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。     

低频高压脉冲放电水处理电源设计

采用电容作为储能元器件,气体放电管作为脉冲开关,设计了低频高压脉冲放电水处理电源。结合电流电压双闭环负反馈控制方法,设计了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变直流充电电路,可对储能电容进行恒压限流充电。基于PIC16F72单片机,研制了专门的放电触发时序控制电路,实现了3路高压脉冲放电电路交替放电,脉冲电源放电频率可达200Hz。将该高压脉冲电源应用于日落黄模拟印染废水处理,降解效果显著。     

一种基于IGBT的Marx发生器的研制

为了解决地球探测仪器等领域所需脉冲电压在几十至几kV之间输出电流相对较小的问题,提出了在中小功率场合采用IGBT代替空气放电球隙,从而改进充放电回路的控制方式。给出了以IGBT作为控制开关的Marx发生器的构成框图,IGBT驱动电路和AT89S52单片机控制电路;分析了以放电球隙作为控制开关的Marx发生器基本回路的动作过程;设计了一种以IGBT为控制开关的3级Marx发生器,并进行了放电等效电路的计算和元件参数的选择。采用单片机内部定时/计数器产生周期性脉冲信号,作为IGBT驱动电路的原始控制信号,最终实现了幅值1200 V,脉宽1~10 ms,脉冲频率为10~240/min可调的脉冲电压。采用示波器分压测试的方法给出了负载电阻输出脉冲电压的实际测试结果。测试结果表明,中小功率场合采用IGBT作为控制开关构建Marx发生器切实可行。     

Boost-Marx型高压脉冲电源设计

基于Marx电路因电感引入而带来的升压不确定性问题,所提Boost-Marx型高压脉冲电源将Boost电路的升压原理应用于Marx发生器。通过对Boost-Marx拓扑结构型高压脉冲电源的稳态工作进行研究,推导出当电感连续导通时,稳态工作模式下与输入电压、占空比和电路级数有关的输出电压公式。设计了4级Boost-Marx电路,每级电路由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、快恢复二极管和电容器组成。实验结果表明,Boost-Marx型高压脉冲电源的输出电压公式是正确的。     

新型高压脉冲电场灭菌电源的研制

为了满足高压脉冲电场灭菌的要求,提出一种采用固态开关与半桥式Marx发生器结合的新型高压脉冲电场灭菌电源。此电源通过对经典Marx电路结构进行改进,解决了经典Marx电路直流充电电源与高压端的隔离问题,而且具有良好的电压钳位功能和负载适应能力。分析了半桥式Marx电路在阻性、容性、感性负载下的工作过程以及放电过程中固态开关未正常工作时电压钳位效果,此电源由可调直流电源、5级半桥式Marx发生器和控制保护电路三部分组成,使用现场可编程门阵列(FPGA)作为控制器产生控制信号,使用光纤隔离的方式为主回路提供控制信号。电源可输出电压幅值10 kV,每秒最大脉冲数1 000,脉冲上升时间300 ns,最大脉宽20μs的高压方波脉冲,并且重复电压幅值、频率,脉宽可调,能够满足高压脉冲灭菌实验的需求。     

基于H桥-MPC电路的高压脉冲发生器设计

针对强电磁脉冲用于工业及生活污水有机物降解研究,设计并研制了采用H桥式逆变电路和磁脉冲压缩(MPC)电路为核心结构的小型高重复频率高压脉冲发生器.该装置输出电压脉冲为双指数电压波,脉宽为纳秒到微秒级别可调,上升前沿时间为纳秒级,脉冲峰值为0～20 kV,脉冲重复频率为0～300 Hz.采用H桥电路结构,初级储能电容可直接连接充电电源,省去缓冲电路.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在零电流和零电压条件下关断,关断损耗非常小.经实验证实电压和电流上升时间及脉冲宽度都为百纳秒级,电压峰值可接近20 kV.所设计电源很好的满足了污水放电有机物质降解的研究及应用,此外还可以推广到其他研究及工业应用领域,如气体放电等离子体研宄等.这里的研究对高压脉冲发生器的设计、研制及应用具有一定的指导意义.     

用于等离子体离子辐照的新型阶梯型脉冲高压电路研制

为满足等离子体离子辐照和复合表面改性处理技术的发展,提出了基于Marx发生器,通过调节驱动信号延时,实现放电IGBT开关不同时导通,从而获得阶梯型脉冲高压输出的电路设计思想,并验证了其可行性.试验结果显示,该电路可输出脉冲峰值电压10 kV,峰值电流30 A,脉冲宽度3～30μs,脉冲频率20～500 Hz,最大电压阶...     

