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。     

基于特斯拉变压器的重频脉冲源输出特性分析及优化

特斯拉变压器型脉冲源是国内外脉冲功率研究领域的热点之一,由于其工作频率较低,而提升成本过高,限制了其在脉冲功率等高新技术领域的应用。该文基于螺旋线型特斯拉变压器的脉冲源样机,提出一种提升特斯拉型脉冲源重频工作能力的方法,分析该脉冲源脉冲形成过程,并将其分为充电电压上升、晶闸管关断和变压器谐振放电三个阶段,经过测试可知脉冲源变压器谐振放电时间是影响其频率提升的主要因素。基于上述研究进行脉冲形成过程不同阶段下的优化设计,调节外电路参数加快充电上升时间,分析晶闸管工作原理并对其关断时间进行优化,改变电路结构缩短其谐振放电时间。调节失谐系数可有效地提高脉冲源的输出电压比和能量效率等关键性能指数,在保证稳定工作的前提下,通过优化电路结构和谐振放电时间加强了脉冲源重频工作能力,最终可实现脉冲源为输出电压0～20kV,输出电压比123,能量效率64%,上升沿30ns,频率0～1kHz可调的纳秒脉冲发生装置。进而促进后续特斯拉型脉冲源的结构紧凑化及其在实际工程中的应用。     

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。     

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。     

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。     

基于模块化Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源设计

重频纳秒脉冲激励的大气压等离子体放电具有反应活性高等优点。设计了基于模块化雪崩三极管Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源。计算不同Marx模块的导通时延和输出波形的抖动,研究了磁心数量、位置和形状对于输出波形的影响。磁心电感越大、外径与内径之比越大,且位于传输线变压器第一级和最高一级时对脉冲叠加效率的提升作用越明显。提出直接叠加和传输线变压器两种脉冲叠加方式组合的方法,进一步提高输出电压。整体脉冲源可以在50~300Ω负载产生2~14k V,高阻负载产生4~25k V,前沿3.8ns,脉宽7~15ns,重复频率0~10k Hz的重频纳秒脉冲电压,装置结构紧凑,参数调节灵活,方便携带。     

基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制

针对不同应用领域中负载阻抗的多样性,研制一种基于Marx和直线型变压器驱动源(LTD)拓扑的复合模式脉冲源。该脉冲源包含4个LTD模块,且每个LTD模块由1个3级Marx电路组成。其主要优点是可以降低对隔离电源模块、触发同步性的要求,负载适应能力强,并且可使脉冲装置小型化。首先对该脉冲源拓扑结构和参数进行设计和理论计算,并采用PSpice软件验证其可行性,最后研制复合模式脉冲源的样机并测试其性能。该脉冲源采用MOSFET作为主开关,二极管作为隔离元件,用含锁相环功能的现场可编程门阵列(FPGA)产生控制信号。该脉冲源的输出脉冲参数:幅值为0~8 kV,脉宽为60~160 ns,脉宽步进可达1 ns,重复频率为1 kHz,上升沿约10 ns。通过FPGA产生相移控制信号对该脉冲源的每级进行单独控制,可实现对输出脉冲上升沿和下降沿的灵活调节。脉冲源采用模块化设计,可以通过增加模块数量方便地提高最大输出电压。     

基于感应叠加技术重频脉冲源的研制

具有亚微秒上升前沿的高压大电流重频脉冲源在生产和科研领域有着广泛应用,由于导通电流大、工作电压高,脉冲源一般选用气体火花开关。由于气体电离的恢复特性,普通气体火花开关难以做到较高频率下的重复导通。氢闸流管开关由于特殊的工艺结构,具有稳定可靠的触发和快速的脉冲上升前沿,适宜作为重频脉冲源的开关。介绍了基于感应叠加方法用较低工作电压的氢闸流管开关获得数倍高压输出的重频脉冲的原理,分析了同轴屏蔽输出结构磁场的分布以及高压重频源的实现方法。     

氢闸流管开关和感应叠加技术重频脉冲源的实验研究

在电力系统和继电保护设备快速瞬变电磁脉冲群的效应实验中,具有亚μs上升前沿的高压重频脉冲源是关键的设备之一。提出了采用氢闸流管开关结合感应叠加技术实现高压重频脉冲输出的方法。基于变压器理论推导并分析了感应叠加输出方式对脉冲前沿的影响,仿真分析了重频脉冲与单脉冲在频域内的分布情况及变压器的磁场分布,给出了同轴屏蔽结构的设计。应用该方法得到了幅值为50kV的连续5路且前沿在20ns内的重频脉冲输出,该脉冲间隔最小为50μs,并能以10μs为步长调节。实验结果表明:氢闸流管触发稳定可靠,同轴屏蔽结构的感应叠加输出方式可以有效地减小漏感对脉冲前沿的影响,并增加了传输效率。     

Compact Subnanosecond Pulse Generator Using Avalanche Transistors for Cell Electroperturbation Studies

