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。     

基于光导开关的固态脉冲功率源及其应用

为了推动脉冲功率技术的应用,研制了紧凑、可高重复频率运行的固态脉冲功率源。通过大功率固体开关及电路拓扑结构的比较,选择了基于光导开关的层叠Blumlein线型脉冲功率源这一技术路线。基于铁电陶瓷脉冲形成线和光导开关构建了大电流固态模块,光导开关通流能力超过4 k A。已经实现的应用包括:研制了200 k V/1 k A固态脉冲功率源并与反射二极管结合实现了重复频率为100 Hz或1 k Hz、脉冲宽度约40 ns的猝发X射线脉冲输出;利用基于光导开关的Blumlein线模块产生的快脉冲进行了血液病原体灭活初步研究,可得当脉冲个数为10个时,在80 k V/cm的电场作用下红细胞悬液中细菌的抑制率为57%。     

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。     

一种新型无源无损软开关UPS充电拓扑研究

结合不间断电源(UPS)充电拓扑对称式结构与无源无损软开关技术的优点,提出了一种新型无源无损软开关充电拓扑。缓冲电路通过电感、电容、二极管等无源器件将开关瞬态的能量在一个开关周期转移到负载端或供电端。分析了电路的工作模态,给出了缓冲电路中电感、电容的参数设计方法。为验证该设计,搭建了一台6kWUPS充电样机。试验结果表明该拓扑较硬开关拓扑效率明显提高,主功率管较好地实现了零电流开通与零电压关断。     

基于快Marx发生器的紧凑型重频脉冲驱动源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲驱动源。采用低功率电源(比如30 V电池)作为初始能源,重频高压充电电源集成大容量超级电容,可脱离外部电源重频对Marx发生器充电至100 k V,结合对高压充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现Marx发生器的重频高功率多脉冲输出;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF6气体绝缘等设计,最高建立电压800 k V、额定储能1.6 k J;高压充电电源和脉冲触发源采用真空灌封绝缘胶等紧凑设计,全系统集成后外形尺寸约0.9 m×0.45 m×0.45 m。在实验中获得了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压400 k V、电流21 k A的连续多脉冲输出,为研制更高性能的小型化重频脉冲驱动源奠定了基础。     

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。     

固态Marx发生器研究进展

为推动固态Marx发生器技术的研究和发展,介绍了近年来国内外学术界对固态Marx发生器技术的研究现状,重点分析了固态Marx发生器涉及的隔离充电技术、陡化技术以及负载能力等关键技术问题,并展望了其未来发展的趋势。固态Marx发生器的固态开关采用独立触发方式,每个开关可分别控制开通和关断,具有多参数特制、高频化、寿命长3方面的突出技术优势。通过采用隔离充电方式,可以实现低压充电电源和高压脉冲输出之间的电气隔离;通过陡化技术,可以实现数十ns脉冲上升沿输出;结合特定设计,固态Marx发生器可适用于驱动电阻、电容、电感以及它们的组合型非线性负载,在一定范围内调制出需要的电压、电流波形,具有较大的灵活性。伴随着半导体开关器件以及电力电子技术水平的发展,固态Marx发生器将向小型化、集成化和模块化方向发展,满足脉冲功率技术未来不断提高的应用需求。     

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。     

基于部分功率调控的有源–无源电容分裂叠加式高峰均比低频脉冲功率平抑方法EI北大核心CSCD

高峰均比低频脉冲电流载荷影响航天器电源系统高效稳定运行,基于大容量储能电容阵的脉冲功率被动平抑技术极大增加航天器系统的体积重量。以降低航天器电源系统体积重量为目标,提出基于部分功率调控的脉冲功率平抑方法。通过将无源解耦电容分裂为有源电容与无源解耦电容串联,不仅为负载提供稳定的供电电压,而且大幅增加解耦电容电压波动范围、减小解耦电容体积重量。由于有源电容仅需提供部分脉冲负载功率,有效降低了脉冲功率主动平抑所需额外增加的功率电路容量、体积重量和损耗。文中详细分析所提脉冲平抑系统架构、电路实现及其控制方法,实验结果证明了所提方法的可行性和有效性。     

开关串联型高压纳秒级双极性脉冲功率电源研究

与直流高压除尘相比,高压脉冲除尘具有更好的除尘效果且能耗更低.为提高脉冲电源系统效率及功率密度等指标,需输出纳秒级高频高压脉冲.基于固态开关器件串联拓扑,设计了一种高压纳秒级双极性脉冲功率电源.基于脉冲电源拓扑和工作原理,首先详细分析并设计了电源各部分组件参数,然后通过仿真验证了方案的有效性.最后搭建了脉冲功率电源样机进行实验验证,测试结果表明,脉冲电源能够输出幅值0～±4 kV、脉冲上升沿约58 ns、下降沿约175 ns、脉宽10 ns～100 μs可调的高压快速脉冲,验证了理论分析与设计的正确性.     

