电容储能型高功率脉冲电源的电路原理

1 电容储能型高功率脉冲电源的基本原理
1.1电路原理
对一个电功率输出系统而言，当其存储的能量E一定时，缩短这些能量的输出时间t，就能增大输出功率P（P=E/t），从而形成负载所需要的高功率脉冲信号。

因此，原理上所有产生高功率脉冲的方法都是基于能量的慢速存储与快速释放，本文所讨论的电容储能型高功率脉冲电源（Pulsed Power Supply, PPS）也不例外。

（注：本文主要讨论的是输出电流脉冲宽度为数十微秒到数十毫秒的电容储能型高功率脉冲电源，为了叙述方便，下文中若无特别说明，一律简称为“脉冲电源”）。

从功能实现的角度分析，脉冲电源的工作电路至少由两个基本回路组成：（1）电容充电电路，它是将能量慢速储存到脉冲电容器的电路。

（2）脉冲放电电路，它是将脉冲电容器所存储的能量快速释放的电路。

二者以脉冲电容器为核心，最简单的实现电路如图1所示。

图中C表示脉冲电容器，U ch表示小功率充电电源，S ch表示充电开关，R ch表示充电隔离电阻，S P表示脉冲放电开关，L P脉冲成形电感器（调波电感器），R G表示负载。

图1-1 脉冲电源的电路原理图
图1-1中脉冲电容器是能量存储单元（储能电容器），起隔离充电电路和脉冲放电电路的作用，一方面它是电容充电电路的恒定负载，另一方面它也是脉冲放电电路的激励源。

图1-1电路所示的脉冲产生过程如下：
（1）充电：首先S P断开，使S CH闭合，U CH为脉冲电容器慢速充电；
（2）放电：在充电至额定电压以后，首先S CH断开，使S P闭合，C经L P对R G快速脉冲放电。

在实际研制的脉冲电源中，与电容充电电路相对应的部件是电容充电电源（Capacitor Charging Power Supply, CCPS），与脉冲放电电路相对应的部件是脉冲成形网络（Pulse Forming Network, PFN）。

1.2电容充电电源的类型
电容充电电源是用于初始能量转换与功率调整的部件，它将初始能量进行功率调整，使其具有较高的电压，进而转化为在脉冲电容器中存储的电能。

根据电容器储能特性，充电电源应具有宽负载工作范围、变功率输出能力，由此可知电容充电的核心问题包括：
（1）实现稳定的电容电压；
（2）提高充电效率。

常见的电容充电电源包括电压源和电流源两种类型，分别对应于电压源充电方式和电流源充电方式：
（1）电压源充电方式。

根据电路原理，电压源充电电路必须串接一个阻值相对较大的限流电阻，否则会发生过流甚至短路故障。

阻值较大的限流电阻会带来较高的欧姆损耗，从而降低了充电效率，因此在需要高效充电的场合，一般不会采用电压源充电方式。

（2）电流源充电方式。

电流源输出电流不会因负载不同而发生变化，故在充电电路中不用串接限流电阻。

在理想电路条件下，不串接电阻的充电电路的欧姆损耗为零，因此电流源是非常理想的电容充电电源。

目前，在需要高效充电的场合通常采用电流源为电容器充电。

这里需要说明的是，考虑到电路保护与隔离的需要，在采用电流源的实际充电电路中，通常会串接一个小阻值的隔离电阻。

1.3脉冲成形网络的基本结构
脉冲成形网络是用于产生大功率脉冲的部件，它将脉冲电容器所存储的电能转换成陡的强电流脉冲，驱动负载工作。

脉冲成形网络通常由许多个“小脉冲放电单元”组成，这些小单元称为脉冲成形单元（Pulse Forming Unit, PFU），它的工作电路称为脉冲成形电路。

在很多实际应用场合中，图1-1所示脉冲放电电路不能直接使用，脉冲成形电路是其改进后的电路。

1.3.1脉冲放电电路分析
为分析之便，不妨设R G是一个恒定不变的电阻，则在理想元件条件下图1-1所示脉冲放电电路是一个最简单的二阶电路：RLC串联电路。

假设电容C已充电，其电压U C=U0。

在t=0时，脉冲放电开关S P闭合，则此电路的脉冲放电过程即是二阶电路的零输入响应，如图1-2所示。

图1-2 RLC 脉冲放电电路
根据电路理论，当电容C 、电感L 和电阻R 等元件的电压和电流取关联参考方向时，它们电流电压关系（VCR ）依次为
C
C R R L
L d d d d u i C t
u Ri i u L t
=== （1.1）
在图1-2指定的电压、电流参考方向下，由基尔霍夫电压定律（KVL ）可得
2C C P G C 2d d 0d d u u L C R C u t t
++= （1.2） 式（1.2）是一个以u C 为未知量的线性常系数二阶齐次微分方程。

根据R G 、L P 、C 的大小不同，图1-2的电路主要有三种放电情况：
（1）非振荡衰减放电过程。

这种情况下R G 、L P 、C 满足如下关系
G R ＞ （1.3） 据此求解式（1.2），可得
()120C 2121
k t k t U u k e k e k k =
−− （1.4） 其中
G 1P G 2P 22R k L R k L =−=−
进而可得
()
()120C P 21p t p t U i e e L p p =−−− （1.5） 由条件式（1.3）可知，k 1、k 2均是负实数，于是从式（1.4）和（1.5
）中可以看
出，该放电过程中u C 和i C 都始终不改变方向，对应的放电过程称为非振荡放电过程，又称为过阻尼放电，相应的电路称为过阻尼电路。

