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。     

GIS局部放电模拟用亚纳秒脉冲发生器研究

GIS内部的局部放电脉冲前沿一般在1 ns以内,文中研究脉冲前沿在1 ns以内的快前沿脉冲发生电路,可以在实验中模拟局部放电信号,用于需要局部放电信号的实验中。文中利用晶体三极管的雪崩效应,三极管的雪崩工作时产生的脉冲信号幅值较高,前沿时间较短,可以达到前沿在1 ns之内的要求。选择BFP450型雪崩三极管,制作电路板测量脉冲信号,可以得到特高频脉冲电压信号,可以通过特高频天线进行传输。通过文中设计的脉冲产生电路,可以得到幅值4 V左右,重复频率20 kHz以内,前沿时间1 ns以内的快前沿脉冲信号。     

小型纳秒级方波脉冲电源的研制

采用飞行时间法测量原子氧束能谱时,要求离化源为纳秒级脉宽、能量均匀的脉冲电子束,以尽量降低离子收集器附近产生的等离子体鞘层电位对原子氧束能谱测量精度的影响。针对上述脉冲电子束的性能要求,研制了一款基于雪崩三极管Marx电路的小型方波脉冲源。首先介绍了雪崩三极管的工作特性、Marx电路的升压原理以及元器件的选取方法;然后结合脉冲形成线电压波反射原理,建立了同轴线缆充电时的电路方程;分析了方波脉冲成形机理和传输线阻抗对输出脉冲波形的影响,将同轴电缆传输线等效为分布式电感电容模拟网络,搭建了同轴电缆传输线仿真模型;设计制作了具体电路,在各级模拟网络充放电特性仿真结果的指导下,针对性地对同轴电缆传输线的姿态进行微调,改善了输出波形。实际电路产生了幅值±200～300 V、频率1～10 kHz可调、双快边沿纳秒方波脉冲。     

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。     

适用于探地雷达应用的低过冲平衡脉冲发生器

设计了一种新型的超宽带ns级低过冲平衡脉冲发生器.该脉冲发生器包含驱动电路、雪崩三极管脉冲电路和脉冲整形电路3部分,驱动电路用以锐化触发脉冲;雪崩三极管脉冲电路采用独特的晶体管级联结构产生大幅度的高斯脉冲;脉冲整形电路利用并联端接电阻网络和肖特基二极管减小信号反射,最后使用巴仑产生平衡的高斯脉冲,该电路最高可以在300 KV脉冲重复频率下正常工作.测量结果表明,在100 KV脉冲重频时该脉冲发生器可以输出一对峰峰值为230 V、前沿为1.3 ns的平衡脉冲,并有着极小的振铃和过冲.这些特征说明,该脉冲发生器在探地雷达应用中有着更深探测距离和更快数据处理速度的优势.     

高稳定度全固态脉冲源的优化设计与评估

为了给电子设备的电磁脉冲环境效应研究提供稳定度高和重复性好的电磁脉冲源,基于雪崩三极管的雪崩效应,采用10级Marx电路结构研制出了一种高稳定度电磁脉冲源。首先对影响脉冲源稳定性的首要因素—三极管的选择作了详细阐述,然后分析了整个脉冲源的稳定性,并给出了相应的优化措施以提高其稳定性,最后提出了脉冲源波形稳定性的评估方法。结果表明,所研制脉冲源的输出负脉冲前沿3 ns,全底脉宽约为10 ns,峰值电压约为1.5 k V,峰值电压、前沿和脉宽的变异系数均5%,验证了输出脉冲的高重复性,表明其可以满足电子设备的电磁脉冲敏感度试验的高稳定度要求。     

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。     

基于雪崩三极管的脉冲发生器设计

在中低频段探地雷达系统中,如何得到一个高幅度、窄脉宽的脉冲信号是系统的关键技术之一。而基于雪崩三极管特性的脉冲发生器设计,在中低频段探地雷达系统中得到普遍的运用。通过对雪崩效应工作原理的分析,利用电路仿真软件分析比较几种电路的优缺点,设计了一种基于雪崩三极管的两级Marx脉冲产生电路。可得到底宽3.3ns,峰-峰值70V左右的负脉冲。脉冲波形完整无失真、脉冲拖尾较小,电路设计简单、参数调节方便,应用范围广泛。     

基于移相控制技术的纳秒级高压窄脉冲电源研究

设计了一种基于移相控制充电电路的纳秒级高压窄脉冲50k V电源,与传统的变压器加全桥整流组合开环控制相比,本方案的优点是,不仅可实现对Marx电路进行恒压限流充电控制,而且可对高压窄脉冲的幅值和频率进行调节。为降低发生器在放电时对前级电路造成的影响,利用电感值较大的特制电感进行前后级隔离。实验结果和污染物处理数据表明,在输入电压500V、串联100级电路时可以产生50k V、上升沿宽90ns的高压窄脉冲,并对污染物有较好的处理效果。     

