基于现场可编程门阵列的全固态高压ns脉冲发生器

为研究ns脉冲电场诱导肿瘤细胞的凋亡效应,结合Marx发生器原理和全固态开关技术,研制了一套基于现场可编程门阵列(FPGA)的多参数可调全固态高压ns脉冲发生器。该发生器主要包括高压直流电源、Marx电路、FPGA控制电路和负载4部分。Marx电路采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为控制开关代替传统的火花间隙开关,用二极管代替电阻。FPGA产生多路同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后可作为MOSFET的原始控制信号,同步驱动多个MOSFET。FPGA控制电路控制充电电压和输出脉冲的宽度、频率,并具有保护功能。实验结果表明,该脉冲发生器可产生幅值(0～8kV)连续可调、脉宽(200～1 000ns)灵活可变、频率(1～1 000Hz)独立可控,前沿35ns的高压ns脉冲,为进一步探索ns脉冲电场生物医学效应奠定了基础。     

基于Marx电路的固态高压脉冲电源设计

针对高压脉冲放电和低温等离子体应用的要求,设计了一种基于Marx电路的高重复频率的固态高压脉冲发生装置。该脉冲电源利用Marx电路电容并联充电、串联放电的原理,选取绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为放电开关,控制电路的模态切换。Marx主电路由84级单元组成,每级单元包含IGBT开关管、快恢复二极管和储能电容。实验结果表明,在输入电压为480 V直流电压,并且在300 Hz的频率下,该电源可以产生幅值为20 kV、脉宽为500 ns的高压脉冲,满足设计要求。     

基于模块化Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源设计

重频纳秒脉冲激励的大气压等离子体放电具有反应活性高等优点。设计了基于模块化雪崩三极管Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源。计算不同Marx模块的导通时延和输出波形的抖动,研究了磁心数量、位置和形状对于输出波形的影响。磁心电感越大、外径与内径之比越大,且位于传输线变压器第一级和最高一级时对脉冲叠加效率的提升作用越明显。提出直接叠加和传输线变压器两种脉冲叠加方式组合的方法,进一步提高输出电压。整体脉冲源可以在50~300Ω负载产生2~14k V,高阻负载产生4~25k V,前沿3.8ns,脉宽7~15ns,重复频率0~10k Hz的重频纳秒脉冲电压,装置结构紧凑,参数调节灵活,方便携带。     

带截尾开关的高频纳秒脉冲功率源设计

为了获得具有快速上升、下降沿的高频纳秒脉冲,对传统雪崩单管电路的改进电路进行了试验,验证了改进电路能加快充电速度的可行性。设计了两种10级Marx型纳秒级正脉冲发生器,发生器采用磁环隔离的驱动方案,主电路拓扑结构中采用二极管代替传统Marx电路中的所有电阻。在100Ω的阻性负载下进行放电实验,最终重频工作状态下输出峰值上千伏的纳秒脉冲,输出端负载加截尾开关后脉冲的下降沿缩短至3 ns。实验结果表明,改进后的发生器有更高的输出幅值和工作频率,磁环隔离的驱动方案确保了每级雪崩管同时触发导通并且产生具有纳秒上升沿的快脉冲,二极管替代传统Marx电路的所有电阻加快了电容的充电速度、提升了脉冲发生器的工作效率,负载并联截尾开关后脉冲后沿更快,实验结果良好。     

用于放电等离子体的重频固态纳秒脉冲电源

为提高放电功率、产生大面积等离子体,设计了一种高重复频率纳秒脉冲电源,其基本原理是采用高压截断法产生高压脉冲.选用通断速度较快的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)产生纳秒级截断,进而可以大幅提高输出脉冲的重复频率;使用8个串联的MOSFET同步工作,以提高输出电压幅值.测试结果表明,该电源输出脉冲的电压幅值可达10 kV,脉冲上升沿约为12 ns,半高宽约为750 ns.负载为5 kΩ无感电阻时,连续运行重复频率可达100 kHz,爆发模式下重复频率可达1 MHz.电源带载能力较强,未击穿时输出电压脉冲波形基本不随电极负载发生改变.该电源可长期稳定工作,产生较大面积等离子体,满足了高重复频率纳秒脉冲放电的需求.     

