Marx调制器单元设计和叠加测试

基于单元器件的成功研制,介绍了Marx调制器单元充放电回路、电压和电流的实时监测以及控制系统和连锁保护等功能的设计和实现。对IGBT固态开关的静态、动态均压进行分析和模拟,采用RCD缓冲电路实现IGBT的动态均压;对控制系统改进和优化,设计了专用电源转换模块;分压电路和电流霍尔采样回路分别实现调制器单元电压和电流的检测;连锁保护功能由控制系统和继电器控制完成。所有部件按照电气标准设计在调制器单元支架上。经过测试的4个单元进行了叠加试验,4个单元总输出24 kV,各器件在高压试验中工作正常。     

回旋行波管的全固态Marx高压脉冲调制器设计

为回旋行波管设计了全固态近方波Marx高压脉冲调制器,设计参数:输出电压70kV,输出电流15A,工作频率0~2kHz可调,脉宽200μs可调,功率容量可以达到百kW级。设计利用串联IGBT作为控制开关,利用FPGA通过光纤传输的方式对IGBT进行逻辑控制、电路保护和监测,补偿单元利用FPGA控制IGBT自动补偿的方式对顶部压降进行补偿,使得输出电压平顶度达到±1%。对电路各个部分进行仿真及测试。结果验证此设计方案的可行性,可以提高回旋管电源的稳定性和工作频率,减小调制器体积及维护成本,并为高压测试提供了实验基础。     

绝缘栅双极晶体管串联关键技术

为实现绝缘栅双极晶体管（IGBT）的多级串联,以电阻/电容/二极管（RCD）缓冲电路为动态均压电路,通过数学分析及PSpice仿真验证,建立了RCD缓冲电路参数选择模型;设计了基于数字信号处理器（DSP）控制、光纤隔离传输,以M57962L为IGBT驱动器的驱动电路及故障反馈电路,能驱动32只串联IGBT并对其进行过流和短路保护,32只IGBT的最大导通时间不超过90 ns,短路保护响应时间约为6 s;设计了8路独立输出的50 kV隔离的高压隔离电源,实现IGBT串联电路各部分的供电及电隔离。基于以上IGBT串联方法,实现了32只1200 V IGBT的串联,串联电路可稳定工作在20 kV电压下。     

大功率固态调制器的仿真研究

 设计了大功率固态调制器的新型固态脉冲开关模块。通过分析电力电子仿真软件Saber中绝缘栅双极晶体管(IGBT)物理模型的概念和等效电路，结合实验数据建立了IXDH20N120型IGBT的模型，研究了Saber环境下，不同参数条件和拓扑结构对调制器电路输出特性的影响。仿真结果表明：动态均压网络在有效地保护开关的同时，可以减少IGBT的开关损耗；电路中器件离散性与系统分布参数会造成调制器输出波形质量下降，效率降低。并对调制器在负载打火情况下，因严重不均流而损坏器件故障的机理作了分析，实验证明仿真结果和分析与实际相符。     

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。     

450kV高功率速调管调制器系统

研制了一套用于新型速调管测试的450 kV高功率调制器系统。根据系统指标分别设计了脉冲变压器、脉冲形成网络以及充电电路等主要部件。同时,针对高功率脉冲开关的要求,对闸流管相关性能进行了比较研究,并对其触发、保护电路作了优化设计。并利用可编程控制器与触摸屏组合方式实现了调制器和速调管的控制与连锁保护。利用电力电子仿真软件Saber对调制器主电路进行了建模与仿真,脉冲电压波形仿真结果与在水负载上进行的满功率试验结果一致:脉冲宽度2.5μs,脉冲前沿1.1μs,脉冲后沿1.7μs。调制器输出脉冲电压450 kV,脉冲电流600 A,满足速调管测试需要。     

Marx固态调制器单元研制

Marx固态脉冲调制器是根据Marx发生器的原理并以绝缘栅双极晶体管(IGBT)固态开关作为开关元件而设计的脉冲调制器。其低成本、高可靠性、小体积等优点可以很好地满足国际直线对撞机(ILC)对脉冲调制器提出的要求。介绍了Marx调制器单元样机主要部件包括IGBT串联高压开关组件、储能电容器、串联高压充电电源以及控制系统样机的研制。Marx调制器单元完成了12 kV高压试验,各部件达到设计指标,为单元的模块化生产和多单元的叠加试验提供可靠的数据和保障。     

