一种采用全固态开关的高压双极性脉冲源

为满足高压脉冲电场灭菌实验的需要,提出一种结合经典Marx发生器与全固态开关器件的高压双极性方波脉冲源设计方案。选用全固态开关器件替代传统的火花间隙开关,以单极性Marx发生器为核心,实现能量压缩,通过全桥固态调制器可实现高压方波脉冲的双极性输出。详细分析了电路的结构、工作过程、控制策略和负载适应能力。以全固态IGBT为主开关器件,研制了脉冲源的高压主回路部分;设计了相应的控制电路和开关同步触发电路,通过光纤和隔离供电模块实现了信号传输和强弱电的隔离。相比于常规的双极性高压脉冲源,该方案具有更简洁的电路结构和良好的负载适应能力,实现了输出脉冲极性可控、前沿更陡,脉冲频率、脉宽、电压幅值可调等优点。实验结果表明,该脉冲源系统可以产生幅值范围-7~7 k V、每秒脉冲数1~1 000、脉宽范围2~10μs、极性可变的高压方波脉冲,为开展高压脉冲电场灭菌实验,寻找最佳灭菌电参数条件,提供了硬件支持。     

MOSFET在感应叠加型高压双方波脉冲发生装置中的应用

为了获得脉冲间距较小并且可随时调节的高压方波脉冲,利用MOSFET响应快、重复频率高的特点研制出了感应叠加型固态高压双脉冲发生装置,该装置主要由8个感应叠加模块组成,每个感应叠加模块由18个并联的功率MOSFET构成。每个功率MOSFET具有专用的驱动电路,该驱动电路由雪崩晶体管产生的触发脉冲进行同步触发。通过测试,所搭建的8个模块感应叠加装置具有输出高压大电流双方波脉冲的能力,在10Ω负载条件下输出的高压大电流双脉冲的峰值电压达3.6 k V、峰值电流达360 A。输出脉冲底部不平坦度10%。通过优化调节雪崩触发脉冲的时间一致性,获得的输出高压脉冲的上升沿和下降沿时间分别为20 ns及30 ns。通过调整雪崩触发脉冲源输出的双触发脉冲的脉宽和脉冲间隔,可调节输出高压双脉冲的脉宽及脉冲间隔。     

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.     

高压脉冲电源设计及其在除尘中的应用研究

与直流高压除尘相比,高压脉冲除尘具有更强的荷电能力且能降低能耗。设计了高压脉冲电源的拓扑电路,并据此实现了一套基于半导体开关的高压脉冲电源,该脉冲电源波形完整且幅值、频率、脉宽均可调节。但该高压脉冲电源脉宽调节困难,据此提出了一种改进的调节脉冲电源脉宽的方案,该方案经测试简单易行。将其应用于高压脉冲除尘系统,基于此开展了幅值、频率对气体颗粒物去除率影响的研究。研究结果表明:相同频率下,脉冲电压峰值越高,PM10和PM2.5去除率越明显。相同脉冲电压峰值时,在20～100 Hz范围内,脉冲频率越高,PM10和PM2.5去除率越明显。当脉冲电压峰值为12 kV,频率为120 Hz时,去除率超过96%。     

模块化双极性固态指数衰减脉冲电压源研制

为了模拟特高压直流换流阀饱和电抗器绝缘电气应力,研制了1台模块化双极性固态指数衰减脉冲电压源。参照1 100 kV/5 000 A特高压直流换流阀饱和电抗器的电压参数要求,采用双极性Marx电路与脉冲变压器组合的新型拓扑结构,并进行理论设计和PSPICE电路仿真,仿真结果与所需波形参数一致,证实所设计电路的正确性。结果表明:发生器在容性负载为12.5 pF时,可输出频率为50 Hz的双极性脉冲电压。正极性电压脉宽11.40μs,上升沿1.18μs,幅值0-10.9kV可调;负极性电压脉宽68.2μs,上升沿21.38μs,幅值0～2.27 kV可调。该模块化脉冲电压源可为后续研究工频脉冲电压下饱和电抗器绝缘的局部放电机制和老化失效机制提供实验条件。     

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。     

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。     

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。     

嵌入式微机与PWM联合控制的脉冲电源研制

为了使高频直流脉冲电源的输出参数可调,从而使电源能更好地适应负载大范围变化的工作状况,将嵌入式单片机控制技术与PWM调制芯片SG3525相结合,成功研制了一种可变频率输出直流脉冲电源.该电源利用SG3525芯片调节和控制直流脉冲的电压,利用嵌入式微机C805IF330GM控制脉冲的频率和占空比,使电源输出直流脉冲的频率、电压和占空比均大范围连续可调.实验结果表明,所研制的高频直流脉冲电源电压稳定度小于0.3%,且电源具有参数可调节范围宽、稳定性好、结构简单的优点.     

便携式ns级脉冲功率高压源的设计与实现

描述了螺旋带状发生器的基本原理、设计参考和实现依据 ,在此基础上设计和实现了一种脉冲高压发生器 ,并基于脉冲高压发生器研制了一台脉冲电压幅度为 15 0kV、脉冲半宽为 5 0ns、重复频率为 2～ 5Hz的便携式ns级脉冲高压功率电源 ,同时给出了该电源的初级脉冲驱动源和控制电路的设计以及发生器输出电压的测量方式。