工业用高压脉冲电场灭菌电源研制

针对高压脉冲电场灭菌设备工业化对脉冲电源的特殊要求,提出一种采用固态开关的新型高压脉冲电源。此电源通过对传统Marx高压脉冲发生器的结构进行改进,使新型电源具有良好的电压钳位功能,解决固态开关串联对于开关开断不一致性而导致固态开关串连锁击穿的问题。此电源由8个结构相同的标准级单元组成,使用现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)作为控制源,为8个级标准单元提供相对独立的控制信号。使用光纤隔离方式,使隔离电压不受影响,并且为每个级标准单元的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板设计独立的供电电源。实验结果证明,此电源性能良好,能够满足工业用高压脉冲电场灭菌的需求。     

旋转火花开关多脉冲触发系统设计

为提高触发旋转火花开关的稳定性和可靠性,研制了一套输出电压及频率可调的高压脉冲触发系统。该系统应用多脉冲触发模式,采用可调直流电源和储能电容作为能源系统,利用半导体开关器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为主开关控制放电周期和脉冲宽度,由数模混合电路构成信号源控制IGBT的通断,经过高压脉冲变压器在负载上获得需要的高压脉冲。实验结果表明,该系统在500 Hz的重复频率下能连续稳定地输出高于38 kV的高压重频脉冲,脉冲宽度为20μs,能稳定触发旋转火花开关。通过多脉冲触发的应用,提高了触发系统的可靠性和稳定性、减小了触发系统的体积和重量。     

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.     

陡化前沿Marx发生器中开关过电压的研究

为了解陡化前沿Marx发生器单级放电回路中影响气体火花开关过电压的因素,在理论分析了过电压幅值后进行了实验研究。分析认为:消除级间元件的耦合电容与增大开关电极对地的分散电容是设计陡化前沿Ma-rx发生器的关键;10级陡化前沿Marx发生器放电模型的计算分析表明,开关电极对地分散电容还应具备一定的数值才能实现快前沿高压脉冲的建立。基于以上分析设计制作的10级陡化前沿Marx发生器充电40 kV时,在90Ω负载上得到了电压幅值约为210 kV,电流约为2.3 kA,脉冲前沿时间约为4 ns的高压脉冲,验证了分析的正确性。最后分析了发生器工作在SF6气体中分别采用电感隔离充电与电阻隔离充电时发生器输出脉冲波形的差异,并对陡化前沿Marx发生器的进一步优化设计给出了一些实用的建议。     

固态开关串联的高压重频脉冲电源

随着脉冲功率技术在生物医疗、食品加工、电磁成形、等离子体研究等领域日益广泛而深入的应用，脉冲发生器的研制面临高压高频化、全固态化等新要求。为了满足这种新要求，设计了一种固态开关串联的高压重频脉冲电源。脉冲电源主要由高频触发电路、主电路以及LCL谐振电路组成：主电路为8级Marx电路串联，MOSFETs作为充放电控制开关；触发电路输出触发信号驱动MOSFETs工作；LCL谐振电路可实现输出电流恒定。电源结构触发同步性好，充电速度快，结构紧凑。对电路的结构设计、电路原理、参数设置进行了详细阐述，并利用Simplorer软件仿真验证高压重频脉冲电源电路的可行性。最后搭建了一台高压重频脉冲电源样机，实验样机参数为脉冲电压0～4 kV,重复频率0～8 kHz可调，脉冲宽度5～12μs可调。     

基于同步信号的多路延时IGBT驱动电路设计

基于同步信号设计了一种可实现相互之间高压隔离的IGBT多路延时驱动电路系统,并应用到Marx电路中,实现了可柔性调节的阶梯型脉冲高压输出。试验结果表明,延时驱动电路可实现最大30μs的延时,且具有IGBT驱动电压欠压保护、自给反向栅压等功能,同时场效应管的存在抑制了栅射极电压振荡。驱动信号高压隔离变压器为单原边多副边结构,简单紧凑,通过副边数目的增减,可驱动不同级数的Marx电路,具有扩展性好的优点。过流保护电路反应速度快,IGBT关断可靠,可在2μs之内抑制短路电流继续上升。该驱动电路应用于10级的Marx电路中,实现了峰值电压10 kV,脉冲宽度30μs,最大电压阶数10阶的脉冲高压输出。     

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。     

等离子体高压脉冲电源

研制了一种基于Marx发生器用于工业废水处理的高压脉冲电源,介绍了其工作原理、同步驱动电路及主要参数。Marx发生器共32级使用固态绝缘栅型双极晶体管(IGBT)和快恢复二极管为发生器的结构元件,聚丙烯(CBB)电容为储能元件。结构上采用顺/逆时针分部的紧凑型拓扑,降低了回路电感,实现了电源体积小型化;为防止IGBT因负载短路而损坏,驱动电路中加入无源保护电路。实验表明其在处理工业废水中效果优良。     

