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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器

为制作生物医学用小型化、紧凑型ns脉冲发生器,结合非平衡Blumlein型多层微带传输线和固态开关技术,研制了一台基于非平衡Blumlein型传输线的全固态高压纳秒脉冲发生器。通过波传播过程分析非平衡Blumlein型多层微带传输线方波形成原理;介绍了相关固态开关的控制时序及其"截波"策略,以此实现50~100 ns的方波脉冲脉宽可调;阐释了非平衡Blumlein型多层微带传输线系统的负载阻抗可变的相关原理;并研制了一台小型纳秒脉冲发生器以进行相关性能测试。最终,在50Ω负载下的纳秒脉冲电压参数:幅值0~2 k V可调、脉宽50~100 ns可调、重复频率0~1 k Hz可调,上升时间约20 ns;此外,测试了500Ω负载下输出的纳秒脉冲电压幅值约为充电电压的2倍。