高频高变比脉冲变压器耦合固态刚管调制器

调制器输出脉冲宽度存在两种模式,输出脉冲宽度为10μs时,工作频率0~8kHz可调,输出脉冲宽度为200μs时,工作频率0~400Hz可调。为了实现了调制器的小型化,初级电压设计为700V,初级储能电容可采用高储能密度的电解电容,且可降低绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联的风险,次级输出电压为70kV,采用变比为100的脉冲变压器。概述其各个组成部分及其工作原理,重点对IGBT固态开关的驱动、保护电路、损耗和吸收回路进行了分析讨论,并对高变比的变压器进行了理论分析。对调制器进行了实验测试,脉冲前沿2.2μs,脉冲后沿1.65μs,过冲小于7%,脉冲顶降小于1%。     

超导磁体低温液位监测单元的设计与实现

介绍了一种应用于超导磁体的低温液位监测单元的设计与实现.设计了压控电流源电路和电压-频率转换电路用于液氦的液位测量,并设计了电容-频率转换电路用于液氮的液位测量;设计了以STM32微控制器为核心的数字电路,用于压控电流源的控制、频率信号的处理和液位监测数据的数字化显示;同时通过CAN总线把液位的监测数据自动发送至上位机,完成液位监测单元的远程控制.测试结果证明了该设计的可行性.     

MOSFET调制器的实验研究

 介绍了MOSFET调制器的基本原理，并对其并联分流和感应叠加两种开关结构进行了实验研究。基于可编辑逻辑器件设计了其触发电路，驱动电路采用高速MOSFET对管组成的推挽输出形式，加快了MOSFET的开关速度。利用Pspice软件对开关上有无剩余电流电路(RCD)两种情况进行仿真，结果表明，加装RCD电路可以有效吸收MOSFET在关断瞬间产生的反峰电压。实验中，电流波形用Pearson线圈测量，用3个MOSFET并联作开关，当电容充电电压为450 V，负载为30 Ω时，脉冲电流13 A，前沿20 ns，平顶约80 ns；用3个单元调制器感应叠加，当电容充电电压为450 A，负载为30 Ω时，脉冲电流强度为40 A，前沿25 ns，平顶约70 ns。     

500 kV全固态Marx发生器

500 kV全固态Marx发生器采用Z型电路结构,以28个最大工作电压达22 kV、满载最高连续重复运行频率达200 Hz的绝缘栅双极型晶体管组件作为脉冲控制开关,采用以金属化膜电容器和线绕电感构成的梯形脉冲形成网络作为储能和脉冲形成器件。目前已实现500 kV脉冲输出,在50 Hz的重复频率下实现数十个脉冲的猝发输出。该发生器的输出脉冲电压峰值与已有文献报道的最高功率固态Marx发生器技术指标相近,输出脉冲电流峰值提高1倍,达到1000 A,发生器输出脉冲功率峰值达到500 MW。在采用电容器作为储能元件时,此Marx发生器输出脉冲宽度可在3～10 s范围内连续调整。     

基于半导体开关和磁开关的全固态脉冲电源

利用磁开关来改善全固态Marx发生器的脉冲上升沿,并构建出一套脉冲电源。该套脉冲源包括基于IGBT半桥模块的Marx发生器和由磁开关与锐化电容构成的脉冲陡化电路。该电源用原边一匝的脉冲变压器为IGBT提供驱动信号,并且原副边绕组均采用同轴线以屏蔽电磁干扰;在门极采用无源过流保护的方法,以防止负载短路对IGBT放电开关造成损坏。实验结果表明:在电压10 kV,电流170 A的情况下,脉冲前沿由1.5μs压缩到了200 ns,同时IGBT的开通损耗由原来的10 mJ降到不足1 mJ。     

