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摘 要

随着工业生产多样化的发展，以往体积臃肿、效率差的恒压充电方式显然不能满足现实生产要求，为解决以上问题，谐振式脉冲电源成为了当今高压脉冲电源的研究热点。相比之下，串联谐振脉冲电源具有效率高、可进行恒流充电、功率密度大、体积小以及适用于变化范围宽的负载等优点，因而被广泛地应用于工业生产及科学研究中。

本文介绍了一种串联谐振式脉冲电源的设计方法，电源输入220V交流，输出5000V的双极性脉冲波。着重介绍了脉冲电源的主要部分：串联谐振充电电路。首先根据电路的物理特性建立数学模型，分析串联谐振脉冲电源的充电电源在电流断续模态下的稳态工作过程,从而得出相关方程式,用数学方法证明了串联谐振电源恒流充电特性,并计算出储能电容电压在恒流特性变化时的公式。

本文对谐振脉冲电源主电路参数进行详细设计。根据本课题对电源的性能要求，设计了输入整流滤波电路、软启动电路、串联谐振逆变电路、高频变压器、输出整流以及脉冲成型系统，并对器件的选择做出了详细的分析；针对脉冲电源的工作环境及性能要求,本文还设计了以 DSP为核心的控制电路,为开关器件提供了符合控制要求的驱动脉冲信号,该DSP能对满充保护反馈信号、驱动过流反馈信号产生及时响应。本文最后通过saber软件的仿真分析,验证了理论分析计算的正确性及电源设计的可行性，证明本脉冲电源能输出良好的双极性脉冲。

关键词：串联谐振变换器，开关电源，软开关，脉冲电源，DSP

Abstract

With the the development of industry, the bulky and low efficiency of constant pressure charging in the past obviously can not meet the need of actual production. To solve the above problems, resonant pulse power supply has become the current high voltage pulse power supply research hotspot.In contrast, the series resonant pulse power supply with high efficiency, constant current charging, high power density, small volume and the applicable range wide load advantages. Therefore, it is widely application in the industrial production and scientific research.

In this paper, a series resonant pulse power supply design method is presented, and the power input 220V AC and the output 5000V of the bipolar pulse wave are presented.The main part of the pulse power supply: series resonant charging circuit is emphatically introduced.Firstly, the mathematical model is established according to the physical characteristics of the circuit. Analysis series resonant pulse charging power supply of the power supply in discontinuous current mode under the steady working process, so as to obtain the resonant circuit of the resonant current and equivalent storage to capacitor charging current and voltage, the average charging current equation and mathematically proved that the series resonant power supply constant current charging characteristics, and calculate the energy storage capacitor voltage constant current characteristic changes in the formula.

In this paper, the main circuit parameters of the resonant pulse power supply are detailed design.According to the requirements of the research on the power performance design input rectifier filter circuit, soft start circuit, series resonant inverter circuit, high-frequency transformer, output rectifier and pulse shaping system, and make the detailed analysis on the device of choice;For pulse power of the working environment and performance requirements, this paper also designs the DSP as the core of control circuit, switch provides comply with the control requirements of the drive pulse signal and the DSP can full protection of the feedback signal, drive and overcurrent feedback signal to respond in a timely manner.In the end of the paper, the correctness of theoretical analysis and the feasibility of power supply design are verified by simulation analysis of saber software, and the pulse power supply can output good bipolar pulse.

Keywords：series resonant converter, switching power supply, soft switch, pulse power supply, DSP

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 前言 1

1.1课题背景及意义 1

1.2、谐振式脉冲电源的优势 1

1.3 三种谐振技术的对比分析 2

1.4串联谐振技术在脉冲电源应用的研究现状 2

1.5本论文的研究目的 3

第二章 谐振式脉冲电源主要工作原理 4

2.1串联谐振脉冲电源的结构 4

2.2串联谐振充电电路的3种工作模态对比 6

2.3工作在模态1下的串联谐振电路稳态分析 8

2.3.1过程分析 8

2.3.2峰值电压以及峰值电流 13

2.3.3充电电流平均值 15

2.3.4谐振过程原理波形图 15

2.4 电流断续模态下的应用 17

2.4.1 等台阶充电原理扩展 17

2.4.2 变压器初级侧电压 17

2.4.3 高频变压器磁感应强度B的分析 19

2.4.4 简化平均充电电流及谐振电流峰值的讨论 20

2.5 本章小结 20

第三章 串联谐振脉冲电源的设计 21

3.1脉冲电源的设计要求与结构 21

3.1.1 脉冲电源的主要性能指标 21

3.1.2 脉冲电源系统结构图 21

3.2 输入整流滤波电路设计 22

3.2.1整流桥的设计 22

3.1.2 滤波电容设计 23

3.3 软启动电路 24

3.4 高频高压变压器 25

3.4.1 高频变压器变比 25

3.4.2 变压器匝数 25

3.5 串联谐振逆变电路 26

3.5.1 LC谐振参数选择 26

3.5.2 谐振逆变桥的开关管选择 28

3.6 储能电容前级整流电路 28

3.7 控制及触发电路的设计 29

3.7.1 电压及电流检测 29

3.7.2 IGBT的驱动设计 29

3.7.3 DSP的选择 31

3.7.4 PWM波的形成 32

3.8 脉冲成型系统 33

3.9 本章小结 34

第四章 仿真与分析 35

4.1 串联谐振电路原理的仿真 35

4.2 脉冲放电仿真结果 38

4.3 本章小结 40

第五章 结 语 41

参考文献 43

致 谢 44

第一章 前 言

1.1课题背景及意义

得益于开关技术和电路控制技术的发展，高压脉冲电源成为近年来的发展热点，在科研实验和工业生产中使用越来越广泛。高压脉冲电源主要的应用领域有脉冲电镀、脉冲电解污水处理、工业废气处理、高功率激光泵、高频脉冲感应加热、电火花加工、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、静电除尘、臭氧的制取、电磁轨道炮、电磁技术等^[17]。

此外，随着经济发展，环境保护日益被人们所重视。用于污染处理的传统的工频高压电源性能差，效率过低并且产生大量高次谐波对电网造成极大影响，因此需要研发一种高效、稳定的电源来代替传统电源。谐振式脉冲电源通过在开关器件中增加电感、电容等谐振元件，利用谐振电感L、谐振电容C产生谐振，使流经开关的电流或加在开关两端的电压波形为正弦波或近似正弦波，在其过零时开或关^[18]。

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