ns级高压强流脉冲放电技术中的断路开关

介绍了ns级高压强流脉冲放电技术中的几种断路开关的原理和典型应用,就它们的发展趋势作了讨论。     

适用于脉冲电声法的ns级超窄高压脉冲发生器的研制

对于电声脉冲法空间电荷测试系统中的高压脉冲电源,论文提出了采用脉冲形成线及振荡电路原理来实现超窄高压脉冲。论文在对脉冲发生原理及形成线的参数对波形影响进行了详细论述与分析的基础上,对超窄高压脉冲电源进行了制作和测试。从测试的结果可以看出,基于脉冲形成线原理的高压脉冲发生器能够形成稳定的超窄高压脉冲(ns级),其脉冲宽度随脉冲形成线的长度增加而线性增加,可适用于不同空间分辨率的电声脉冲法空间电荷测量系统。     

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。     

固态开关器件的串联技术

随着半导体技术的发展，在脉冲功率应用中，使用固态开关取代电真空开关器件已成为可能。本文主要分析了实际串联电路中各开关的均压技术；介绍了内含高频感应馈电和限流功能的光隔离驱动技术。最后给出了一台10kV样机的实验结果。     

180 kW全固态高压脉冲调制器的设计

为克服以真空电子管作为脉冲开关的传统调制器的缺点,介绍了一种以半导体器件作为脉冲开关的全固态高压脉冲调制器的设计工作。该调制器用于取代传统调制器来驱动速调管,输出脉冲功率180 kW(15 kV,12A)。分析了它的串联开关拓扑结构后讨论了开关器件的工艺和参数选择、均压网络对系统暂态和稳态能量的控制I、GBT驱动电路高压隔离与精确同步的解决方案以及系统控制策略的实现等关键技术。还开展了模拟打火条件下的快速过流保护试验并给出了试验波形。利用SABER软件对调制器电路的仿真和与实际测试波形的对比结果证明:这种固态调制器能够可靠工作。     

脉冲电场灭菌用固态高压开关的研制

针对脉冲电场灭菌技术对开关性能的特殊要求,提出了利用IGBT串联构成高压、大容量固态开关的技术。设计并实际制造出了可供高压脉冲电场灭菌用额定电压10 k V的固态高压开关。该开关采用8个1 700 V、400 A的IGBT串联,以栅极动态RCD为基本均压方式,以FPGA为主控单元,产生8路相对独立的基准控制脉冲,其脉宽、周期、延时均可调节,且以25 ns为步进调节。通过调节各路驱动信号的相对延时,使各单元分压均匀,消除过压影响,从而在负载端得到较为理想的方波脉冲。采用光纤隔离,使隔离电压不受限制。实验结果表明,该装置性能良好,可以满足脉冲电场灭菌的实际需求。     

高频高压脉冲电源充电软开关技术

提出了一种用于高频高压脉冲电源充电系统中的软开关技术。该技术利用L-C谐振原理,使开关管在零电流下关断来降低关断损耗,无需附加有源辅助开关和谐振网络,使开关管能可靠运行在高频状态,避免了在高频高压脉冲电源充电过程中出现的半导体开关器件过流、过压问题。实验结果表明,软开关技术能使整个电路高效、可靠运行,并且能在较宽的负载范围内实现软开关充电,结构简单,容易控制,对高频脉冲电源的高频化具有指导意义。     

基于磁开关的低频高压脉冲电源的设计与仿真

为了实现纳秒级快前沿高压脉冲,设计了基于磁开关的低频高压脉冲电源。通过电容充放电时间常数与磁开关相配合,最终输出连续纳秒级低频高压脉冲。应用saber电路仿真软件中分析和搭建多级低频高压脉冲电路仿真模型,通过仿真分析各级电容器的电压波形得知,磁开关将高压脉冲从3.2μs压缩至20ns,输出脉冲峰值从初始10kV上升至30kV,最终输出100Hz的连续低频高压脉冲。     

高压ns脉冲测量中的分压器性能及阻抗匹配

为研究ns级高压脉冲测量中存在的问题,探讨了分压器阶跃响应性能与脉冲测量结果的关系及测量系统的阻抗匹配与否对测量结果的影响。由阶跃响应性能不同的分压器的双指数脉冲响应的Pspice仿真和实验测量可知:当分压器阶跃响应存在过冲时,波形上升和下降时间变短;当阶跃响应的上升时间大于被测双指数脉冲的上升时间时,波形上升和下降时间加长。基于传输线理论和Pspice仿真分析及实验测量结果可知:系统内部阻抗不匹配将导致反射和初始分压比小于稳态分压比,高压引线始端不匹配将激发振荡。因此,只有当分压器的阶跃响应无过冲且上升时间低于被测脉冲上升时间、测量系统的阻抗匹配时,才可能得到准确的测量结果。     

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...     

