基于窄脉冲传输的脉冲展宽IGBT驱动电路

设计了一种采用高压隔离脉冲变压器传输窄脉冲,然后应用脉冲展宽电路实现宽脉冲驱动信号输出的无源IGBT驱动电路。采用正电压turn-on窄脉冲和负电压turn-off窄脉冲组合传输的方式以减小高压隔离脉冲变压器的体积和重量,脉冲展宽电路使IGBT在turn-on脉冲上升沿导通,在turn-off脉冲上升沿关断,且其具备储能功能,无需高压隔离辅助直流电源为其供电。脉冲信号发生电路和过流保护电路耦合设计,使IGBT在正常关断和过流保护关断情况下,其栅极都处于反压偏置状态,以提高IGBT关断的快速性和可靠性。将驱动电路用于级联Marx高压电路中IGBT开关的驱动,turn-on脉冲和turn-off脉冲的脉宽均选择为2 μs,结果表明,Marx电路在输出脉冲电压峰值为20 kV时工作稳定,且脉宽在3.5~50 μs之间连续可调,等离子体负载下的输出电压和电流波形显示,打火情况发生时,过流保护电路工作稳定可靠。该驱动电路可有效实现宽脉冲驱动信号的产生,具有较强的可靠性和实用性。     

200 kV全固态Marx结构方波脉冲电源设计

采用功率IGBT串联组合模块作为放电开关,设计了16级Marx结构的脉冲电源,能够产生可调高压方波脉冲。由9支耐压3 kV的IGBT串联组成最大工作电压12.5 kV的串联组合模块;通过磁隔离触发方式控制各级IGBT的同步导通和关断。输出电压从几kV至200 kV可调、输出脉宽随外部触发信号宽度在1.5~10 s范围内可调、前沿小于500 ns、后沿小于2.3 s;在输出电压大于100 kV、输出电流20 A时顶降小于2%。     

脉冲氙灯电源研究

高速摄影的同步照明光源是利用脉冲氙灯作为输出负载的一种高亮度闪光光源。它的驱动电路采用脉冲形成网络PFN电路,利用Orcad Pspice软件对PFN放电电流仿真,其仿真结果具有一定的指导意义。电源具有手动触发和同步触发功能,同时输出脉冲的前沿和后沿具有良好的时间响应,氙灯充电电压0~3.5 kV可调,触发信号与光波形延时时间125 μs;实验结果验证了电源设计原理和技术方案的可行性。     

用于聚四氟乙烯表面处理的重复频率高压脉冲电源

采用自行研制的μs级重复频率高压单极性脉冲电源,应用于聚四氟乙烯(PTFE)膜表面改性,研究脉冲放电等离子体对PTFE薄膜表面改性的作用规律。测量处理前后PTFE薄膜表面的水接触角,结果显示,在特定的脉冲参数及更严格的对比条件下其平均水接触角从112°下降到85°,PTFE薄膜表面亲水性改善效果非常显著。脉冲电源采用脉宽调制控制方式,通过逆变升压及波形整形,得到脉冲电压幅值0~20kV、重复频率0~20kHz、脉宽5~15μs、上升沿500ns~2μs、下降沿大于20μs的单极性脉冲。     

带反偏置的双路高压脉冲电源的研究

通过调节反向偏置电压可以改善电场渗透对质谱仪的影响,提高质谱仪的分辨率。为了满足质谱仪对脉冲电场的不同要求,提出了一种可以同时输出两路极性相反脉冲电场的脉冲电源,且高压正脉冲叠加幅值可调的直流负偏置电压。该电源只需一个充电源便可以产生正负两路脉冲电场。分析了串联开关同步驱动效果,随后通过增加补偿绕组和并联电阻优化了串联电容的分压不均的问题,并验证一个磁芯加多个副边绕组的方案可进一步降低充电电压不均。最终实现了4个电容器的充电电压与平均电压相差不超过0.1%。搭建了一台4级的电源样机,实验表明,其可以在容性负载上产生一路幅值为0～1.5 kV、脉宽为2～10μs可调的高压正脉冲且叠加幅值为0～-200 V的反向偏置电压,和一路幅值为0～-1.5 kV、脉宽为2～10μs可调的高压负脉冲,频率高达10 kHz,正负脉冲的前沿均小于30 ns,脉冲波形平稳。该脉冲电源结构紧凑,并且输出电压、脉宽、频率均连续可调。     

