前言

脈沖功率技術(shù)又稱(chēng)高功率脈沖技術(shù)，它是一個(gè)研究在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間里把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，然后經(jīng)過(guò)快速壓縮、轉(zhuǎn)換，最后有效釋放給負(fù)載的新興領(lǐng)域技術(shù)。脈沖功率技術(shù)是高壓電源重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，本文將簡(jiǎn)要介紹脈沖功率領(lǐng)域的常用技術(shù)，同時(shí)談?wù)劯邏弘娫丛诿}沖功率系統(tǒng)應(yīng)用中容易產(chǎn)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)及其防護(hù)。

更新歷史

2019年8月21日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉(zhuǎn)載注明出處）
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脈沖功率系統(tǒng)的介紹

廣義上脈沖功率系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，比如用錘子釘釘子就是一個(gè)小型的脈沖功率系統(tǒng)，利用重力或手腕的力量使錘子加速，撞擊到釘子時(shí)錘子的速度在短時(shí)間之內(nèi)降低為0，就需要一個(gè)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(jìn)木頭里。

相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能，短時(shí)間釋放的系統(tǒng)都可以稱(chēng)之為脈沖功率系統(tǒng)，脈沖功率系統(tǒng)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(yè)上應(yīng)用的破碎錘、震動(dòng)打樁機(jī)等等都可以簡(jiǎn)化為脈沖功率的模型。接下來(lái)談到的是脈沖功率技術(shù)在電學(xué)方面的應(yīng)用，利用電壓轉(zhuǎn)換裝置將市電的能量轉(zhuǎn)移到電容器或者電感中儲(chǔ)存起來(lái)，儲(chǔ)存的能量通過(guò)脈沖放電得到高功率脈沖，再有效的釋放給負(fù)載。

脈沖功率系統(tǒng)的儲(chǔ)能方式

脈沖功率技術(shù)的能量?jī)?chǔ)存有許多形式，包括：電容儲(chǔ)能、電感儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能等，其中比較常用的是電容儲(chǔ)能。

雖然從儲(chǔ)能效率上來(lái)講電感儲(chǔ)能要優(yōu)于電容儲(chǔ)能，但是電感儲(chǔ)能需要的脈沖放電開(kāi)關(guān)是斷路開(kāi)關(guān)，斷路開(kāi)關(guān)的理論及技術(shù)均比閉合開(kāi)關(guān)復(fù)雜其成熟度及應(yīng)用的廣泛性目前都不如電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。

插一句題外話：關(guān)于未來(lái)能源“受控?zé)岷司圩儭蔽夜疽灿幸恍┙佑|，未來(lái)有時(shí)間可以將現(xiàn)階段常用的技術(shù)及進(jìn)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(yīng)用就是應(yīng)用于磁約束核聚變系統(tǒng)中。

在中小型脈沖功率系統(tǒng)中，常用的是電容儲(chǔ)能，海伏科技生產(chǎn)的大功率高壓電源（高壓充電機(jī)）超過(guò)80%都應(yīng)用于電容充電和脈沖功率系統(tǒng)中。

電容儲(chǔ)能脈沖功率系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點(diǎn)：

• 能量的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)
• 開(kāi)關(guān)技術(shù)
• 功率脈沖的進(jìn)一步陡化
• 功率脈沖的負(fù)載及測(cè)量技術(shù)

儲(chǔ)能電容的分類(lèi)

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

圖1：脈沖功率系統(tǒng)儲(chǔ)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(tǒng)的脈沖電容；
• 金屬化薄膜電容：近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的具有能量密度高軟失效等優(yōu)點(diǎn)，同等容量下體積更小，但是放電電流弱于金屬箔電容。

儲(chǔ)能電容需要根據(jù)系統(tǒng)的需求選取合適的電容，這里暫不展開(kāi)介紹，有疑問(wèn)可以咨詢海伏科技的工程師，將來(lái)海伏課堂中會(huì)寫(xiě)一篇介紹這三種電容器的實(shí)現(xiàn)原理及工藝的文章，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注海伏科技。

電容充電電源與普通高壓電源的區(qū)別

電容充電電源是脈沖功率系統(tǒng)中能量的來(lái)源，它將市電單相220V或三相380V的交流電轉(zhuǎn)化為直流高壓電存儲(chǔ)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(shí)兩端的電壓為 0，充滿電之后電壓常見(jiàn)的中小型脈沖功率系統(tǒng)儲(chǔ)能電壓在 5-40kV 之間。對(duì)于大容量電容來(lái)說(shuō)，剛開(kāi)始充電的階段電容兩端是近似短路的狀態(tài)，電壓為 0，這就要求電容充電機(jī)的輸出電壓可以從0起調(diào)，允許長(zhǎng)時(shí)間短路運(yùn)行。

2. 儲(chǔ)能電容在放電時(shí)電壓由幾十千伏，瞬間跌落至 0 ，所以高壓充電機(jī)也應(yīng)該有輸出中應(yīng)對(duì)突然短路的能力。對(duì)于某些高頻放電應(yīng)用，充電機(jī)內(nèi)部的儲(chǔ)能必須足夠小，這樣高壓輸出頻繁的短路對(duì)充電機(jī)本身的沖擊也會(huì)減小?？梢蕴岣叻烹姷念l率。

3. 電容充電電源在充電過(guò)程中電壓是線性上升的，用常規(guī)直流源充電會(huì)有過(guò)沖的問(wèn)題，所以必須在電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)立刻停止輸出，為了保證每次試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致充電重復(fù)精度也是一個(gè)比較重要的指標(biāo)。

4. 強(qiáng)流脈沖系統(tǒng)在放電時(shí)電流可達(dá)到幾十 kA 甚至幾百 kA 量級(jí)，在這樣的強(qiáng)放電場(chǎng)合下產(chǎn)生的電磁干擾是不可忽視的，尤其是對(duì)控制系統(tǒng)的影響，所以電容充電機(jī)最好能配備光通信接口。

為了適配脈沖功率系統(tǒng)，海伏科技全新開(kāi)發(fā)的電容充電電源采用全數(shù)字化控制電路，直流與電容充電通用，重復(fù)精度優(yōu)于 0.1% ，并且為了提升控制系統(tǒng)的抗干擾能力控制上采用全光纖方案，并且開(kāi)發(fā)了USB轉(zhuǎn)光纖的適配器。

相關(guān)產(chǎn)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(zhuǎn)換器

后續(xù)

由于篇幅的限制，關(guān)于脈沖功率系統(tǒng)常用的典型電路和脈沖前沿的陡化技術(shù)，以及充電機(jī)的保護(hù)電路、測(cè)試波形的采集等這里暫時(shí)不展開(kāi)討論。后續(xù)將會(huì)在 海伏課堂 繼續(xù)介紹，海伏課堂 會(huì)定期發(fā)布一些高壓電源領(lǐng)域的技術(shù)干貨，是海伏科技工程師從業(yè)以來(lái)技術(shù)分享平臺(tái)，希望對(duì)您有所幫助，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注，謝謝！

參考資料

[1]邱愛(ài)慈. 脈沖功率技術(shù)應(yīng)用[M]. 陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 2016
[2]韓旻等編著.脈沖功率技術(shù)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社,2010:205.