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。     

开关串联型高压纳秒级双极性脉冲功率电源研究

与直流高压除尘相比,高压脉冲除尘具有更好的除尘效果且能耗更低.为提高脉冲电源系统效率及功率密度等指标,需输出纳秒级高频高压脉冲.基于固态开关器件串联拓扑,设计了一种高压纳秒级双极性脉冲功率电源.基于脉冲电源拓扑和工作原理,首先详细分析并设计了电源各部分组件参数,然后通过仿真验证了方案的有效性.最后搭建了脉冲功率电源样机进行实验验证,测试结果表明,脉冲电源能够输出幅值0～±4 kV、脉冲上升沿约58 ns、下降沿约175 ns、脉宽10 ns～100 μs可调的高压快速脉冲,验证了理论分析与设计的正确性.     

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。     

基于微带传输线的生物溶液处理用纳秒脉冲电场发生器研制

研究纳秒脉冲电场生物学效应需要相应的高压纳秒脉冲发生器。为此,基于微带传输线与固态开关技术,通过波传播过程分析阐释了Blumlein型微带传输线方波的形成原理;采用CST微波实验室仿真分析了微带传输线充电过程中的电场分布;制作了小型化的纳秒脉冲发生器样机,并搭建测试系统对其进行了性能测试。结果表明,在电转杯负载端得到的纳秒脉冲电压幅值在0~2 k V内可调(即对间隙距离为1 mm的电转杯负载,电场强度在0~20 k V/cm内可调),脉宽为100 ns,上升沿约为20 ns,重复频率在0~1 k Hz内可调。     

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。     

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。     

350kV可变脉宽的纳秒脉冲发生器

介绍了可产生 35 0 k V脉冲方波且脉宽可变的脉冲发生器。装置由 Marx发生器产生纳秒级脉冲电压 ,对成型线充电后由主开关对负载电阻放电 ,在负载电阻上得到 ns级脉冲电压。改变 Marx输出电压、主开关击穿电压和负载电阻阻值 ,可调节输出 ns脉冲的幅值 ;改变成型线的长度可改变输出脉宽     

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。     

用于放电等离子体的重频固态纳秒脉冲电源

为提高放电功率、产生大面积等离子体,设计了一种高重复频率纳秒脉冲电源,其基本原理是采用高压截断法产生高压脉冲.选用通断速度较快的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)产生纳秒级截断,进而可以大幅提高输出脉冲的重复频率;使用8个串联的MOSFET同步工作,以提高输出电压幅值.测试结果表明,该电源输出脉冲的电压幅值可达10 kV,脉冲上升沿约为12 ns,半高宽约为750 ns.负载为5 kΩ无感电阻时,连续运行重复频率可达100 kHz,爆发模式下重复频率可达1 MHz.电源带载能力较强,未击穿时输出电压脉冲波形基本不随电极负载发生改变.该电源可长期稳定工作,产生较大面积等离子体,满足了高重复频率纳秒脉冲放电的需求.     

基于磁开关的低频高压脉冲电源的设计与仿真

为了实现纳秒级快前沿高压脉冲,设计了基于磁开关的低频高压脉冲电源。通过电容充放电时间常数与磁开关相配合,最终输出连续纳秒级低频高压脉冲。应用saber电路仿真软件中分析和搭建多级低频高压脉冲电路仿真模型,通过仿真分析各级电容器的电压波形得知,磁开关将高压脉冲从3.2μs压缩至20ns,输出脉冲峰值从初始10kV上升至30kV,最终输出100Hz的连续低频高压脉冲。     

基于辅助充电支路的模块化多电平变换器结构高频纳秒脉冲发生器

高频纳秒脉冲串治疗肿瘤已逐渐成为一种新的医疗手段,但发生器输出高频脉冲串时的开关损耗问题还有待进一步研究.因此该文提出一种基于辅助充电支路的模块化多电平变换器(MMC)拓扑.在MMC模块的一个MOSFET处并联二极管和电阻,为电容提供充电回路,消除充电电流对开关的导通损耗,提高脉冲发生器的稳定性.首先,对该文提出的拓扑...     

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。     

基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

一种高压发生器串联谐振变换器设计与实现

为了提高高压发生器电源的效率,降低其体积和重量,设计了一种基于UC3875的医用高压发生器直流电源。首先给出主电路拓扑结构,详细介绍了利用UC3875实现变换器零电压零电流开关(ZVZCS)的方法,在此基础上分析了脉冲频率调制(PFM)和直流侧调功的原理,以保证在负载变化条件下实现大范围平滑调节高压输出。最后设计并实现了一个40~120 kV高压直流输出、额定功率20 kW的样机,并进行了实验测试。实验结果验证了设计方案的正确性。     

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。     

应用于模块化高压纳秒脉冲源的SiC与射频Si基MOSFET瞬态开关特性对比研究

碳化硅(silicon carbide,SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,MOSFET)比Si MOSFET具有更低的导通电阻、更高的通流能力和热稳定性。但射频硅(radio frequency silicon,RF-Si)基MOSFET凭借其优异的开关动态特性,在高压纳秒脉冲发生器中的使用比SiCMOSFET更为普及。为了拓展SiC MOSFET的应用范围,通过RF-Si和SiCMOSFET在多脉冲参数条件下瞬态开关特性(动态特性、瞬态开关损耗、时间抖动)的对比研究,该文揭示2种半导体器件在瞬态高压和强流下的开关特性差异。实验结果表明:相对于RF-Si基MOSFET,SiC MOSFET的优势体现在开通、关断时间。但由于寄生参数的影响,SiC MOSFET呈现出更大的振荡和过冲,而在瞬态开关损耗、时间抖动方面没有明显的优势。因此,通过改进SiCMOSFET的封装从而减小寄生参数,将推动SiC MOSFET在高压纳秒脉冲发生器中的应用。     

脉宽和幅值可调的新型超窄脉冲发生器的研制

分析各种窄脉冲产生方法后用振荡电路原理研制了一种新型ns级高压窄脉冲发生器,可输出脉宽20～100ns、幅值500～1000V的可调ns级脉冲电压。理论和仿真分析电路中各器件的参数表明,得到的ns级的高压脉冲波形光滑、对称性好。     

纳秒级上升沿100kV方波发生装置研制

为了能够在高幅值、陡上升沿的方波电压下开展特快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage, VFTO)传感器的性能测试,研制了上升沿纳秒级、输出电压幅值最高可达100 kV的方波发生装置。首先,建立了方波发生装置的电路模型,推导了输出电压波形上升时间、波尾时间的估计式;仿真分析了脉冲电容器电容值、负载电阻、回路总电阻、回路电感对输出波形的影响;设计、研制了结构紧凑的100 kV方波发生装置,并测试了其输出性能。测试结果表明,其输出电压的上升时间5 ns,在波尾1μs时的平顶降1%,且重复性良好,可用于VFTO传感器的标定。