场畸变触发开关新型触发电极的设计与实验

气体触发开关是脉冲功率电路的重要组成器件。针对工程中对低抖动、长寿命气体触发开关的需求,结合三电极场畸变型触发开关,设计一种拥有较多孔隙的多环型触发极结构。对三种主电极-触发极分别为平板-多环、平板-圆盘、球冠-圆盘的开关进行击穿特性实验研究,结合电场仿真对比分析实验结果。实验结果表明:在22.4k V/40ns的触发脉冲和5.0~7.5k V的工作电压下,平板-多环结构的开关时延及抖动比较稳定,开关时延基本在81.0~84.5ns之间,抖动为0.8~1.1ns。平板-多环电极结构开关时延、抖动均明显优于平板-圆盘结构,其开关时延、抖动与球冠-圆盘结构基本相同但使用寿命优于球冠-圆盘结构。     

用于水中灭藻的高压脉冲电源的研究

等离子体在环境保护方面应用广泛,为给灭藻装置提供高压快速脉冲使其产生等离子体,设计了一台新型结构的脉冲电源。提出了Marx发生器与磁脉冲压缩电路相结合的电路结构,引入了小容量储能电容来控制输出脉冲的能量,基于PSpice软件进行仿真分析来改善电路参数和结构,各开关的动作采用单片机控制。仿真得到峰值7.5kV、上升沿30ns、重复频率100Hz、一个脉冲内能量0.7J的脉冲电压。     

基于Marx电路的纳秒级高压脉冲电源设计

为满足等离子体污水处理对高压脉冲电源的要求,设计了一种基于Marx发生器的紧凑型、高重复频率纳秒级高压直流脉冲电源,该脉冲电源以绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为放电主开关,并使用多输出磁环变压器为IGBT提供驱动信号。Marx发生器由25级电路组成,每级电路由IGBT开关、快恢复二极管以及电容器组成。充电时,通过电感和二极管对电容充电,减小电路功率损耗;放电时,电感对输出脉冲高电压与输入电源之间进行隔离。为了保护IGBT开关在短路等情况不被过电流损坏,使用了过电流保护电路。实验结果表明,输入电压为500 V低压时,串联25级电路即可获得最大幅值为10 k V、最小脉宽为400 ns且脉冲前沿为50 ns的高压脉冲,可实现反应器中气体的电晕放电,达到污水快速净化的目的。     

基于雪崩三极管的高重频高压纳秒脉冲产生方法综述

激发大气压脉冲等离子体通常对施加脉冲的要求是k V级幅值、ns级前沿和宽度、k Hz级重复频率,尤其要求脉冲前沿和宽度尽量小,雪崩三极管脉冲产生电路非常适合于这样的要求。本文综述了基于雪崩三极管的脉冲产生方法。首先介绍了雪崩三极管的基本原理和研究概况,进而介绍了多管串联电路、多级Marx电路、多管并联电路以及脉冲截断电路四种典型电路结构的研究现状,分析了各电路的性能特点,并以多级Marx电路为例理论分析了影响输出脉冲幅值、前沿、后沿、脉宽、重复频率、效率和稳定性等参数的关键因素。最后介绍了多管串联Marx电路、多管并联Marx电路以及多路Marx并联电路三种组合型脉冲产生电路的研究进展,并对基本原理进行了分析。     

