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。     

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。     

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。     

一种基于IGBT的Marx发生器的研制

为了解决地球探测仪器等领域所需脉冲电压在几十至几kV之间输出电流相对较小的问题,提出了在中小功率场合采用IGBT代替空气放电球隙,从而改进充放电回路的控制方式。给出了以IGBT作为控制开关的Marx发生器的构成框图,IGBT驱动电路和AT89S52单片机控制电路;分析了以放电球隙作为控制开关的Marx发生器基本回路的动作过程;设计了一种以IGBT为控制开关的3级Marx发生器,并进行了放电等效电路的计算和元件参数的选择。采用单片机内部定时/计数器产生周期性脉冲信号,作为IGBT驱动电路的原始控制信号,最终实现了幅值1200 V,脉宽1~10 ms,脉冲频率为10~240/min可调的脉冲电压。采用示波器分压测试的方法给出了负载电阻输出脉冲电压的实际测试结果。测试结果表明,中小功率场合采用IGBT作为控制开关构建Marx发生器切实可行。     

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。     

带截尾开关的高频纳秒脉冲功率源设计

为了获得具有快速上升、下降沿的高频纳秒脉冲,对传统雪崩单管电路的改进电路进行了试验,验证了改进电路能加快充电速度的可行性。设计了两种10级Marx型纳秒级正脉冲发生器,发生器采用磁环隔离的驱动方案,主电路拓扑结构中采用二极管代替传统Marx电路中的所有电阻。在100Ω的阻性负载下进行放电实验,最终重频工作状态下输出峰值上千伏的纳秒脉冲,输出端负载加截尾开关后脉冲的下降沿缩短至3 ns。实验结果表明,改进后的发生器有更高的输出幅值和工作频率,磁环隔离的驱动方案确保了每级雪崩管同时触发导通并且产生具有纳秒上升沿的快脉冲,二极管替代传统Marx电路的所有电阻加快了电容的充电速度、提升了脉冲发生器的工作效率,负载并联截尾开关后脉冲后沿更快,实验结果良好。     

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Marx电路的固态高压脉冲电源设计

针对高压脉冲放电和低温等离子体应用的要求,设计了一种基于Marx电路的高重复频率的固态高压脉冲发生装置。该脉冲电源利用Marx电路电容并联充电、串联放电的原理,选取绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为放电开关,控制电路的模态切换。Marx主电路由84级单元组成,每级单元包含IGBT开关管、快恢复二极管和储能电容。实验结果表明,在输入电压为480 V直流电压,并且在300 Hz的频率下,该电源可以产生幅值为20 kV、脉宽为500 ns的高压脉冲,满足设计要求。     

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。     

一种新型的双极性Marx高重频脉冲发生器

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、双极性、全固态化等新要求。因此,该文提出一种新型模块化的双极性高压高频脉冲发生器的研制策略,主要包括拓扑结构研究、电路理论仿真及原型机研制等内容。通过理论分析、仿真和实验,结果表明此发生器较好地结合了固态Marx和桥式电路的优点,可根据实际需求,通过量化的多级模块堆叠实现高压输出;并可使用开关的时序逻辑控制实现输出极性和脉冲宽度灵活调节;同时具有高重频长寿命。实验原理样机具体参数为输出电压幅值±5kV,脉冲串内重复频率2.5MHz,脉冲宽度200ns～10μs连续可调。     

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。     

基于多变压器的双极性Marx电路

现有的高压发生器技术如特斯拉变压器、线性变压器驱动器(LTD)以及脉冲形成网络(PFN)等,有着对频率敏感、带载能力弱以及无法产生周期性脉冲等问题,本文提出一种结合全固态Marx发生器与变压器技术的双极性Marx发生器方案。本系统的主电路由两套Marx发生器与多组双变压器组成,通过光纤与光耦的形式对主电路与控制电路进行隔离,利用自举电路对驱动芯片进行供电。首先对本文所设计的双极性Marx电路拓扑进行分析,并计算所需要的参数,然后采用SIMPLIS电路仿真软件验证可行性,最后研制样机并测试性能。理论与实验结果表明,本文所设计的双极性Marx电路可以产生幅值范围0～8 k V、频率20～40 kHz的双极性高压方波,工作频率稳定可调且带载能力强。     

