采用FPGA的多路高压IGBT驱动触发器研制

为有效控制固态功率调制设备,提高系统的可调性和稳定性,介绍了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)和微控制器(MCU)的多路高压IGBT驱动触发器的设计方法和实现电路。该触发器可选择内或外触发信号,可遥控或本控,能产生多路频率、宽度和延时独立可调的脉冲信号,信号的输入输出和传输都使用光纤。将该触发器用于高压IGBT(3300V/800A)感应叠加脉冲发生器中进行实验测试,给出了实验波形。结果表明,该多路高压IGBT驱动触发器输出脉冲信号达到了较高的调整精度,频宽’脉宽及延时可分别以步进1Hz、0.1μs、0.1μs进行调整,满足了脉冲发生器的要求,提高了脉冲功率调制系统的性能。     

大功率CO_2激光器中的气体开关触发系统

为提高击穿CO_2激光器中大功率气体开关的稳定性,提高触发系统的效率,减小触发系统的损耗,开展了基于双管正激式电路拓扑的微秒级高电压脉冲触发系统的研究。该系统输出电压幅值38 kV、脉冲宽度10μs、脉冲数可控的信号击穿气体开关引燃激光器放电;设计干式脉冲变压器作为升压单元;根据反馈电路检测开关的击穿情况,通过SG3525和CD4098两种集成电路芯片设计的外围电路控制高压脉冲的输出频率和输出脉冲个数。试验结果表明:该系统在500 Hz重复频率下击穿气体开关的概率为99.7%,效率为0.2,损耗为0.88 kW;对比传统模式触发系统,击穿概率提高了2.7%,效率提高了0.12,损耗减小了1.512 kW。     

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。     

基于IGBT的高压脉冲电源研制

高压脉冲电场灭菌技术是近年发展起来的极有潜力的非热灭菌技术,其中高压脉冲电源是系统的核心组成部分.提出了一种基于IGBT的高压脉冲电源,系统由能源系统和脉冲产生回路构成,由单片机来控制IGBT的触发,其设计输出为方波,电压幅值在50～100 kv可调,脉冲宽度在1～10μs可调,频率在1～100Hz可调.所研制的高压脉冲电源可用于间距在2～10 cm之间平行可调的平板电场,满足食品在各种高压脉冲电场强度下非热力灭菌的需要.     

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。     

基于氢闸流管的高压脉冲电源

针对高压脉冲电场杀菌技术对于系统核心部分高压脉冲电源的要求,设计一种输出脉冲电压峰值可达5～30 kV(100 V步进可调),输出脉冲频率为200~1 000 Hz可调,脉冲宽度为0.2~2μs可调,脉冲前沿<100 ns的高压脉冲电源。该系统利用单片机进行自动控制,通过可调直流高压电源和储能元件作为能源系统,利用氢闸流管作为主放电开关,控制脉冲峰值和频率,最后通过脉冲变压器升压在杀菌腔体的极板上得到所需的脉冲电场。     

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。     

一种用于触发开关测试的重复频率脉冲电源

重复频率脉冲功率技术是一系列高科技研究与前沿研究的基础。开关是重复频率脉冲功率系统中的重要元件,其工作性能决定着整个系统的重复频率输出特性。为此,研究了一种用于触发开关测试的重复频率脉冲电源。该脉冲电源包括主回路、触发回路和控制电路3个部分。在主回路和触发回路中均采用LC串联谐振的方式,用可控硅控制一个大容量电容器,通过电感给一个小容量脉冲电容器充电。主回路的小容量电容器提供通过触发开关主电极的大电流。触发回路的小容量电容器由IGBT控制向脉冲变压器放电,为触发开关提供重复频率的高压触发脉冲。控制电路协调主回路和触发回路各元件的动作时序。在触发开关的实际测试中,该电源的重复频率为1 kHz,输出电流峰值为750 A。     

基于FPGA的大功率IGBT驱动触发系统设计

针对多重化电容储能型脉冲系统的需求,设计了一种基于现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）的大功率IG-BT（Insulated Gate Bipolar Transistor）驱动触发系统,介绍了其设计思想和实现电路。该系统可实现远程控制或本地控制,能够产生多路频率、脉宽和延时独立可调的脉冲信号,并在此基础上与常用大功率IGBT驱动芯片2SD315A配合进行了触发实验,用于驱动3300V/1200A大功率IGBT。实验结果表明该触发系统具有良好的可调性,可满足脉冲系统中IGBT对触发信号的要求,能有效提高脉冲系统的可控性。     

用于变频电机绝缘测试的PWM电压发生器

在变频电机绝缘测试中,重复脉冲方波电压不能完全模拟变频器输出的PWM电压反映变频电机绝缘失效机理,并且同一实验中使用不同电源影响实验数据的一致性。该文章设计了一台直接输出式PWM电压发生器,既可以输出模拟变频器实际的SPWM电压和SVPWM电压用于绝缘测试,又可以输出重复脉冲方波电压开展对比实验。首先,设计了基于FPGA的脉冲信号发生器,产生基波频率、开关频率可调的SPWM、SVPWM触发脉冲以及频率、占空比可调的重复方波脉冲;然后,设计了基于固态推挽开关的斩波器,在脉冲信号的触发下输出对应的双极性高压脉冲;最后,使用该脉冲电压发生器开展了SPWM电压下变频电机绝缘局部放电实验,验证了系统的可靠性和实用性。     

