超宽谱脉冲源1000 Hz工作时,初级电源输出电压电流波形。由于时基反馈电路采用高压元件,因而基本不需特别电磁加固措施,就能可靠工作在超宽谱脉冲辐射条件下。图 7给出了Tesla初级回路发生短路故障时,电源的输出电压(CH1)、谐振充电电流(CH2)和时基反馈电路输出电流(CH3)的波形。可以看到,最后一炮时发生负载短路故障,电源输出电压迅速降为零,时基反馈电路立即停止输出触发脉冲,电源停止了谐振充电,电路中不再有电流,从而实现了负载短路故障保护。

    图  6  电源1000 Hz重频波形
    Figure  6.  Waveform of the CCPS with repetition rate of 1000 Hz
    图  7  电源短路故障保护波形
    Figure  7.  Waveform of output short-circuit protection

    基于LC谐振充电的Tesla初级电源存在时序控制要求高、易受电磁干扰、不具备负载短路保护能力等缺陷。为此,提出了一种时基反馈控制的Tesla初级电源,对谐振充电进行自动触发控制,以实现各回路的正确工作时序。时基反馈电路结构简单,抗电磁干扰能力强,且能够在负载发生短路故障时自动停止充电。该技术已经应用于CKP1000,CKP5000等多台Tesla型超宽谱脉冲源。实验结果表明,在强脉冲辐射环境下,该电源能够以1000 Hz重频稳定运行,且能够在Tesla变压器初级短路故障时进行自动保护。

  • 图  1  典型LC谐振电源原理图

    Figure  1.  Principle of typical LC resonance capacity charging power supply (CCPS)

    图  2  时基反馈控制的LC谐振电源的原理图

    Figure  2.  Principle of time-base feedback controlled LC resonance CCPS

    图  3  时基反馈的谐振充电电源节点波形示意图

    Figure  3.  Waveform of time-base feedback controlled LC resonance CCPS

    图  4  电源工作波形

    Figure  4.  Waveforms of the CCPS

    图  5  时基反馈电路输出电流

    Figure  5.  Output current of the feedback circuit

    图  6  电源1000 Hz重频波形

    Figure  6.  Waveform of the CCPS with repetition rate of 1000 Hz

    图  7  电源短路故障保护波形

    Figure  7.  Waveform of output short-circuit protection

  • [1] 石磊, 朱郁丰, 卢彦雷, 等. 紧凑Tesla变压器型纳秒脉冲源[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26: 125001. doi: 10.11884/HPLPB201426.125001

    Shi Lei, Zhu Yufeng, Lu Yanlei, et al. Compact GW nanosecond pulse generator based on Tesla transformer. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26: 125001 doi: 10.11884/HPLPB201426.125001
    [2] 彭建昌, 苏建仓, 宋晓欣, 等. 40 GW重复频率脉冲驱动源研制进展[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(4): 712-716. http://www.hplpb.com.cn/article/id/4717

    Peng Jianchang, Su Jiancang, Song Xiaoxin, et al. Progress on a 40 GW repetitive pulsed accelerator. High Power Laser and Particle Beams, 2010, 22(4): 712-716 http://www.hplpb.com.cn/article/id/4717
    [3] Rishi V, Anurag S, Tushar P, et al. Short pulse high power microwave generation from an axially extracted virtual cathode oscillator[C]//Proc of the 2011 IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). 2011: 491-492.
    [4] Mesyats G A, Korovin S D, Rostov V V, et al. The RADAN series of compact pulsed power generators and their applications[C]//Proc of the 2004 IEEE Pulsed Power Conference. 2004: 1166-1179.
    [5] 樊亚军. 高功率亚纳秒电磁脉冲产生[D]. 西安: 西安交通大学, 2004.

    Fan Yajun. Generation of high power sub-nanosecond electromagnetic pulses. Xi'an: Xi'an Jiaotong University, 2004
    [6] Gubanov V P, Korovin S D, Pegel I V, et al. Compact 1000 pps high-voltage nanosecond pulse generator[J]. IEEE Trans Plasma Science, 1997, 25(2): 258-265.
    [7] Soung S P, Sang H K, Sung C K, et al. Operational status and stability improvement of klystron-modulator system for PAL 2.5-GeV electron linac[C]//Proc of the 27th International Power Modulator Symposium. 2006: 298-301.
    [8] Jiang W H, Matsuda T, Yatsui K, et al. High repetition-rate, low jitter pulsed power generator for excimer laser applications[C]//Proc of the 25th International Power Modulator Symposium and High-Voltage Workshop. 2002: 605-607.
    [9] 李伟, 刘庆想, 张政权, 等. 基于高频交流链接技术的大功率高压直流电源[J]. 电力电子技术, 2016, 41(16): 65-71. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DGJS201616009.htm

    Li Wei, Liu Qing-xiang, Zhang Zhengquan, et al. High power high voltage DC power supply based on series-resonant high frequency AC link technology. Power Electronics, 2016, 41(16): 65-71 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DGJS201616009.htm
    [10] 张自成, 张建德, 杨汉武, 等. 脉冲功率加速器重频运行的稳压理论分析[J]. 强激光与粒子束, 2008, 22(9): 1580-1584. http://www.hplpb.com.cn/article/id/3678

    Zhang Zicheng, Zhang Jiande, Yang Hanwu, et al. Stability theory in repetitive mode for compact accelerator. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 22(9): 1580-1584 http://www.hplpb.com.cn/article/id/3678
    [11] 陈俊, 杨建华, 舒挺, 等. 储能电容方式驱动强流脉冲加速器重频运行[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(8): 1405-1408. http://www.hplpb.com.cn/article/id/3637

    Chen Jun, Yang Jianhua, Shu Ting, et al. Primary power supply of repetitive pulsed intense current accelerator charged by capacitance of energy store. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(8): 1405-1408 http://www.hplpb.com.cn/article/id/3637
    [12] 李亚维, 邓建军, 谢敏, 等. 800 kV/100 Hz高功率微波驱动电源控制系统[J]. 高电压技术, 2009, 35(6): 1426-1429. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GDYJ200906033.htm

    Li Yawei, Deng Jianjun, Xie Min, et al. Control system of 800 kV/100 Hz high power microwave power supply. High Voltage Engineering, 2009, 35(6): 1426-1429 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GDYJ200906033.htm
  • 期刊类型引用(3)

    1. 王冠文,陈锦晖,霍丽华,刘鹏,王磊,史晓蕾,段哲,施华,吴官健,翟心哲. HEPS增强器凸轨磁铁脉冲电源的设计与实现. 强激光与粒子束. 2024(02): 104-108 . 本站查看
    2. 杨少杰,王邦继,李伟,刘庆想. 一种带有升压结构的LC充电电源的设计. 强激光与粒子束. 2023(08): 148-153 . 本站查看
    3. 李伟. 脉冲功率系统中能量回收电路的改进. 强激光与粒子束. 2019(05): 49-54 . 本站查看

    其他类型引用(1)

  • 加载中
图(7)
计量
  • 文章访问数:  1285
  • HTML全文浏览量:  329
  • PDF下载量:  165
  • 被引次数: 4
出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-27
  • 修回日期:  2018-05-07
  • 刊出日期:  2018-08-15

目录

/

返回文章
返回