（2）衰减振荡放电过程。

这种情况下参数R G 、L P 、C 满足如下关系
G R ＜ （1.6） 据此求解式（1.2），可得
()00C sin t U u e t δωωβω−=
+ （1.7）
其中
2
2G P P G
P 0122arctan R L C L R L ωδωωβδ⎛⎫=− ⎪⎝⎭
==⎛⎫=
⎪⎝⎭
进而可得
()0C P sin t U i e t L δωω−= （1.8） 从式（1.7）和（1.8）中可以看出，该放电过程中u C 和i C 均呈现震荡衰减的状态，整个放电过程中，它们将周期性的改变方向，对应的放电过程称为振荡放电过程，又称为欠阻尼放电，相应的电路称为欠阻尼电路。

（3）临界非振荡过程。

这种情况下参数R G 、L P 、C 满足如下关系
G =R （1.9） 此时u C 和i C 也不作振荡变化，但此情况是前述两种过程的分界线，相应的电阻称为临界电阻。

为了获得强电流脉冲，实际负载的等效电阻通常远小于临界电阻，这就使得脉冲放电电路工作在欠阻尼放电状态，于是在脉冲放电过程中，电容电压和负载电流会作振荡变化，这种情况在很多实际系统中是不允许的：
（1）负载所需的往往是单一方向的脉冲电流；
（2）很多类型的脉冲电容器不能承受较高的反向电压。

因此，图1-1的脉冲放电电路同通常无法直接使用。

1.3.2 脉冲成形电路分析
实际应用的脉冲成形电路是基于前述脉冲放电电路改进设计而成，最常见的电路拓扑主要有两种类型，如图1-3所示。

与图1-1的脉冲放电电路相比，脉冲成形电路增加了一个脉冲续流开关S cr ，它在RLC 脉冲放电过程中电容电压首次降为零的时刻闭合，这样不仅使负载获得单向脉冲电流，而且也避免了脉冲电容器的反向充电。

（a ）续流开关前置的脉冲成形电路 （b ）续流开关后置的脉冲成形电路
图1-3脉冲成形电路
假设脉冲放电开关S P 为理想元件，参数R G 、L P 、C 满足欠阻尼放电关系式（1.6），则图1-3所示脉冲成形电路的脉冲放电过程将包括如下两个阶段：
（1）RLC 二阶电路放电阶段。

该阶段首先使S cr 断开，在t =0时刻闭合S P ，该阶段的结束时刻（设为t D ）为u C 首次降为零值时刻。

该阶段的电路方程与式（1.2）相同。

（2）RL 一阶电路放电阶段。

在t =t D 时刻闭合Scr ，则脉冲成形电路的电容支路被短路，电路发生换路（t D 是换路时刻），放电过程由RLC 二阶电路的零输入响应变为RL 一阶电路的零输入响应。

该阶段的电路方程为
L P G L d =d i L R i t
+0 （1.10） 求解可得
()G P L L D+=R t L i i t e
− （1.11）
其中 ()()()()D 0L D+L D C D D P
=sin t U i t i t i t e t L δωω−−−−−== 上式中t D-是前述两个放电阶段的换路前的最终时刻，t D+是换路后的最初时刻。

由图1-3可知，两种类型的脉冲成形电路的主要区别在于脉冲续流开关的安装位置不同。

经电路分析可知，续流开关的前置和后置所带来的影响主要是两种电路脉冲放电开关的通流过程不同：
（1）续流开关前置电路。

在脉冲放电过程中脉冲放电开关一直流通脉冲电
流。

（1）续流开关后置电路。

在脉冲放电过程中脉冲放电开关流通脉冲电流的时间仅限于RLC二阶电路放电阶段。

由于实际应用的脉冲放电开关特性并不完全理想，显然续流开关后置电路的脉冲放电开关因流通脉冲电流时间较短，开关损耗较小，有利于延长开关使用寿命（开关次数）。

1.3.3并联网络拓扑
脉冲成形单元是脉冲成形网络的基本组成单元，它组成脉冲成形网络的方式主要有如下两种：
（1）链形网络，脉冲成形单元采用串联拓扑组网。

（2）并联网络，脉冲成形单元采用并联拓扑组网。

链式网络是一种与传输线结构相类似的电网络，它的参数设计复杂，输出波形调控困难，与负载的匹配性差，早已很少使用。

当前，脉冲成形网络主要是并联网络。

并联网络的突出优点是电路参数设计简单、波形调控能力强，通过合理控制各个脉冲成形单元的脉冲放电开关触发时刻（即脉冲成形单元的“时序放电”），能比较容易的合成出负载所需的脉冲电流波形。

它的原理电路拓扑如图1-4所示，图中PFU k表示标记编号为k（k=1,2,...,n）的脉冲成形单元，C k、S Pk、L Pk、S crk依次表示PFU k的脉冲电容器、脉冲放电开关、调波电感器和脉冲续流开关，u ck表示C k的电压，i k表示PFU k的输出电流，B表示网络汇流器，是PFU k并联输入和汇总输出节点。

图1-4 脉冲成形网络的电路拓扑
具有合适的储能容量和电路参数的脉冲成形单元是脉冲成形网络具有优秀负载匹配性的保证，因此脉冲成形单元储能容量与电路参数的配置一直是脉冲成形网络应用设计关注的一个重点。

注：关于并联网络的放电分析，在后续章节介绍。