模块化全固态高压ns脉冲开关技术

为满足脉冲功率技术所需高电压幅值、高重复频率脉冲源的要求,研究了一种新型绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联技术,它用5个IGBT进行串联,并将控制、驱动、均压、缓冲电路和IGBT组成一体化模块结构,模块的体积小、重量轻。驱动信号经高频脉冲变压器耦合,可以同步驱动多个高电位的IGBT,输出脉冲的宽度和频率由单片机控制。经试验表明,100Ω的电阻负载时每个模块可输出前沿<100 ns、脉冲频率160 Hz~10 kHz、脉冲幅值约3.5 kV的可调脉冲电压,而且模块可以进行多个串并联。     

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.     

一种超宽带窄脉冲信号发生器的设计

宽度窄、幅度大的脉冲生成是探地雷达系统中要解决的关键问题之一.本文在比较了几种不同实现电路的优缺点,详细分析了雪崩三极管原理的基础,提出利用雪崩三极管的雪崩特性,实现超宽带、窄脉冲的生成.文中给出了电路原理图和实验结果,电路分为正、负脉冲2部分,可生成底宽为纳/亚纳秒级、正、负脉冲的峰-峰值高达160 V的窄脉冲信号,并且脉冲拖尾的振荡起伏小,很好地满足了雷达系统的宽度窄、幅度大的要求.电路结构简单、参数可调、移植性强、适用范围广.     

一种纳秒级脉冲源的仿真及研制

对一种以射频三极管为主要元件的脉冲产生电路进行了计算和试验研究,研制了用于模拟PD信号试验的放电源,设计了储能电容为10pF和20pF的两种脉冲电路,讨论了放电源中主要器件雪崩三极管的雪崩效应理论,推导出三极管雪崩过程的简化模型,用电路仿真软件Pspice仿真分析该电路中储能电容和电源电压对脉冲波形的影响。详细讨论了实际制作过程中的注意事项和元器件的选择方法。实测储能电容为10pF和20pF的PD源脉宽分别为980ps和1180ps,幅值分别为8.9V和11.6V。结果表明,理论和仿真分析的结论一致。     

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。     

超声显微测量系统的信号激励接收方法研究

超声显微测量技术是一种广泛应用于工业、航空航天、医疗等领域的无损检测方法。为了减小对100 MHz以上高频超声激励接收仪的进口依赖,研究高频信号激励接收方法。本文超声激励电路利用三级管雪崩击穿特性,以及MARX拓扑电路的电压倍增原理,通过减小激励脉冲脉宽时间,提升带宽覆盖范围。研究了高频超声信号接收电路,并集成超声激励接收仪。研究实现了设备的国产化替代,填补国内超声领域100~500 MHz高频脉冲收发仪的空白。实验结果表明,设计产生的高频激励信号峰峰值不小于128 V、上升沿时间小于0.47 ns、脉宽小于3.5 ns,系统工作带宽覆盖500 MHz,满足高频超声测量系统的需求。     

A repetitive high voltage pulse adder based on solid state switches

A repetitive high voltage pulse adder based on solid state switches with isolated recharge is described. All capacitors in the modulator are recharged separately through a corresponding magnetic core transformer by a common high frequency power supply. This circuit configuration simplifies the insulation design and arrangement. This scheme is suitable for high frequency pulse discharge due to its high charge efficiency. At the same time it retains the inherent switch protection capability similar to a solid-state Marx modulator. In our present work, a 22-stage test modulator has been built and successfully operated at output voltage of 20 kV with repetitive rate of 20 kHz, rise time of 150 ns and pulse width of 3 ?s. The primary experiments verified the system feasibility.     

A new parallel ZVS converter with less power switches and low current stress components

A new direct current (DC)/DC converter with parallel circuits is presented for medium voltage and power applications. There are five pulse‐width modulation circuits in the proposed converter to reduce current stress at low voltage side for high output current applications. These five circuits share the same power switches in order to reduce switch counts. To reduce the converter size, conduction loss, and voltage stress of power semiconductors, the series connections of power metal‐oxide‐semiconductor field‐effect transistor (MOSFET) with high switching frequency instead of insulated gate bipolar transistor (IGBT) with low switching frequency are adopted. Thus, the voltage stress of MOSFETs is clamped at half of input voltage. The switched capacitor circuit is adopted to balance input split capacitor voltages. Asymmetric pulse‐width modulation scheme is adopted to generate the necessary switching signals of MOSFETs and regulate output voltage. Based on the resonant behavior at the transition interval of power switches, all MOSFETs are turned on under zero voltage switching from 50% load to 100% load. The circuit configuration, operation principle, converter performance, and design example are discussed in detail. Finally, experimental verifications with a 1.92 kW prototype are provided to verify the performance of the proposed converter. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。