《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型超高壓直流等離子體變換器研究
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
張 迪1，2，張東來3，王子才1，張 華2，張 瑩4
1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001； 2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院 電力電子所，廣東 深圳518057； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，廣東 深圳518055； 4.深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司，廣東 深圳518057
摘要： 等離子體高壓電源是等離子體發(fā)生系統(tǒng)中核心關(guān)鍵的組成部分，直接決定等離子體發(fā)生器的性能。傳統(tǒng)的高壓等離子電源具有體積重量大、效率低的特點，無法在航空飛行器有限的體積范圍內(nèi)裝載，這是超高壓產(chǎn)生等離子體方式的難點之一。以超高壓直流電源(UHVDC)為核心，提出了一種新型的多倍壓整流諧振變換器，提高了等離子體電源系統(tǒng)的效率，減少了電源系統(tǒng)的重量和體積，同時解決了高壓保護(hù)的問題，最終通過8 kW輸出功率實驗驗證了方案的有效性，其效率達(dá)90%。
中圖分類號： TM89
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200217
中文引用格式： 張迪，張東來，王子才，等. 一種新型超高壓直流等離子體變換器研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(7)：122-126.
英文引用格式： Zhang Di，Zhang Donglai，Wang Zicai，et al. A novel ultra-high voltage plasma power converter[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(7)：122-126.
A novel ultra-high voltage plasma power converter
Zhang Di1，2，Zhang Donglai3，Wang Zicai1，Zhang Hua2，Zhang Ying4
1.School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China； 2.Power Electronic & Motion Control Center，Shenzhen Academy of Aerospace Technology，Shenzhen 518057，China； 3.Power Electronic & Motion Control Research Center，Harbin Institute of Technology Shenzhen，Shenzhen 518055，China； 4.Market & Strategy Department，Shenzhen Aerospace Dongfanghong HIT Satellite Ltd.，Shenzhen 518057，China
Abstract： High voltage plasma power supply is the key component of plasma generation system, which directly determines the performance. The traditional high voltage plasma power supply has the characteristics of large volume and weight, low efficiency, and cannot be loaded in the limited volume range of aerial vehicles, which is one of the difficulties for generating plasma. In this paper, ultra-high voltage DC power supply(UHVDC)is taken as the core problem, and a novel multi-voltage rectifier resonant converter is proposed, which improves the efficiency, reduces the weight and volume of the power supply system, and solves the problem of high voltage protection. Finally, the system is verified by 8 kW output power experiments, and its efficiency reaches 90%.
Key words : UHVDC；multi-voltage rectifier；LCC；plasma power supply

0 引言

    等離子體的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到航空領(lǐng)域。美國、俄羅斯、歐盟等航天大國對等離子體在航空中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入的研究，等離子體在航空中的應(yīng)用主要集中在飛機(jī)減阻、隱身和提高發(fā)動機(jī)性能上[1-4]。

    等離子體電源系統(tǒng)主要由等離子體發(fā)生器、電源系統(tǒng)、儲供系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。目前，等離子體在航空應(yīng)用中的研究主要集中在等離子體產(chǎn)生機(jī)理、等離子體特征參數(shù)診斷與控制、等離子體發(fā)生器和等離子體電源系統(tǒng)小型化等方面。等離子體電源系統(tǒng)將一次電源轉(zhuǎn)換為超高壓直流電源和等離子體發(fā)生器所需的其他負(fù)偏置電源。與傳統(tǒng)工業(yè)等離子電源不同，航空等離子電源對效率和功率密度提出了極高的要求。面向超高壓變換需求，高升壓比所需的變壓器結(jié)構(gòu)，需要同時兼顧體積和絕緣強(qiáng)度[5-8]。

    在超高壓等離子體電源系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)入x子體電壓達(dá)到幾千伏以上時，受到變壓器絕緣繞組過程、半導(dǎo)體器件和整流電源電壓應(yīng)力的限制，電壓主要通過倍壓整流方式實現(xiàn)，利用增加串聯(lián)倍壓的級數(shù)來補(bǔ)償元件的電壓應(yīng)力[9-12]。

    電壓倍增技術(shù)廣泛應(yīng)用于激光、離子加速器、超高壓電子顯微鏡以及醫(yī)用X射線等高壓小電流的應(yīng)用場合。在變換器內(nèi)部充入SF6實現(xiàn)高壓絕緣，利用單相Cockroft Walton電壓倍增器可實現(xiàn)600 kV/10 mA的超高壓直流輸出，而隨著輸出功率的進(jìn)一步提高，容易導(dǎo)致輸出電壓紋波和輸出電壓跌落，而改進(jìn)型全波Cockroft Walton電壓倍增器實現(xiàn)了600 kV/15 mA的超高壓直流輸出，實現(xiàn)了極高的電壓穩(wěn)定度與極低的輸出電壓紋波[13]。

    為了提高電源的輸出功率并降低系統(tǒng)的體積，本文提出了一種帶有多倍壓整流的新型超高壓諧振功率變換器。




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作者信息:

張  迪1，2，張東來3，王子才1，張  華2，張  瑩4

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；

2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院 電力電子所，廣東 深圳518057；

3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，廣東 深圳518055；

4.深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司，廣東 深圳518057)

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