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一種新型超高壓直流等離子體變換器研究

2020年電子技術應用第7期

張迪1，2，張東來3，王子才1，張華2，張瑩4

1.哈爾濱工業大學航天學院，黑龍江哈爾濱150001； 2.深圳航天科技創新研究院電力電子所，廣東深圳518057； 3.哈爾濱工業大學(深圳) 機電工程與自動化學院，廣東深圳518055； 4.深圳航天東方紅海特衛星有限公司，廣東深圳518057

摘要： 等離子體高壓電源是等離子體發生系統中核心關鍵的組成部分，直接決定等離子體發生器的性能。傳統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裝載，這是超高壓產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的效率，減少了電源系統的重量和體積，同時解決了高壓保護的問題，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90%。

關鍵詞： 超高壓直流電源多倍壓整流 LCC 等離子體電源

中圖分類號： TM89
文獻標識碼： 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].電子技術應用，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

等離子體的應用已經擴展到航空領域。美國、俄羅斯、歐盟等航天大國對等離子體在航空中的應用進行了廣泛深入的研究，等離子體在航空中的應用主要集中在飛機減阻、隱身和提高發動機性能上^[1-4]。

等離子體電源系統主要由等離子體發生器、電源系統、儲供系統和控制系統組成。目前，等離子體在航空應用中的研究主要集中在等離子體產生機理、等離子體特征參數診斷與控制、等離子體發生器和等離子體電源系統小型化等方面。等離子體電源系統將一次電源轉換為超高壓直流電源和等離子體發生器所需的其他負偏置電源。與傳統工業等離子電源不同，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構，需要同時兼顧體積和絕緣強度^[5-8]。

在超高壓等離子體電源系統中，當等離子體電壓達到幾千伏以上時，受到變壓器絕緣繞組過程、半導體器件和整流電源電壓應力的限制，電壓主要通過倍壓整流方式實現，利用增加串聯倍壓的級數來補償元件的電壓應力^[9-12]。

電壓倍增技術廣泛應用于激光、離子加速器、超高壓電子顯微鏡以及醫用X射線等高壓小電流的應用場合。在變換器內部充入SF6實現高壓絕緣，利用單相Cockroft Walton電壓倍增器可實現600 kV/10 mA的超高壓直流輸出，而隨著輸出功率的進一步提高，容易導致輸出電壓紋波和輸出電壓跌落，而改進型全波Cockroft Walton電壓倍增器實現了600 kV/15 mA的超高壓直流輸出，實現了極高的電壓穩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.哈爾濱工業大學航天學院，黑龍江哈爾濱150001；

2.深圳航天科技創新研究院電力電子所，廣東深圳518057；

3.哈爾濱工業大學(深圳) 機電工程與自動化學院，廣東深圳518055；

4.深圳航天東方紅海特衛星有限公司，廣東深圳518057)

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