Research on the electroperturbation effects of ultrashort high field pulses in cancer cells requires subnanosecond rise time, high voltage pulses delivered to low impedance biological loads. Here we present a compact solid-state pulse generator developed for this application. The pulse is generated by switching a chain of avalanche transistors configured as a tapered transmission line from high voltage to ground. The system features a built in 1400:1 capacitively compensated resistive voltage divider. The divider, with a 3 dB point at 910 MHz, overcomes challenges in the direct measurement of the high frequency components of the output pulse. The generator is capable of producing a 0.8 ns rise time, 1.3 ns wide, 1.1 kV pulse into a 50 Omega load at a maximum repetition rate of 200 kHz. Techniques to implement physical layouting strategies to achieve subnanosecond rise times are outlined. Problems faced in integrating the subnanosecond pulse generator with a biological load are discussed. This pulse generator will be used in experiments aimed at electromanipulation of intracellular biomolecular structures.     

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。     

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。     

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。     

Nanosecond High Voltage Pulse Generator Using Water Gap Switch for Compact High Power Pulsed Microwave Generator

Nanosecond and sub-nanosecond high voltage pulses can provide new applications. A cancer treatment by an ultra-short pulse high electric field is one of them. High power pulsed microwave has been proposed to apply the high electric field for that treatment. This work focuses on the design of a compact high power pulsed microwave generator using a nanosecond pulse power generator for the cancer treatment. To obtain fast rise time of voltage and current for nanosecond pulses, a switch has to have low inductance. Water gap switches have this property. Since water has a dielectric strength exceeding 1 MV/cm, gap distances for switching can be reduced to several hundreds of micrometers, and still allow switching of tens of kV. The narrow gaps allow us to reduce the switch inductance. In this study, the water gap switch was built in a Blumlein pulse forming line. The Blumlein line was designed to provide a pulse of 1 ns and to match an impedance to 16 Omega of an antenna. By using the water gap switch in the Blumlein line, the voltage rise time obtained approximately 750 ps at 13 kV of a peak pulse voltage. An electromagnetic wave was radiated underwater by the loop antenna. A measuring antenna at 0.15 m and 0.4 m from the radiating antenna caught electric field intensities of 116 kV/m and 32 kV/m, respectively. A frequency element of 250 MHz had higher intensity.     

铁心式脉冲变压器的谐振充电特性

基于脉冲变压器的陡脉冲发生器是神光III能源模块主放电开关的触发方案之一。该类型触发器利用脉冲变压器对高压电容谐振充电,并通过陡化开关输出陡脉冲触发气体开关。分析杂散电阻和激磁电感对谐振充电变比和效率的影响,理论推导了环形铁心脉冲变压器的铁心体积最小值,并在实际工程中验证。设计了带载电容为1.08 nF,输出电压峰值为130 kV,绕组变比为65的干式铁心式脉冲变压器。研制了基于脉冲变压器谐振充电的气体开关触发器,其输出脉冲峰值大于120 kV,上升时间小于30 ns,能够稳定可靠地触发两电极气体开关。     

频率捷变信号源的捷变合成研究及实现

介绍了基于直接频率合成的捷变合成控制方法以及频率捷变信号源基于直接频率合成器的捷变合成设计方案及工作原理,重点讨论了使用大规模可编程逻辑器件实现捷变合成中的捷变频率集和调制、捷变频触发控制及时序同步、优化数据处理最小化触发延迟时间等设计技术,并给出了具体实现框图。所述的技术方案和方法实现触发延迟时间小于500ns,驻留时间最小500ns,捷变速率达到1MHz,内部频率集序列大于8000个,多种触发模式选择等性能指标,实验结果满足高性能频率捷变信号源的设计需求。     

LCC谐振充电IGBT开关Marx发生器

为满足Marx发生器的充放电脉冲工作要求,提出采用恒导通时间-恒频率控制策略的LCC串并联谐振变换器作为IGBT开关Marx发生器的充电电源.利用Pspice软件和等效模型模态方法对断续模式工作的LCC变换器实现软开关的原理进行分析,给出设计原则.仿真结果表明变换器能够以较高效率满足Marx发生器从短路到开路的宽范围变动工作特性的充电要求,实现高达1kHz重复频率变频变脉宽稳定运行.所提出的方法为研发制造紧凑型一体化高重复频率Marx发生器式功率脉冲电源开辟了一条新路.     

脉冲电晕法中的双脉冲电源的研制

研制设计了脉冲电晕法脱硫脱硝重要组成部分的双脉冲电源 ,它由高压发生、控制、火花间隙开关 3部分组成 ,可产生 6 0kV的脉冲高压 ,改变电容器容量可改变脉冲宽度。该实验所选电机转速 4 0 0 0r/min ,容性负载 30pF ,脉宽 <2 0 0ns,上升沿 <5 0ns,频率调节范围 0 相似文献