脉冲电源的设计

模块化电容器脉冲电源的设计模块化电容器脉冲电源的设计 图图 一 原理 脉冲电源在军事 工业 民用中有着广阔的应用前景 以电容器为储能单 元的大 中 率脉冲能源系统将是今后发展的产要方向 现将简明叙述 整个电路基本上由电源滤波单元 异型升压单元 储能电容器组单元 调 节控制单元 触发单元 放电单元 负载单元等七个部分组成 见结构框图 1 词组 IC 电压调节 异型升压电路 真空开关等 1 电源滤波单元部分 XX 型脉冲电源进电是直接取至交流电压 220V 为能提高抗电磁干扰能力必 须经滤波和浪涌吸收电路 脉冲电源在放电瞬间产生很强的电场 有一组小 率的脉冲电源的测试数据 放电电压 U 550V 放电持续时间 t 200uS 电 流 I 600A 加入滤波及浪涌电路其一是滤除电 中的一些不规则的杂波以 提高设备的可靠性 二是将设备自身所产生的电磁干扰降低到最低程度 如果使用场合不具备 220V 交流电 也采用从电瓶取电的方式 见结构框图 2 2 异型升压电路 储能电容器组单元 见图 3 1 由从电容器组 1 主电容器组 1 主电容器组 2 以及 JN X 模块组成整流 升压电路是该设备储能的主要单元 电容 CA1 JN X 构成升压通道向主电容器 组 1 或电容器组 2 进行充电 当储能单元向负载放电时 电容器组与负载可等 效于短路 此时电源通过 JN X 从电容器组与电源形成通路 所以在同一时刻 有两种正常的状态 所以对电 来说是安全的 2 计算充电时间 主电容器组的充电时间计算 由电容充电公式可知 Vt V0 V1 V0 1 exp t RC V0 为电容上的初始电压值 V1 为电容最终可充到或放到的电压值 Vt 为 t 时 刻电容上的电压值 则充电时间为 t RC Ln V1 V0 V1 Vt 我们知道电容器实际放电后其两端会有残余电压的 可设初值为 1 3Vcc 的 电容 C 通过 R 充电 电源值为 Vcc V0 Vcc 3 V1 Vcc Vt 2 Vcc 3 简化后 t RC Ln 1 1 3 1 2 3 RC Ln2 0 693RC 设 电 电压为理想电源 二极管端电压忽略不计 充电回路电阻包括有二 极管内阻 电容器内阻 电路板走线 连接线引起的感抗等 可暂定总回路电 阻为 30 代入数值 t 0 693 1350uF 3 30 0 224532 秒 得 电容两端充至 Vcc2 3 约等于 0 084mS 实际上在选择元器件及设备制作的过程中 降低回路内阻的空间还是很大的 比 如 由于电流较大 可以增加电缆截面或降低材料的电阻率的方法实现 线材采 用铜绞线低阻电缆 连接导线应尽量走直线 以避免形成电感等等 3 估算放电能量 公式 W 1 2 CU2 C 为电容 U 为电压 代入数值 0 5 1350 4 600 2 972 焦耳 由于是模块化设计 当单一模块的放电能量在不能满足需求时 可增加模 块的数量以达到负载的要求 值得注意的是 当运用二级或二级以上电容器组 时 要考虑设备的浪涌电流问题 这可引入一个充电时序的概念 当一级主电 容器的电压充至 U2 3 时 再打开下一级主电容器的充电开关 这样可将浪涌所 造成的危害降至最小 理论计算与实际肯定有一些差距 但作为条件对我们在制作或实验过程中 进行参数修正还是很必要的 4 限制浪涌电流 Vin Vc Rin Vin 输入的最大直流电压 U 1 414 Vc 电容的初始电压 一般设为 0 当然可忽 略桥堆压降 Ri 线路总电阻 包括电源内阻 一般设为 0 输入部分的电感 NTC 冷态阻值 等 设 Ri 4 则浪涌电流 I 220 1 414 4 77 7A 即浪涌电流可控制在 78A 以内 电感量的确定 L Ri 2 F 0 0127mH 3 调节控制单元 调控电路是以运放集成电路 LM339 为单元 给正向输入第 5 脚设定一个窗口 电压 随着充电电压的升高 U2 集电极的内阻逐渐下降 反向输入端电位逐渐上 升 当 VU4 VU5 时 LM339 第 2 脚输出一低电位 可控硅关断 调节电位器 R2 即可控制充电电压 4 触发单元 放电单元 1 触发电路由 R5 R6 R7 Q3 C18 C19 L1 组成触发电路 当 Q3 的控 制极 G 脚得一触发脉冲 Q3 的 A1 与 A2 接通 此时 L1 上的场能将迅速通过 C18 A1 A2 对地释放 由于互感作用 在 L1 的输出端产生一高压 本电路所 设计的高压为 12KV 可满足的于氙气触发 大电流真空管触发等 2 放电单元的控制 由于负载的形式多样 有感性的 容性的 纯阻性的 混合性的 理想的负载当然是电阻类型的 因为它不会涉及到相位的问题 当 选择的是感性负载后 由于储电单元采取的是电容方式的 这就有可能会产生 LC 低频振荡 如果条件具备 LC 自然会产生振荡 它一旦形成其无论强度如何 都将对设备带来严重影响 图中的二极管 D5 D15 是串接在放电回路中的 用二 极管的单向导电的性能破坏其振荡条件 使设备稳定可靠地进行工作 如果负 载是纯电阻类型的 二极管可以不用 对于负载的控制 以现有的技术 负载电流在 200A 以内可考虑选择机械开 关 如果大于 200A 无论从电气性能还是从使用安全上考虑都不易采取人工控制 的方式 一定要选择大电流真空开关 现简单述说一下它的构造 高压大电流 真空放电开关是由阴极 阳极 触发极和瓷质外壳组成 开关腔抽真空后密封 当触发脉冲施加到触发电极时 触发电极表面产生场致使阴极发射自由电子 自由电子在电场作用下加速并轰击阳极 在二次电子发射作用下开关闭合 这 种开关结构简单 易于操作 对触发脉冲的要求不高 使用起来尤为安全 是 大电流控制的理想设备 如果对该设备的制作生产或对 JN X 升压模块感兴趣可拔打邮箱 barp 2002 一 制作 该设备电子电路总的来看不算复杂 按步骤进行 一般本着先简后难的原 则 由于电路是本人设计的 这里我提一些建议 首先是之前的准备工作 1 首先要完备所有的使用工具 检测工具 包括电流互感器 检测放电电流 电压释放工具 如电炉丝等 2 在动态测试时一定要注意人身安全 静态时或进行电路焊接时一定要将所有 电容两端电压释放掉 要养成习惯 3 每一次测量的结果要记录 制作步骤 1 先从图中红框中的步骤一开始 先搭从电容器组 1 主电容器组 1 根据图 中的接线要求并正确做到位 然后将 L R 接入 220V 电源 注意 220V 配电 板中一定要有完备空气开关等过流装置 测量 A B 的电压 大约在 610V 如果没有电压则查检电路接线是否正确 正常情况下只要连线正确 电路即可工作 如果正常则可接入负载进行一次放电 2 第一