全固态双极性纳秒脉冲电源研制及应用

研制了一种双极性交替的纳秒高压脉冲电源,进行了双极性纳秒脉冲放电产生等离子体研究。该电源先通过固态开关IGBT将直流电压截断成电压脉冲,通过可饱和脉冲变压器拓扑,实现升压并缩短脉冲上升沿。该电源可在一个周期内输出极性相反的2个脉冲,且时序可以灵活控制。通过优化调整器件参数,研制了两种不同输出性能参数的双极性纳秒脉冲电源:①峰值电压10 kV、爆发模式脉冲重复频率500 kHz（正负脉冲间隔2 μs）、连续重复频率1 kHz;②峰值电压25 kV、爆发重频200 kHz、连续重频600 Hz。测试电源的运行性能,发现电源存在温度升高的情况,但长时间（＞0.5 h）运行温度趋于稳定。10 kV电源连续运行在1 kHz时最高温度点50.5 ℃;25 kV电源连续运行在600 Hz时最高温度点60 ℃。利用该电源驱动线板电极阵列和表面介质阻挡放电结构,证实了该电源可以用于常压空气条件下产生大面积等离子体。     

基于Marx的任意极性方波脉冲电源设计北大核心CSCD

设计了一种基于Marx电路的方波脉冲电源,该电源采用磁环隔离驱动方案与全桥Marx电路相结合,实现了正极性、负极性和双极性高压方波脉冲的输出,解决了常规脉冲电源只能输出特定极性脉冲的限制。对电路的运行模式经行了理论分析,并搭建了16级实验样机。实验结果表明:在空载条件下,实现了频率1 kHz,幅值10 kV的正极性、负极性及双极性高压方波脉冲输出。其最小脉宽1μs,极性可调。该脉冲电源结构紧凑,可以实现输出电压、脉宽、脉冲极性可调。最后使用该方波脉冲电源驱动平行板介质阻挡放电反应器。结果表明:该方波脉冲电源可以作为介质阻挡放电驱动源。     

双极性脉冲磁控溅射电源设计

双极性脉冲电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌溅射处理装置的技术要求,研制了一套输出电压0~800 V可调、脉冲宽度20~200 μs可调、频率0~60 Hz可调、脉冲电流最大幅值约150 A的双极性脉冲电源,分别给出了该电源在水电阻负载和等离子体负载下的实验结果。设计上采用DSP控制开关电源的方式对储能电容器进行恒流充电;综合应用FPGA,PLC及触摸屏组成人机交互系统,控制输出光脉冲信号,经负压偏置驱动后使桥式结构的脉冲形成网络产生正负交替双极性脉冲。通过大量实验论证,该电源解决了等离子体负载放电打弧等问题,达到了理想的溅射效果,满足了指标要求。     

基于半桥结构的双极性脉冲电源的研究

为了满足脉冲电场消融的应用需求,解决单极性脉冲电场分布不均匀的问题,研制了一台基于半桥结构的主电路、具有纳秒级前沿的高重复频率双极性亚微秒高压脉冲电源。该脉冲电源由FPGA提供控制信号,经过驱动芯片放大控制信号后,利用光耦隔离驱动多个SiC MOSFET。驱动电路所需元器件较少,信号控制时序简单,可提供负压偏置,使开关管可靠关断,提高了电路的抗电磁干扰能力,使电源能稳定运行。通过电阻负载实验,对比分析了不同栅极电阻对驱动电压的影响,驱动电压上升沿时间越短对应的双极性高压脉冲前沿越快。实验结果表明：所设计的高频双极性脉冲电源在100Ω纯阻性负载上能够稳定产生重复频率双极性纳秒脉冲,输出电压0～±4 kV可调,脉宽0.2～1.0μs可调,正负脉冲相间延时0～1 ms可调,上升沿和下降沿60～150 ns之间。该双极性脉冲电源电路设计结构紧凑,能满足应用的参数需求。     

