三、特种电源应用进展概述

国防科技大学李嵩等在《基于锂电储能的初级能源技术研究》中通过数值仿真和实验验证的方法，研究了一种基于锂电池储能的高功率初级能源，并开展了其在重频条件下的工作能力测试 ^[22] 。具体而言，提出并设计了一种由能库分系统、脉冲升压分系统和能量回收分系统构成的锂电储能高功率初级能源；仿真研究了能量回收电感取值对初级能源能量回收效率的影响规律，并提出了优化方法；在此基础上，研制了高功率初级能源，搭建实验平台并开展了实验研究，在负载电容上实现了峰值电压65.6kV，脉冲上升时间29.2μs；系统还实现了重复频率3Hz稳定运行100个脉冲，具有较好的工作稳定性（见图18）。

中电科蓝天科技股份有限公司鲁伟等在《一种级联式高功率脉冲电源》中针对高功率脉冲半导体激光器的特殊用电需求，研发了一种级联式高功率脉冲电源，输出的连续脉冲电流波形如图19所示。电源前级为高功率储能电池包，包含高压电池组、隔离充电器、均衡管理器、放电开关等；电源后级为多路脉冲驱动源，包含脉冲生成单元、触发控制单元、同步控制单元等 ^[23] 。试验结果表明，高功率脉冲电源能够以300Hz重复频率长时间工作，峰值功率达到500kW量级，多路输出同步精度优于1μs，满足了高功率脉冲半导体激光器的用电需求。

华中科技大学张玉宸等在《多级XRAM型脉冲功率电源开关器件简化研究》分析多级XRAM电源拓扑结构的二极管器件功能，简化放电回路中的二极管数量。使用模块化的方法，建立了基于ICCOS的多级XRAM型脉冲电源的轨道炮仿真模型，系统总储能为375kJ，发射效率接近15% ^[24] 。并通过仿真模型验证了简化前后模型的性能指标，结果证明简化多级拓扑中的最后一级上臂二极管对电源模块的放电电流没有明显影响。多级XRAM型脉冲功率电源Simulink仿真波形如图20所示。

国防科技大学楚旭等在《掺杂元素浓度对于4H-SiC光导开关器件高频响应特性的影响》中首先分析了施主杂质浓度和受主杂质浓度对于4H-SiC光导半导体瞬态响应能力的影响，并且选用了三种不同掺杂元素浓度4H-SiC晶圆制备的平面电极光导器件进行研究，对比不同器件在非本征模式下的高频响应输出 ^[25] 。实验结果表明，当掺杂N元素浓度小于10 ¹⁶ cm ^-3 时，光导开关器件可以响应得到频率高达10GHz的微波输出。这说明可以通过控制n型钒补偿4H-SiC中掺杂元素的浓度，来进一步提升光导半导体器件的高频响应能力，从而实现更大频谱范围内的光导捷变频微波输出。三种4H-SiC光导器件样品射频输出波形对比如图21所示。

哈尔滨工业大学与中国工程物理研究院流体物理研究所合作在《空间等离子环境模拟与研究系统脉冲电源系统研制》提到空间环境地面模拟装置是哈尔滨工业大学承建的国家重大科技基础设施项目，其包含的空间等离子体环境模拟与研究系统中的近地空间等离子体环境模拟与研究系统采用一套包含17个线圈的磁体系统来为其研究的磁层顶磁重联模拟实验、由外部等离子枪驱动的模拟磁重联实验以及研究模拟“地球辐射带”的电磁波与等离子体相互作用的实验三项内容提供背景磁场，并且采用一套脉冲电源系统为磁体系统提供激励电流。该套脉冲电源系统的负载特性复杂以及需要输出电流具有多样性和多时序性，基于以上需求研制了一套基于电容储能的模块化脉冲电源系统，且针对磁体系统接收脉冲大电流时可能存在损坏的风险，研究一种电压外推方法来测试脉冲电源系统的输出电流性能是否满足设计指标需求 ^[26] 。最终实验结果证明该套脉冲电源系统能够为磁体系统提供满足设计指标需求的电流波形。磁体电源系统对磁体系统的放电实验现场配置如图22所示。

上海理工大学姜松等与上海健康医学院合作在《三电极结构在双源激励下的DBD放电特性》中优化电极结构以提高介质阻挡放电（DBD）的放电效率是一种可行的途径。提出了一种DBD结构和针板结构相结合的三电极结构。在DBD上施加正极性脉冲电压，在针板电极上施加负极性脉冲电压 ^[27] 。研究对比实心和丝网接地电极下DBD放电特性和光谱强度。结果表明，施加在针板上的负极性电压使DBD放电更加强烈。与传统双电极DBD相比，三电极DBD放电电流和功率都有明显提高。特别是丝网接地三电极结构下，在负极性脉冲维持期间，针网间隙处于击穿状态，DBD放电出现很大的放电电流。不同结构下的DBD的放电光谱表明在丝网接地时三电极DBD激发粒子的光谱强度最强（见图23）。这一趋势与DBD放电电流和功率一致。

