面向等离子体高能合成射流应用的重频脉冲源研制

等离子体合成射流是高速流场控制的一种重要手段,而高重频、大能量的等离子体合成射流可以产生更好的流动控制效果。为此研制了一台可实现高重频等离子体高能合成射流的脉冲电源,输出参数为:电压幅值0~10k V,重复频率0~1 000 Hz可调,脉宽15μs,放电电流峰值320 A,放电能量超过150 m J。首先,对脉冲源的拓扑结构进行了设计,对其工作原理进行了说明。其次研究了放电电容对于输出波形的影响,并在高重频条件下进行了放电特性和能量特性分析。最后,利用纹影系统观察了射流流场的发展过程。实验结果表明:高重频条件下输出电压稳定性良好;随着放电电容的增大,放电持续时间延长,放电电流增大,放电能量增加;此外,纹影系统观测表明合成射流速度可达150 m/s。该电源可应用于流动控制领域。     

用于产生等离子体的高压脉冲电源的研制

为给高压脉冲装置提供脉冲电压使其在低气压下激发出低温等离子体,研制了一台等离子体的高压脉冲电源。介绍了该套高压脉冲电源装置的构成原理、工作性能后,分析了实验的实际脉冲电压波形与仿真波形,发现二者比较接近,证明利用Simulink可模拟仿真气隙放电,采用此种碳刷型旋转开关,并适当改善定转子尺寸及倍率DT可以得到频率从0-800Hz,幅值为±20kV的高压脉冲电压。     

10kV全固态重复频率方波脉冲源研制

基于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和Marx发生器电路,研制了一种在重复频率1~100 Hz下,最高输出脉冲电压10 kV、脉冲宽度从550ns到1μs可调的全固态方波脉冲源。设计中利用直流高压电源作为能源系统,采用MOSFET半导体固态开关替代气体火花隙开关作为放电主开关,用快恢复二极管取代充电电阻。由外部多功能触发器产生脉宽和频率均可调节的触发信号,通过驱动电路控制由MOSFET半导体固态开关构成的放电主开关,经脉冲放电回路在不同负载上实现输出所需的高压方波脉冲。通过实验验证了设计原理及方法的可行性,并给出了单次和重频信号触发下该固态方波脉冲源输出的实验结果。     

基于冷阴极触发管的重频高压脉冲源设计

为满足爆轰物理实验、X光机以及Marx脉冲功率装置等触发系统的需求,设计了一种输出幅度在8~15 k V、重复频率1~40 Hz工作的重频高压脉冲源。采用固定频率脉宽调制(PWM)控制器TL494集成电路,构建高压电源给储能电容提供所需能量;在手动触发、光触发(单次和重频)以及电触发三种触发脉冲信号的作用下驱动IGBT半导体开关,经脉冲变压器变换后控制冷阴极触发管迅速导通,致使储能电容上的能量在75Ω负载上瞬间产生放电,得到一路幅度大于15 k V、脉冲前沿小于13 ns、脉宽大于500 ns的高压脉冲和一路幅度大于150 V、前沿小于8.3 ns、脉宽大于1μs的同步脉冲,系统抖动时间绝对值小于10 ns。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,并给出了重频工作下高压脉冲源输出的实验结果。     

轻质高频高压纳秒脉冲电源研制

高压脉冲电源是产生放电等离子体及其应用于生物医学、材料表面处理及流动控制的重要激励源.基于单极性Marx电路与脉冲变压器相结合的思路,利用脉冲变压器的电压波形过冲现象,开发了一台高频高压纳秒脉冲电源样机.该电源样机输出电压幅值最高可达21 kV,频率最高达16 kHz,上升沿和下降沿分别约为145 ns和215 ns,脉宽约为250 ns;输出平均功率为125W以内时,整机效率高于80％.该脉冲电源的输出电压、频率等参数连续可调且体积较小.上述研究为开发应用于放电等离子体的高压脉冲电源提供重要参考.     

用于产生非平衡等离子体的纳秒级脉冲电源研制

为了给非平衡等离子体相关实验提供ns级高压脉冲,研制了一台基于传输线变压器(transmission linetransformer,TLT)原理的高压重频ns脉冲电源,通过在传输线外套加磁环增加二次阻抗,提高TLT的输出电压和能量传输效率。同时设计了一种电容-开关-传输线的紧凑化同轴结构。实验表明,在连接匹配负载条件下,电源输出脉冲电压峰值可以达到26kV,脉宽100ns,上升时间25ns,可在500Hz频率下稳定运行。同时成功地将其应用于大气压氩气等离子射流实验,发现与正弦电压相比,相同电压峰值下,脉冲电源作用下的等离子体射流长度更长,但2种电源作用下的射流长度均出现饱和现象,同时电源频率对射流长度无明显影响。     

毛细管放电泵浦软X光激光装置

脉冲功率技术在激光领域中得到广泛的应用 ,文中介绍毛细管放电泵浦软 X射线激光的机理及据此要求设计的高压大电流快脉冲放电泵浦软 X射线激光装置的概况。该装置利用 Blum lein线作为形成线 ,以提高输出电压幅值。采用在一个毛细管中插入不同长度的电极方案 ,解决了不同毛细管长度维持放电回路电感不变的问题。经调试该装置输出电流 38k A、脉冲上升前沿 4 0 ns,满足了泵浦类氖氩 4 6 .9nm激光要求。为了在主脉冲前毛细管中产生均匀的等离子体 ,设计了外加预脉冲的方案     

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。     

基于脉冲形成线的脉冲方波电源设计

为研究某种高压氧化锌(ZnO)陶瓷压敏电阻的特性,设计了用于该电阻测试所需的高压脉冲方波电源。利用脉冲形成开关和高压脉冲形成线网络相结合的原理,采用固体半导体开关器件来产生触发脉冲信号。运用场畸变火花开关作为脉冲形成开关,去控制由脉冲形成线网络构建的储能单元进行放电。再通过应用脉冲变压器进行传输与能量变换后,最终在这种高压ZnO陶瓷压敏电阻负载上,实现输出电压幅度不大于40 kV、脉冲宽度不小于4μs、脉冲前沿不大于1μs的高压脉冲方波信号。     

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。