基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制

针对不同应用领域中负载阻抗的多样性,研制一种基于Marx和直线型变压器驱动源(LTD)拓扑的复合模式脉冲源。该脉冲源包含4个LTD模块,且每个LTD模块由1个3级Marx电路组成。其主要优点是可以降低对隔离电源模块、触发同步性的要求,负载适应能力强,并且可使脉冲装置小型化。首先对该脉冲源拓扑结构和参数进行设计和理论计算,并采用PSpice软件验证其可行性,最后研制复合模式脉冲源的样机并测试其性能。该脉冲源采用MOSFET作为主开关,二极管作为隔离元件,用含锁相环功能的现场可编程门阵列(FPGA)产生控制信号。该脉冲源的输出脉冲参数:幅值为0~8 kV,脉宽为60~160 ns,脉宽步进可达1 ns,重复频率为1 kHz,上升沿约10 ns。通过FPGA产生相移控制信号对该脉冲源的每级进行单独控制,可实现对输出脉冲上升沿和下降沿的灵活调节。脉冲源采用模块化设计,可以通过增加模块数量方便地提高最大输出电压。     

两间隙毛细管等离子体发生器出口参数研究

消融放电毛细管等离子体发生器产生的等离子体射流具有高密和相对低温的特性,在许多科学研究和工业应用领域都具有潜在的应用前景。为此,利用数值模拟的方法考察了在1 kJ放电能量水平下两间隙毛细管的长度和半径、主放电电容器组的电容和起始充电电压等放电参数对毛细管出口参数的影响。研究表明,各放电参数的改变都能引起出口处的质量密度、压强的大幅度改变,而出口温度和出口速度相对保持稳定。其中,主放电电容器组充电电压、电容值增大、毛细管半径变小时,所有的出口参数都相应增大;而毛细管长度增大时,密度和压强随之增大,温度和速度反而减小。     

ns脉冲电场发生器的研制及应用

为了研究ns脉冲电场诱导肿瘤细胞的凋亡效应,结合开关电源技术和脉冲功率技术,研制了一套多参数大范围独立可调的ns脉冲电场发生器。该发生器由高压直流电源、脉冲形成电路和辅助电路3部分组成,输出的脉冲幅值0～1.2kV内连续可调,重复频率1Hz～10kHz内连续可调,脉冲宽度分100、200、600和1000ns4级可调,脉冲个数可以任意预置,上升时间<30ns,并具有显示和保护功能。实验室调试和医学细胞实验结果表明,该发生器调节方便、性能稳定,能够有效诱导人肝癌细胞凋亡,为ns脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的机理和阈值参数选择规律的深入研究奠定了基础。     

基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

多级磁压缩脉冲电源

阐述用于EUV光刻技术的脉冲功率电源的设计。该脉冲电源由充电电容组,半导体开关(IGBT),脉冲变压器和四级磁压缩回路组成。解释磁开关的工作原理,提供各关键元件的设计参数。根据磁性材料的物理特性参数,利用Pspice仿真软件建立磁芯模型,构建磁开关和仿真电路,对各级电压和电流波形进行分析,进而设计调整各级磁开关的参数。实验结果表明,该脉冲电源输出峰值为30 kV,上升沿为<85 ns,脉冲宽度<100 ns的脉冲信号。     

10kV重复频率方波脉冲源的研制

为进行绝缘材料在快前沿高压脉冲作用下的局部放电和绝缘老化的试验研究,研制了1台最高输出电压为10kV的重复频率高压方波脉冲发生器。该方波发生器采用可调直流高压电源和储能电容器作为能源系统,利用半导体固态开关作为主放电开关控制脉冲宽度和重复频率,通过脉冲放电回路在负载上形成所需的电压脉冲。其半导体固态开关采用具有低耦合电容的紧凑型快速高压金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)开关,通过复杂可编程逻辑控制器(CPLD)可编程逻辑电路实现开关通断控制。实测结果表明,该脉冲源可以产生脉冲上升沿约为80ns、最小脉冲宽度为320ns的高压准方波脉冲,最高输出幅值达到±10kV,脉冲重复频率的可调范围为1～3kHz,性能指标满足绝缘材料的局部放电以及绝缘老化试验的要求。     

快前沿高压脉冲源用纳秒液体开关的研制

设计了一种具有运动触发极的新型三电极纳秒液体开关.开关由位置固定的阳极、阴极和可运动的触发极组成,开关间隙充入无毒、可生物降解、绝缘性能好的精炼菜籽油.开关腔外的触发极控制系统包括电磁铁、无线接收控制电路和遥控器,无线接收控制电路接收遥控器信号控制触发极运动来调节开关相对间隙,实现开关放电.开关设计工作电压为40 kV...     