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%。     

多路Marx并联高压脉冲电源研究

脉冲功率技术在工业和生物医学领域有着广泛的应用,很多应用场合要求输出数百安培的高压脉冲。固态Marx发生器虽已研究多年,但是被广泛采用直插封装的IGBT和MOSFET功率半导体开关管的额定电流通常都低于100 A,无法满足低阻抗负载的应用需求。为提高输出脉冲电流幅值,提出两种多路Marx发生器并联的脉冲电源的拓扑结构,第一种方案采用多路Marx发生器直接并联,第二种是共用一组充电开关管的多路Marx发生器并联。由FPGA提供充放电控制信号,采用串芯磁环隔离驱动方案实现带负压偏置的同步驱动,主电路选用开通速度快、通流能力强的IGBT为主开关的半桥式固态方波Marx电路。实验结果表明,6路16级Marx直接并联的脉冲发生器能输出重频100 Hz高压方波脉冲幅值可达10 kV,在30Ω负载侧输出峰值电流可达300 A,上升时间230 ns。共用充电开关管的6路4级Marx并联发生器在5Ω电阻负载上的输出电流峰值可达300 A,最大输出电流可达460 A,上升时间272 ns。表明多路Marx发生器并联可以有效地减小系统内阻,提高系统带载能力;改进后的并联方案实现大电流脉冲输出的同时,所采用的开关管数量减小近一半,提高了系统的抗干扰能力的同时,降低了脉冲电源的成本;且增加级间并联导线可进一步改善均流效果。     

固态Marx发生器的自动控制研究

为了进一步推广固态Marx发生器的应用,实现输出脉冲波形的直观显示,提高电压调节精度,缩短充电调压时间,有必要对固态Marx发生器的自动控制进行研究。以现场可编译门阵列（FPGA）作为控制器,将输出电压、频率、脉宽、过电流阈值等参数以及故障检测及指示直接显示在液晶屏上,实现可视化设置和调节,在固态Marx发生器的输出端并联分压电路和高速数模转换电路,对输出的高压脉冲采样,一方面用于闭环PID控制实现分段式快速充电和输出电压精准化调节,另一方面用于在虚拟示波器中实时显示输出脉冲电压的基本波形。此外,在电路中加入了故障检测和保护机制,迅速检测电路中出现的过温、过电流等故障并对其及时停机响应以保护脉冲电源和操作人员安全。在20级的固态方波Marx发生器样机中产生的重复频率方波脉冲电压波形表明,该样机已经初步实现自动化控制,并能可靠运行。     

50 MW速调管用分数比脉冲调制器

研制了一套S波段50 MW速调管用分数比脉冲调制器,具有脉冲变压器变比1∶300、初级电源电压1.25 kV、输出峰值功率113 MW等特点。分数比脉冲调制器属于加法器式固态调制器的类型,其原理为分开铁心使其磁场感应叠加,再高变比脉冲变压器升压。利用1∶60的高变比升压脉冲变压器技术,实现了初级单元电路为较低工作电压、各组件模块化、放电单元接地等优点,同时实现了脉冲变压器初级低漏感值、次级绕组低分布电容值、放电单元及传输回路低电感值。工程样机测试结果为输出脉冲电压大于312 kV、脉冲电流大于360 A、脉冲前后沿小于1.4 μs的高功率全固态脉冲调制器,为国内工业辐照加速器、自由电子激光加速器等需要高稳定射频功率源的应用提供一种解决方案。分数比脉冲调制器具有输出脉冲宽度可较大范围调节,可以适应负载阻抗的较大范围变化,无线性调制器中使用的氢闸流管的寿命限制,较低工作电压的高运行可靠性等优点。     

全固态高重频高压脉冲电源

设计了一款全固态高重频高压脉冲电源,主电路采用以IGBT为主开关的半桥式固态Marx电路,驱动电路采用磁芯隔离带负压偏置的同步驱动方案,并由FPGA提供充放电控制信号和故障诊断、保护。该方案既可实现对多级电容的低阻抗的快速并联充电控制,又可实现截尾功能以加快脉冲后沿获得方波脉冲,且可实现百μs以上的宽脉冲输出,可用来产生高压脉冲电场。此外,该电源还可在突发模式下输出脉冲个数和频率均可调的多个高频脉冲系列。实验表明,该输出电压幅值可高达40 kV,输出峰值电流可达100 A,重频可达30 kHz,上升沿和下降沿均低于100 ns,突发模式下重频可高达200 kHz。所设计的脉冲电源输出参数连续可调,且体积小巧。