单信号驱动的固态脉冲源

随着脉冲功率电源在材料表面改性、污水处理以及生物医学等方面的广泛应用,脉冲功率电源正在朝着小型化、驱动简单及稳定的方向发展。目前,由于固态脉冲电源信号需要进行高压隔离,造成系统复杂且体积庞大。为了降低系统的质量和体积,文中提出了一种单信号驱动的固态脉冲源的拓扑结构,通过一个信号控制第一级开关的导通和关断,经主电容对剩余开关的门极电容充电后自行触发余下开关。最后,基于该拓扑结构在通用电路分析(PSPICE)中仿真了10级单信号驱动的固态脉冲源电路,结果表明该新型电路拓扑直流充电源工作在800 V,系统输出幅值约为8 kV,脉宽约为200～800 ns的脉冲电压,对于生物医学应用、肿瘤消融以及污水处理有重大意义。     

基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制

研制一套具有快边沿纳秒脉冲等离子体射流装置。该装置由基于Marx电路的并带有尾切开关的全固态纳秒脉冲发生器和具有针环电极结构的等离子体射流装置组成。其中,纳秒脉冲源主要由直流电源、控制电路和主电路组成,主电路为10级模块化设计的Marx电路,使用MOSFET作为主开关和尾切开关;控制电路产生同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后同步驱动MOSFET工作。输出纳秒脉冲电压参数为:幅值0~8k V可调,脉宽100~1 000ns,重复频率1Hz~1k Hz,上升沿30ns左右,下降沿50ns以内。等离子体射流装置使用氩气作为工作气体,其结构为针-环电极结构。搭建等离子体射流实验平台,并能够产生稳定的等离子体,为进一步探索大气压等离子射流的应用奠定了基础。     

高重复频率的ns气体火花开关

针对气体火花开关工作频率低的缺点,以μs级上升时间和脉宽的单极性高压脉冲作为初级脉冲,通过ns火花开关的作用,得到频率为几千Hz、脉宽和上升时间都为ns级的重复脉冲。分别改变开关的工作气压、气体成分及直流偏置等工作条件,在不同的原始脉冲的间隔时间(200～1000μs)下,测量了两个连续脉冲的幅值和作用时间,进而研究了不同频率下开关工作条件对电压恢复特性的影响,并根据残余电荷的运动及分布,对其进行了讨论。结果表明:提高开关工作气压、掺入适量的SF6及施加合适的偏置直流电压都将改善开关的电压恢复特性。     

基于磁开关的高压纳秒脉冲电源

基于磁脉冲压缩技术设计了一种磁开关,通过初始脉冲波形参数与磁开关参数的配合,将微秒级原始脉冲加以压缩,产生电压幅值为6 kV、上升时间为300 ns的脉冲。分析了单级、多级磁脉冲压缩电路的工作原理,介绍了磁开关的计算设计方法,并建立了电子工作台(Electronic Workbench,简称EWB)电路仿真模型,比较了电路中各元件参数对脉冲输出参数的影响。     

一种纳秒级高压脉冲发生器的研制

电声脉冲法(PEA)是一种目前较为流行的空间电荷分布测量技术,使用该法的一个前提条件是必须产生一个幅值大于400 V、脉宽小于20 ns的高压脉冲。笔者研制了一种纳秒级高压脉冲发生器,利用水银继电器作为开关,贮能电容通过此开关对匹配负载放电,经试验能产生脉冲幅值600 V、脉宽小于10 ns的陡脉冲电压信号。     

高压纳秒脉冲气体放电试验研究进展

按时间顺序综述了纳秒脉冲下气体放电的试验研究结果,简述了几种纳秒脉冲下放电机理假说,并总结了相关的经验公式。目前,重频纳秒脉冲下气体放电的试验研究有较多空白,有必要开展此项研究。     

20kV小电流可控硅固体开关的研制

利用脉冲变压器隔离驱动,采用28个可控硅(TYN1225)串联成20kV固体开关。解决了变压器输出一致性和绝缘问题,对串联电路中各开关的均压等相关技术进行了讨论,并给出了测试结果。     

基于高速数字电路的PD UHF信号纳秒级陡脉冲源研制

超高频法是目前电力设备局部放电在线监测广泛使用的监测方法,超高频电磁信号的定量、定位研究需要稳定可靠的UHF信号模拟发生装置,针对这一现实需求,文章设计了一种基于数字电路的纳秒级脉冲源,用于产生PD UHF模拟信号。文章详细分析了利用数字电路产生陡脉冲的原理,选用简单的高速逻辑器件构建了脉冲发生电路,并采用虚拟仪器产生频率可变的方波信号作为脉冲源的触发信号。用Pspice仿真分析了门电路的脉冲响应特性,并搭建了试验电路进行性能测试。实验结果表明,该脉冲源产生的陡脉冲信号幅值可达2 V,脉冲重复率为50 k Hz-20 MHz,上升陡度为1 ns,脉宽为3 ns,能有效模拟PD UHF信号,并进行相关的局部放电实验。