《电子技术应用》
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一种新型超高压直流等离子体变换器研究
2020年电子技术应用第7期
张 迪1，2，张东来3，王子才1，张 华2，张 莹4
1.哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨150001； 2.深圳航天科技创新研究院 电力电子所，广东 深圳518057； 3.哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院，广东 深圳518055； 4.深圳航天东方红海特卫星有限公司，广东 深圳518057
摘要： 等离子体高压电源是等离子体发生系统中核心关键的组成部分，直接决定等离子体发生器的性能。传统的高压等离子电源具有体积重量大、效率低的特点，无法在航空飞行器有限的体积范围内装载，这是超高压产生等离子体方式的难点之一。以超高压直流电源(UHVDC)为核心，提出了一种新型的多倍压整流谐振变换器，提高了等离子体电源系统的效率，减少了电源系统的重量和体积，同时解决了高压保护的问题，最终通过8 kW输出功率实验验证了方案的有效性，其效率达90%。
中图分类号： TM89
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200217
中文引用格式： 张迪，张东来，王子才，等. 一种新型超高压直流等离子体变换器研究[J].电子技术应用，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

    等离子体的应用已经扩展到航空领域。美国、俄罗斯、欧盟等航天大国对等离子体在航空中的应用进行了广泛深入的研究，等离子体在航空中的应用主要集中在飞机减阻、隐身和提高发动机性能上[1-4]。

    等离子体电源系统主要由等离子体发生器、电源系统、储供系统和控制系统组成。目前，等离子体在航空应用中的研究主要集中在等离子体产生机理、等离子体特征参数诊断与控制、等离子体发生器和等离子体电源系统小型化等方面。等离子体电源系统将一次电源转换为超高压直流电源和等离子体发生器所需的其他负偏置电源。与传统工业等离子电源不同，航空等离子电源对效率和功率密度提出了极高的要求。面向超高压变换需求，高升压比所需的变压器结构，需要同时兼顾体积和绝缘强度[5-8]。

    在超高压等离子体电源系统中，当等离子体电压达到几千伏以上时，受到变压器绝缘绕组过程、半导体器件和整流电源电压应力的限制，电压主要通过倍压整流方式实现，利用增加串联倍压的级数来补偿元件的电压应力[9-12]。

    电压倍增技术广泛应用于激光、离子加速器、超高压电子显微镜以及医用X射线等高压小电流的应用场合。在变换器内部充入SF6实现高压绝缘，利用单相Cockroft Walton电压倍增器可实现600 kV/10 mA的超高压直流输出，而随着输出功率的进一步提高，容易导致输出电压纹波和输出电压跌落，而改进型全波Cockroft Walton电压倍增器实现了600 kV/15 mA的超高压直流输出，实现了极高的电压稳定度与极低的输出电压纹波[13]。

    为了提高电源的输出功率并降低系统的体积，本文提出了一种带有多倍压整流的新型超高压谐振功率变换器。




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作者信息:

张  迪1，2，张东来3，王子才1，张  华2，张  莹4

(1.哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨150001；

2.深圳航天科技创新研究院 电力电子所，广东 深圳518057；

3.哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院，广东 深圳518055；

4.深圳航天东方红海特卫星有限公司，广东 深圳518057)

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