μm脉冲电源及其在Z-pinch诊断中的应用

 研制了一种输出连续可调的脉冲恒压电源，该电源电压幅度为0~120V，脉宽为3~14μs，触发延迟时间为0~1μs。将其应用于等离子体辐射的软X射线总能量测量系统中，采用脉冲电源和差值法记录信号，通过分析发，实验中测到的电阻变化与电路中其它电阻无关，是X射线辐射导致镍薄膜电阻的变化引起的。测得的镍薄膜电阻的变化为4.47Ω，以此回推计算得Z-pinch等离子体源辐射的软X射线能量为63.3kJ。     

80 kV可调节高压脉冲方波脉冲电源的研制

研制了80 kV可调节高压脉冲方波电源系统以对ZnO样品特性进行测试,实现电源输出脉宽、重复频率、运行时间可调。系统采用人工形成线、脉冲变压器加可调节负载电阻等技术路线,实现了高压方波脉冲的输出;采用高速数据I/O卡产生序列脉冲信号控制两个火花间隙开关的通断,对人工形成线形成的方波进行截尾,实现了输出方波宽度可调;利用Labview中的图形化控件,编写友好简洁的计算机控制界面;采用光电隔离、光纤传输和供电隔离等一系列措施,提高触发控制系统的抗干扰能力。实验结果表明,最终电源输出电压幅值超过80 kV,输出方波脉冲宽度超过25 s,脉冲前沿小于0.7 s,并且输出电压幅值可调,脉冲宽度在输出范围内可连续调节。利用该电源对ZnO压敏电阻样品进行了测试,得到了较好的ZnO压敏电阻非线性伏安特性曲线。     

磁隔离触发式10 kV级联型脉冲电源研制

采用磁隔离触发式的级联型高压脉冲电源解决了每一级联单元浮动供电的问题,结构紧凑,触发方式简单可靠。利用磁耦合隔离的触发方式,触发信号一致性高,产生的截止偏压信号可以对绝缘栅双极晶体管进行可靠关断。同时,在每一级联单元附加切尾开关支路,降低输出脉冲高压的下降沿,提高级联型脉冲电源的适用性。研制的10 kV级联型脉冲电源,每一个级联单元的额定工作电压为1 kV,总共10组。电压调节范围0~10 kV,工作频率1~10 kHz,脉冲电流0~20 A,脉冲宽度5~50 s。     

脉冲调制高压电源高频化改造的仿真分析与实验

对HL-2A 装置原有的高压电源进行了高频化改造，改造后的单元电源采用脉冲步进阶梯调制(PSM)技术，采用24 个不可控整流电源模块与4 个调节电源模块串联输出，通过控制各模块的投入切出，使输出电压范围在0~20kV 可调，模块开关频率最高可以达到20kHz。通过仿真和实验测试结果表明，该电源运行参数可以达到20kV/200A，开关频率最高达到了20kHz，能够满足系统的实验需求。     

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In order to improve the physical experimental parameters of the HL-2A tokamak, the new high-power supply for the auxiliary heating systems need higher stability, faster response, higher power factor, shorter protective time, higher voltage, more flexible control, higher frequency and much less energy discharged to this equipment than the old one when the load is arcing. The high voltage power supply adopts the pulse step modulation (PSM) technology and mainly consists of 28 modules with 4 adjustable modules and 24 uncontrollable switch modules connected in series. The output voltage can be adjusted continuously in 0~20kV and the switch frequency maximum can reach 20 kHz. The results of simulation and experiment show that the operating parameters of the power supply can reach 20kV/200A and meet the experimental requirements.     

20 kV高压脉冲幅度校准装置设计

针对高压脉冲幅度的量值传递需求,开展了脉冲幅度1～20 kV、脉宽1～100μs的高压脉冲幅度校准装置设计。校准装置以高压MOSFET器件为核心,搭建多级Marx结构实现高压脉冲成型,同时通过截尾回路的设计缩短脉冲下降时间,实现矩形脉冲波形的输出。在Marx结构基础上开展装置整体设计,通过触发脉冲信号及高压直流电源电压调节脉宽与幅度,通过隔离电源及光信号保证了高压隔离强度。装置采用高准确度高压探头和数据采集卡构成校准装置的内部测试系统,其测量值作为校准装置的标准量值,经评定装置脉冲幅度不确定度为2%,并通过两台比对法进行了验证。采用其他多型高压探头对校准装置进行实验测试,结果表明与低压脉冲校准源测试相比,高压脉冲可明显有效地表征高压探头的性能及测量准确度,同时本装置也可作为高压脉冲发生器应用于脉冲功率领域其他用途。     