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POS的紧凑一体化功率脉冲电源

为发展高功率脉冲电源的工业应用而提高其重复工作频率并实现紧凑一体化,设计了一种基于等离子体断路开关(POS)的功率脉冲电源。该电源采用LCC谐振的有源充电器,以产生初级脉冲的Marx发生器为其负载,另外它还可作为等离子体枪的激励脉冲电源和POS的外加磁场激励电源。充电器的设计能满足上述负载在一定重复频率下的充电工作要求,从POS等离子体的注入到外磁场激励,再到Marx发生器和POS的工作,都通过电源电路及参数设计和时序脉冲触发控制而有序地进行。在介绍了轴向和角向两种外加磁场的同轴POS结构、触发控制同轴等离子体枪结构、脉冲发生主电路及其等效电路模型和触发控制脉冲时序后,仿真实验了设计参数的电路。结果表明该电源可以在紧凑一体化的设计原则之下实现Marx发生器初级脉冲的产生,再通过POS断路进一步压缩输出,从而得到较高的脉冲电压放大倍数。电源设计方法和仿真结果将可用于进一步发展面向新兴工业应用的重复频率功率脉冲电源。     

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.     

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。     

基于FPGA全固态纳秒级脉冲发生器设计

分析了基于FPGA的全固态纳秒级脉冲发生器具体工作原理,其次将脉冲发生器设计按照直流电源,固态电路,FPGA控制电路三部分进行讨论,确定具体设计方案。最后通过实验结果证明在此控制电路控制下脉冲发生器可调整脉冲参数,系统安全性较高。为进一步利用脉冲频率响应法检测变压器绕组变形奠定了基础。     

陡化前沿Marx发生器中开关过电压的研究

为了解陡化前沿Marx发生器单级放电回路中影响气体火花开关过电压的因素,在理论分析了过电压幅值后进行了实验研究。分析认为:消除级间元件的耦合电容与增大开关电极对地的分散电容是设计陡化前沿Ma-rx发生器的关键;10级陡化前沿Marx发生器放电模型的计算分析表明,开关电极对地分散电容还应具备一定的数值才能实现快前沿高压脉冲的建立。基于以上分析设计制作的10级陡化前沿Marx发生器充电40 kV时,在90Ω负载上得到了电压幅值约为210 kV,电流约为2.3 kA,脉冲前沿时间约为4 ns的高压脉冲,验证了分析的正确性。最后分析了发生器工作在SF6气体中分别采用电感隔离充电与电阻隔离充电时发生器输出脉冲波形的差异,并对陡化前沿Marx发生器的进一步优化设计给出了一些实用的建议。     

工业用高压脉冲电场灭菌电源研制

针对高压脉冲电场灭菌设备工业化对脉冲电源的特殊要求,提出一种采用固态开关的新型高压脉冲电源。此电源通过对传统Marx高压脉冲发生器的结构进行改进,使新型电源具有良好的电压钳位功能,解决固态开关串联对于开关开断不一致性而导致固态开关串连锁击穿的问题。此电源由8个结构相同的标准级单元组成,使用现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)作为控制源,为8个级标准单元提供相对独立的控制信号。使用光纤隔离方式,使隔离电压不受影响,并且为每个级标准单元的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板设计独立的供电电源。实验结果证明,此电源性能良好,能够满足工业用高压脉冲电场灭菌的需求。     

基于电快速脉冲群发生器主电路的建模和设计

为了提高电快速瞬变脉冲群发生器输出波形的质量,分析了脉冲群发生器主电路的工作原理,建立了发生器波形形成电路的等效模型,研究了等效电路储能电容充放电过程,利用电网络分析法推导了高压脉冲波形的数学解析式。基于脉冲波形的时间特性,确定主电路结构参数;采用单一变量法和Pspice仿真研究脉冲峰值的幅值特性,选取合适的陡化电容。考虑寄生参数对输出波形的影响,采用方波控制开关的方法建立脉冲群主电路的模型,实现脉冲群波形的输出仿真。在此基础上,设计了电快速瞬变脉冲群发生器的主回路,并搭建了脉冲波形测试平台。测试结果表明,单个高压脉冲上升沿、半宽和脉冲幅值均符合IEC61000-4-4标准中的要求,验证了主电路参数的合理性。