均压驱动耦合型单驱动IGBT串联电路设计

为给介质阻挡放电提供电压、频率、脉宽可调的高压脉冲,文中设计了均压驱动耦合型单驱动IGBT串联电路。该串联电路在每个IGBT两端并联一个动态均压与驱动信号输出耦合电路,在导通关断时,一方面保证IGBT两端电压不超过额定电压,另一方面为下级IGBT提供驱动截止信号。通过仿真研究,验证了电路原理的可行性,探索了元器件的选型规则。通过实验研究,实现了电源电压在0～15 kV可通断、频率在0～1 kHz可调节、脉冲宽度在一定范围内可变化,并成功实现介质阻挡放电。该电路解决了多驱动IGBT串联电路需要隔离高压电源及单驱动IGBT串联电路结构难以扩展,各级IGBT导通关断跟随性差,元器件容易损坏的缺陷。该电路同样适用于MOSFET,具有很好的应用前景。     

具有负载普适性的高压双极性方波脉冲源研制

为满足高压脉冲杀菌灭藻实验的需求,研制了一种新型极性可调方波高压脉冲电源。该电源前端为半桥式Marx电路,产生单极性重复频率的方波高压脉冲,后端级联一个H桥,通过控制H桥正、负向放电通道开闭的不同时序实现对高压脉冲极性的调节。本文对拓扑结构设计思路、不同负载时的工作原理和开关控制策略进行了阐述和分析,并利用PSIM软件仿真验证了该脉冲源设计方案的正确性。最后,研制了脉冲源样机,经测试证明,该脉冲源所采用的IGBT浮地驱动技术安全可靠,其最大输出电压达±7k V,输出电流达±10A,脉冲数达1kpps,额定输出时上升沿可达160ns,脉宽3.5μs,且能在阻性、容性、感性等各类负载下正常工作,并易于实现电压、频率、脉宽、极性的调节,易于实现模块化和小型化。     

一种固态开关紧凑高压脉冲电源的设计与仿真

为了满足运载工具对脉冲放电电源的需求,设计了一种利用车载蓄电池作充电电源,采用两级电感储能、电容传输能量的拓扑电路,脉冲变压器输出最大幅值30 kV、ns级上升沿(反应器负载)、高压脉冲重复频率1 kHz的用于放电处理汽车尾气的全固态开关紧凑型高压脉冲电源;分析了电源主电路工作原理,对电路的动态工作进行数学建模和解析求解,并用Matlab仿真给出一组典型的电源工作波形,为电源设计和元件参数选取提供了依据。在给定电路和负载参数下对电源工作进行PSpice仿真分析的结果表明,该方法能真实反映实际元器件参数对电路工作的影响;该电源能胜任一定范围的阻、感、容性负载下的工作,负载特性可用于电路设计的改进和用户参数的选取,特别是容性反应器负载的特性表明电源可用于汽车尾气的处理。     

基于移相控制技术的纳秒级高压窄脉冲电源研究

设计了一种基于移相控制充电电路的纳秒级高压窄脉冲50k V电源,与传统的变压器加全桥整流组合开环控制相比,本方案的优点是,不仅可实现对Marx电路进行恒压限流充电控制,而且可对高压窄脉冲的幅值和频率进行调节。为降低发生器在放电时对前级电路造成的影响,利用电感值较大的特制电感进行前后级隔离。实验结果和污染物处理数据表明,在输入电压500V、串联100级电路时可以产生50k V、上升沿宽90ns的高压窄脉冲,并对污染物有较好的处理效果。     

用于激励固体绝缘缺陷的SOS型高压重频纳秒脉冲电源的研制

为了对固体缺陷材料进行局部放电检测,文中研制了一台基于半导体断路开关(semiconductoropening switch)的高压重频纳秒脉冲电源,作为激发固体绝缘缺陷在重频下产生局部放电的激励源。纳秒脉冲电源由初级谐振充电单元、磁脉冲压缩单元和半导体断路开关(SOS)三部分构成。介绍了纳秒脉冲电源各部分的设计,给出了纳秒脉冲电源的调试波形。调试结果符合设计要求,在620Ω电阻负载上产生幅值30 kV、前沿30 ns,半高宽110 ns的脉冲电压波形。纳秒脉冲电源连续运行重复频率1 kHz,间隙工作重复频率最大10 kHz。搭建局部放电检测平台,纳秒脉冲电源成功用于试品的局部放电检测,重频下试品放电重复性好。