基于Marx的全固态倍频高压脉冲电源技术的研究

作     者：赵宽祥 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘宏勋

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：高压脉冲 Marx电路 单级双开关 现场可编程逻辑门阵列 

摘      要：高压脉冲电源是通过储能元件或脉冲变压器在高压直流基础上利用开关电路输出脉冲幅度、宽度和频率可调的一种高压电源。随着高压脉冲电源在军事、医疗、工业等领域的广泛应用,对脉冲参数有了新的应用需求,高电压、高功率不再是唯一的追求目标,灵活的运行模式和高重复频率成为了更重要的发展方向。本文基于上述发展方向提出了一种基于Marx的全固态倍频高压脉冲电源方案。本文概述了高压脉冲电源的国内外发展和研究现状以及主要成果。在此基础上,对高压脉冲电源的供电单元、脉冲形成电路的拓扑结构、储能方式、脉冲形成电路的开关选择和控制方式进行了研究。首先针对高压脉冲电源的供电单元,如何更加契合脉冲形成电路充电过程中的快速性和稳定性要求进行了研究。通过MATLAB/Simulink仿真软件分析对比了LLC和LCC串并联谐振变换器的电压增益、电流增益,结果表明恒流输出的LCC谐振变换器更适合作为Marx型全固态高压脉冲电源的供电单元。其次针对脉冲形成电路的拓扑结构及储能方式,对比了现阶段几种常见的高压脉冲实现方式:脉冲变压器法、多电平变换法、Marx电路等。发现Marx电路是一种不需要高压输入和脉冲变压器的脉冲形成电路,其结构简单且易于控制。本文通过对传统的Marx电路拓扑进行改进,并对改进后的结构进行充放电建模分析,提出采用无感电容储能的单级双开关结构Marx电路,相对于传统Marx电路的单一运行模式,单级双开关结构的Marx电路可实现三种模态运行。通过仿真和实验样机验证该电路结构多模态运行方式的可行性。然后针对脉冲形成电路的开关选择及其控制方式,分析对比了目前市场商业化的功率金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)及二级管模块的参数和控制方式。选用的方案为采用IGBT作为其开关管,使用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)产生相对独立的控制信号。本文最后搭建了三级低压实验样机,包括FPGA的Verilog语言编程和上板验证,分析了三种工作模态及其部分IGBT故障条件下的工作情况。实验结果验证了理论分析的正确性和有效性,实现了基于Marx的全固态倍频脉冲电源输出负载倍频、工作方式灵活的目标。