华中科技大学曾宇轩等在《变母线电压的LLC高压电容充电电源设计》中提出了一种两级式可变母线电压的高压电容充电电源技术方案，该拓扑在半桥LLC谐振电路的基础上增加了一级图腾柱无桥PFC电路，通过改变母线电压来解决传统LLC谐振电源在输出更高电压时，工作频率变化范围过大带来的充电效率下滑的问题 ^[28] 。由于图腾柱电路本身具备功率因数校正的功能，该电源设计还具备能够直接从电网取电而不影响电网电能质量的优势。论文首先介绍了本电源设计中两部分的电路拓扑和工作原理，采用等效电阻法分析了电容负载下的电源输出特性。针对前级图腾柱电路设计了双环控制器以实现对母线电压和功率因素的控制，针对后级LLC电路提出了PI加低通滤波的恒流控制器以降低高频噪声带来的不利影响。最后通过模型构建与仿真分析，研究了高压电容充电电源3000V/1A时的充电特性，验证了本电源技术方案、设计和控制策略的可行性。变母线电压的LLC高压电容充电电源输出电压与开关频率的关系如图24所示。

中国工程物理研究院应用电子学研究所张北镇等在《高稳定直流充电电源设计与应用》中设计了一高功率直流开关电源，用于高功率微波系统中。该电源总输出功率不低于120kW，具备同时输出正负极性高压能力。单极性充电负载1.6μF，最大充电电压45kV，重复工作频率20Hz ^[29] 。文中简介了基本设计指标和设计原则，以及紧凑化设计方法。整机附属功能还包括充电保护、故障警示、高压泄放等。还具备抗震、抗电磁干扰，满足高低温工作（-20~70℃），防风沙，防盐雾，防凝露等优势。该电源与脉冲功率系统联合调试，获得良好效果。高稳定直流充电电源充电实验波形如图25所示。

核工业西南物理研究院陈俊宏等在《kA级双阶梯脉冲电源方案设计与分析》中提到托卡马克装置预电离过程中，环向磁场应与电子回旋波频率相匹配，NCST（NanChang Spherical Tokamak）装置现有的电子回旋波频率较低，为了让环向场与已有的电子回旋波频率匹配，提出了新的环向场线圈电源方案，在原方案的磁场线圈平顶电流产生之前增加一个低电流台阶 ^[30] 。回顾NCST球形托卡马克装置环向场线圈电源的原有方案后，设计了全控型和半控型两种改造方案获得阶梯式脉冲电流，从电压电流的高次谐波、电流的可控性和纹波、改动和安装三方面对比两个方案，最终选定了半控型改造方案。kA级双阶梯脉冲电源设计方案如图26所示。

中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所潘圣民与湖北追日电气、山东电力设备有限公司合作在《CRAFT NNBI 200kV高压电源的研制》中提到CRAFT NNBI 200kV高压电源是作为NNBI的引出极高压电源，系统对电源的动态性能和稳态性能提出了严格的要求。针对这一应用，提出了基于三电平NPC逆变器+升压换流变压器+高压不可控整流（DC-AC-DC）的电源拓扑结构。该拓扑的结构优势在于：控制功能由低压侧实现，高压侧无需控制；升压换流变压器实现高压侧与低压侧的电气隔离 ^[31] 。为了实现输出电压的高精度控制，NPC逆变器采用两级可调模式。粗调是通过调节直流母线的电压；精调是通过调节NPC的占空比。通过两级调节的配合来控制输出直流电压的质量，以确保最终高压直流侧的稳定度、精度和纹波等要求。对系统的硬件选型和反馈控制进行了详细分析，并使用MATLAB/Simulink软件对电源进行了仿真。最后，通过实验验证，与仿真结果吻合，电源满足CRAFT NNBI系统的要求、稳定性和动态响应。CRAFT NNBI加速极电源拓扑结构图如图27所示。

中国工程物理研究院流体物理研究所李松杰等与哈尔滨工业大学合作在《波形可调的模块化脉冲放电电源研制》中针对空间磁暴环境地面模拟需求，设计了一套电容器型放电电源，产生电流前沿可调的脉冲电流。对调节电容和调节电感两种方案进行对比分析后，研制了一套由5个电容器组成的模块化放电电源，可以通过改变投入运行的模块数量实现放电波形调节 ^[32] 。通过仿真分析表明，给出的电路拓扑放电电流波形满足设计要求，放电试验结果证明了仿真结果可行性（见图28）。

中国工程物理研究院流体物理研究所刘宏伟等在《雷电间接效应多重脉冲组大电流源设计》中针对雷电间接效应多重脉冲组测试需求，开展了雷电间接效应多重脉冲组大电流源设计。对比分析了两种雷电间接效应多重脉冲组模拟电路。对于传统RLC电路，分析了国家标准中给出的雷电间接效应多重脉冲组（H波）的电参数与放电回路参数的关系，结果表明，设定工作电压后，放电回路的电阻、电感和电容可以由标准给出的参数计算得到；由于回路电感限制，采用该方法时，系统的储能较高 ^[33] 。利用电路储能元件间能量转换的方法可以显著降低储能需求，从理论上分析了该方法的电路参数。对两种模拟电路的优缺点进行了对比，采用低能电路完成了雷电间接效应多重脉冲组大电流源的参数设计和双路触发器的设计。触发电压模拟波形如图29所示。