基于脉冲形成线的脉冲方波电源设计

为研究某种高压氧化锌(ZnO)陶瓷压敏电阻的特性,设计了用于该电阻测试所需的高压脉冲方波电源。利用脉冲形成开关和高压脉冲形成线网络相结合的原理,采用固体半导体开关器件来产生触发脉冲信号。运用场畸变火花开关作为脉冲形成开关,去控制由脉冲形成线网络构建的储能单元进行放电。再通过应用脉冲变压器进行传输与能量变换后,最终在这种高压ZnO陶瓷压敏电阻负载上,实现输出电压幅度不大于40 kV、脉冲宽度不小于4μs、脉冲前沿不大于1μs的高压脉冲方波信号。     

双极性与单极性ns级高压脉冲电源设计及特性比较

为了满足聚合类绝缘材料老化实验及等离子体水处理高级氧化实验2项实验研究的应用要求,分别设计了双极性和单极性2种ns级高压脉冲发生器,且均主要由高压直流电源、两级脉冲储能电容器和气体开关等组成,结构紧凑,具有重复频率、脉冲宽度及电压幅值可调等优点。2种脉冲电源的主要区别在于各自的核心元件—多电极旋转火花隙开关(MER-SGS)的结构和尺寸设计,同时电源的重复工作频率也可由旋转火花隙驱动电机及电极数量调节控制。为验证火花隙开关的工作性能,采用ANSOFT/MAXWELL ELECTROSTATIC 2D软件建立了仿真模型,对2种开关不同开断关合角度下的电场强度进行了仿真分析和比较。结果表明,火花隙的紧凑结构设计能够产生强烈电场畸变进而保证脉冲电源在具备良好输出特性基础上,开关可靠动作,从而达到降低绝缘要求、减少电极烧蚀、延长工作寿命等目的。通过对2种脉冲电源有载情况下实际输出波形的测量可得,脉冲上升时间(<10ns)、脉冲宽度(1～500μs)、重复工作频率(1～3kHz)、平均功率等电源参数均达到各自实验要求标准,具有良好的应用前景。     

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。     

高压陡前沿脉冲发生装置

介绍了一种基于IGBT串联技术的频率可调的高压陡前沿脉冲发生装置。并针对串级型结构的固体开关式脉冲发生器存在的可靠性受同步驱动、均压等技术条件影响严重的问题,提出了利用光纤连接器提高驱动信号同步性等解决方案。利用OrcAD＼Pspice软件对电路的仿真和与实际测试波形的对比结果证明,该装置工作可靠,输出脉冲电压峰峰值为±5kV,频率为1kHz～10kHz可调,脉冲前沿到达200纳秒以内。     

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。     

多路高压触发源抗干扰的新方法

提出了一种多路高压触发源抗干扰的新方法,它的特点是各触发电路中的储能电容器并非同时处于充好电的准备状态,而是按预定的实验时序充电并立即放电。因此,当某一火花开关被触发放电并产生电磁干扰,导致其他各路中的开关元件（如晶闸管）误动作时,这几路也不会输出高压触发脉冲（由于它们的储能电容器上电压为０）。该方法被用于电感隔离型重复频率ＭＡＲＸ发生器的触发系统中,取得了很好的结果。     

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。     

海上风电柔性直流输电变流器研究

简要分析海上风电柔性直流输电技术应用及变流器关键技术特点,设计基于柔性高压直流(HVDC)输电的风力发电机集中控制并网变流器主电路拓扑结构,基于电流峰值控制的三电平直流升压变换器双梯形波补偿方法,并利用滞环宽度可调的滞环比较器进行电流跟踪控制。仿真研究表明,该方法具有变流器功率管开关频率固定、减少开关应力及开关损耗、提高传输效率的特点,有助于减少开关器件电压应力和电抗器电流脉动值,提高系统运行的稳定性和可靠性。     

基于现场可编程门阵列的高压脉冲电场设备控制器研制

为更加快速稳定有效地控制高压脉冲电场设备,提高设备的稳定性、可调性和易用性,研制了1套基于现场可编程门阵列(FPGA)的高压脉冲电场(PEF)设备控制器。控制器包括用于人机交互操作的工控计算机触摸屏终端、执行控制任务的FPGA控制器及其附属外围电路3部分。FPGA控制器采用Cyclone系列的高速处理芯片,附属电路包括触发信号电平转换、光电隔离部分以及电压电流反馈部分。控制器能够连续调节脉冲波形的频率、占空比,以及实现对于高压IGBT的触发和过流监控,控制脉冲电场的电压电流等功能。通过实验室测试证实,系统较好地实现了设计目标,研制出频率(10~104 Hz)、占空比(2~10μs)、电压(0~35 k V)均可连续实时调节的高压脉冲电场发生器,同时其具有很强的扩展能力,能够配合新型脉冲发生器使用。     

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。