基于ZVS双管自激电路的等离子体电源设计

目前,等离子体激励电源通常以工频交流电作为供电输入,并且体积较大,与便携式等离子体发生装置不匹配,限制了等离子体技术的应用与推广。以此为研究背景,开展了便携式介质阻挡放电电源的设计与研究。该电源重量为200 g,体积为102 mm×57 mm×30 mm。电源主电路采用ZVS双管自激电路。通过电路仿真软件辅助设计主电路,并进行了实验测试。结果表明,当电源输入电压为3 ~12 V时,输出电压可达2 ~ 5 kV、输出频率可在20 ~ 30 kHz范围内变化,最大输出功率为60 W,功率重量比为300 W/kg,高于目前商品化高频高压等离子体电源。采用设计的电源能够成功激发沿面型介质阻挡放电（SDBD）等离子体发生器和悬浮电极介质阻挡放电（FE-DBD）柔性等离子体发生器产生冷等离子体,并对相关特性进行了实验研究,满足了大气压开放条件下空气介质阻挡放电工作电压2 ~ 20 kV、工作频率50 Hz ~ 1 MHz的要求,为介质阻挡放电电源的便携性提供了良好的技术支撑。     

Compact, Nanosecond, High Repetition Rate, Pulse Generator for Bioelectric Studies

The high dielectric strength and high permittivity of water allow for its use for energy storage and switching in compact pulse power systems. A 10-Omega pulse generator with flowing water as dielectric and as the switching medium is presented here. It can provide a 10-ns pulse with a risetime of approximately 2 ns and an amplitude of up to 35 kV into a matched load. The system was operated in burst mode with repetition rates of up to 400 Hz, limited by the charging power supply. For a switch with two pin electrodes, strong electrode erosion limits the use of the pulser to less than 1,000 pulses before electrode readjustment is necessary. A considerable reduction of the erosion effect on breakdown voltage was obtained with coaxial electrodes. The pulse generator was used to study the effect of the repetition rate (or the time between successive pulses) on the viability of B16 murine melanoma cells.     

双极性与单极性ns级高压脉冲电源设计及特性比较

为了满足聚合类绝缘材料老化实验及等离子体水处理高级氧化实验2项实验研究的应用要求,分别设计了双极性和单极性2种ns级高压脉冲发生器,且均主要由高压直流电源、两级脉冲储能电容器和气体开关等组成,结构紧凑,具有重复频率、脉冲宽度及电压幅值可调等优点。2种脉冲电源的主要区别在于各自的核心元件—多电极旋转火花隙开关(MER-SGS)的结构和尺寸设计,同时电源的重复工作频率也可由旋转火花隙驱动电机及电极数量调节控制。为验证火花隙开关的工作性能,采用ANSOFT/MAXWELL ELECTROSTATIC 2D软件建立了仿真模型,对2种开关不同开断关合角度下的电场强度进行了仿真分析和比较。结果表明,火花隙的紧凑结构设计能够产生强烈电场畸变进而保证脉冲电源在具备良好输出特性基础上,开关可靠动作,从而达到降低绝缘要求、减少电极烧蚀、延长工作寿命等目的。通过对2种脉冲电源有载情况下实际输出波形的测量可得,脉冲上升时间(<10ns)、脉冲宽度(1～500μs)、重复工作频率(1～3kHz)、平均功率等电源参数均达到各自实验要求标准,具有良好的应用前景。