小型化电感隔离型Marx发生器的研制

随着脉冲功率技术的发展,纳秒脉冲电场被逐渐应用到等离子体水处理、不可逆电穿孔肿瘤消融等技术中。为了满足纳秒脉冲的应用需求,电源需要输出十几kV高压,拥有纳秒窄脉宽和快速的上升沿,同时尽量减小电源体积,降低成本。该纳秒脉冲电源采用电感隔离型Marx发生器结构,电路可以实现模块化叠加,电感隔离可以减少开关数量,抬升充电电压,以获得更高的电压输出。所设计的驱动电路仅需一路控制信号和一个直流供电模块,经功率放大和磁隔离后可同时控制所有放电管,该驱动电路结构简单、成本低、体积小,耐压水平高。所设计的24级电源样机,在50 kΩ阻性负载上,可输出0～14 kV电压,频率0.5～1 kHz,脉宽500 ns。该电源主电路的长宽高尺寸仅为23 cm×10 cm×12 cm。     

一种新型等离子体磁控溅射镀膜电源设计

磁控溅射镀膜电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌靶和锡靶溅射处理装置的技术要求,研制了一套输出电压0~800 V可调、脉冲宽度5~200 μs可调、频率0~60 Hz可调、在脉冲电流最大幅值约150 A的磁控溅射镀膜电源,分别给出了该电源在铌靶负载和锡靶负载下的实验结果。设计上采用高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路方法,解决了高功率磁控溅射在重复频率工作下有时不能成功溅射粒子、电离时刻不一致、溅射起弧打火靶面中毒、溅射效率低等问题,降低了磁控溅射装置内气体的工作气压,实现低气压溅射镀膜,提高了靶材的溅射效率,减小薄膜表面粗糙度。通过大量实验论证,该电源达到了理想的溅射效果,满足了指标要求。     

4 MV激光触发多级多通道开关特性

报道了4 MV激光触发多级多通道开关的结构设计和初步的实验结果及分析。该开关采用轴向聚焦触发方式，设计为匀场结构，采用场调整环与匀压环调整开关间隙电场分布，电极-绝缘子序列采用堆栈结构替代榫接结构，独立定位、紧固。实验结果表明:4 MV激光触发多级多通道开关的自击穿电压偏差小于5%，自击穿电压与工作气压呈良好的线性关系；触发延迟时间约25 ns，极差小于±2.5 ns，抖动1.5 ns；等工作电压-气压比条件下，随着气压和工作电压的上升触发延迟时间及其抖动趋向下降。     

基于MOSFET的6×10单元快速固态调制器

 利用快速高重复频率的脉冲凸轨技术可以实现合肥光源的光脉冲间隔的可调。为了获得这一快速高重复频率的强流短脉冲,采取基于MOSFET的固态调制器技术。设计出了一套10路MOSFET开关并联、6级感应叠加的实验样机结构,包括快速时钟信号产生、功率驱动电路设计、感应叠加式阵列结构。样机获得了底宽为100 ns、重复频率20 kHz、峰值电流60 A、峰值电压2 kV的功率脉冲。     

基于MOSFET的纳秒级全固态脉冲源设计

采用MOSFET半导体固态开关作为主放电开关取代气体开关、高压二极管替代充电电阻的技术方法,设计了一种基于功率MOSFET固态开关的纳秒级全固态脉冲源。设计的脉冲源主开关级数共5级,每级主开关分别由5只功率MOSFET半导体固态开关器件串联组成,开关通断控制采用脉冲隔离变压器同步驱动方式。在重复频率1 Hz~1 kHz、充电电压4 kV、负载阻抗为1 k条件下,可实现输出幅度大于20 kV、前沿小于10 ns且脉宽大于100 ns的高压快脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,并给出了单次和重复频率（1 kHz）触发信号作用下全固态脉冲源输出的实验结果。