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。     

冲击磁铁脉冲发生器技术分析

为了配合合肥光源的满能量注入系统升级,分析了传输线型,简化PFN(脉冲形成网络)型和固态感应叠加型等几种用于冲击磁铁的高压大电流脉冲发生器技术和升级需要的冲击磁铁参数。建立了几种脉冲发生技术相应的的基本电路模型,并利用通用电路仿真软件Pspice仿真计算了相关参数,比较分析了各自的技术特点。重点介绍了新型的磁耦合固态感应叠加型脉冲发生器,建立了基于IGBT开关的感应叠加脉冲发生器样机,给出了实验波形。结果表明,感应叠加型脉冲发生器可以满足升级改造的要求,并具有脉冲上升下降时间较快,脉宽可调的特点。     

High Voltage Pulsed Power Supply Using IGBT Stacks

High voltage pulsed power supply using IGBT (insulated gate bipolar transistor) stacks and pulse transformer for plasma source ion implantation is proposed. To increase voltage rating, twelve IGBTs are used in series at each IGBT stack and a step-up pulse transformer is utilized. To increase the current rating, the proposed system makes use of synchronized three pulse generator modules composed of diodes, capacitors and IGBT stacks. The proposed pulsed power supply uses semiconductor switches as main switches. Hence, the system is compact, and has semi-infinite lifetime. In addition, it has high flexibility in parameters such as voltage magnitude (10-60 kV), pulse repetition rate (PRR) (10-2000 pps), and pulse width (2-5 muS).     

Design and Simulation of Solid State Pulser with Fast Rise Time and Double-exponential Waveform

Voltage pulses with fast rise time can be obtained from Marx circuits based on avalanche transistors. In this research, the ZETEX avalanche transistors are used as the switches in a Marx circuit to generate stable voltage pulses with double-exponential waveform and fast rise time. By using these transistors, the circuit is able to generate higher pulsed voltage with fewer stages. A three stages and a ten stages Marx circuit, as well as their triggering circuits, are designed. The two Marx circuits are also tested by simulations based on the Pspice code and by experiments, results of which are consistent with each other. With the ten stages Marx circuit, we obtain positive and negative pulses with the rise time of about 1.5 ns, the amplitude above 1 100 V, and the pulse width below 5 ns. It is proved that the proposed Marx circuit equipped with avalanche transistors could be an effective kind of solid-state pulse generator.     

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。     

激光引信中发射单元的设计

设计了用于机载激光引信的激光脉冲测距发射单元,该发射单元由激光器和驱动电路构成。激光器选择纳秒级脉冲大功率固体激光器,采用半导体激光二极管作为泵浦源,提出了一种获取同步信号的方法,并对其整体结构进行了考虑。为满足引信特殊需要,为半导体泵浦固体激光器设计了专用驱动电路,解决了固体激光器在不同温度下重复频率不稳定性问题,避免了使用体积庞大的致冷器。激光发射单元工作可靠,在很大温度范围内重复频率稳定并可灵活可调。5V电源时,输出峰值功率达2018W、脉宽3.3ns、重复频率达10kHz。     

自适应限流型固态断路器的直流电源设计

为消除常规限流电抗对直流系统运行稳定性和直流断路器断流速度的不利影响,桥式限流型固态断路器实现了兼具自适应故障限流与断流的优异性能,但其桥电路中的直流偏置电源存在无过流保护和电源容量与投资成本相对较高的缺陷。针对桥式限流型固态断路器,文中设计了一种基于三相半波整流电路的直流偏置电源,提出了偏置电源参数选取和电压整定方法,有效减少了电力电子器件数量,实现了偏置电源过流保护电路,降低了偏置电源设计容量和制造成本。样机实验和仿真算例证明了所提出的自适应限流型固态断路器的偏置电源的优势。     

Investigating Pulsed Discharge Polarity Employing Solid-state Pulsed Power Electronics

The power electronics technique has become a key technology in solid-state pulsed power supplies. Since pulsed power applications have been matured and found their way into many industrial applications, moving toward energy efficiency is gaining much more interest. Therefore, finding an optimum operation condition plays an important role in maintaining the desired performance. Investigating the system parameters contributed to the generated pulses is an effective way in improving the system performance further ahead. One of these parameters is discharge polarity, which has received less attention. In this article, the effects of applied voltage polarity on plasma discharge have been investigated in different mediums at atmospheric pressure. The experiments have been conducted based on a high-voltage DC power supply and a high-voltage pulse generator for point-to-point and point-to-plane geometries. Furthermore, the influence of electric field distribution is analyzed using finite-element simulations for the employed geometries and mediums. The experimental and simulation results have verified the important role of the applied voltage polarity, employed geometry, and medium of the system on plasma generation.     

大功率固态脉冲调制器技术分析

介绍了目前国际高能粒子加速器领域中大功率固态高压脉冲调制器的发展状况,讨论了串联开关型和感应叠加型两种技术路线的特点,后者因输入电压低、变压器采用同轴结构等原因有一定的优越性。建立了单元电路的简化模型,仿真显示减少单元电路漏感是实现快速脉冲的关键。该路线涉及大功率IGBT快速驱动技术、同轴磁芯设计等其它关键技术。最后给出了一台34 MW速调管的调制器设计方案和单元电路输出波形。     

基于SOC的可调高压脉冲电源实现与控制

随着现代电力电子技术的不断进步,各种高精度的电子设备不断涌现,而这些设备的正常运行,都离不开电源系统的有效支持。本设计是基于紫外光电管测试系统而设计的一种高压脉冲电源,主要用于给紫外光电管系统供电,也可以用于给其他设备供电。利用SOC技术控制高频PWM调制来产生脉宽和频率可调的脉冲信号,用于对高压直流电源进行控制。经实践证明,在用户规定的频率范围内,其输出的脉冲电压幅度连续可调,电压调节方便、精度高,是一种稳定可靠的可调高压脉冲电源。