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%。     

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。     

基于磁隔离驱动的亚微秒高压脉冲电源

为满足不可逆电穿孔对高压纳秒脉冲电源的需求,并且突破电源模块耐压的限制,提出了一款以正极性Marx为主电路、具有ns级前沿的高重复频率的亚微秒高压脉冲电源。该脉冲电源使用光纤传输信号,经过驱动芯片放大信号后,利用磁芯变压器传递驱动信号给MOSFET。磁芯变压器给电路提供了磁隔离,使驱动电路不会受高压输出的影响,提高了电路的耐压水平。驱动电路设计简单,所需元器件较少,可提供负压偏置,使开关管可靠关断,提高电路的抗电磁干扰能力,保障电路稳定运行。此电源由16级电路构成,实验表明:在10 kΩ纯阻性负载上,当输入电压为630 V时,即可得到10 kV的高压输出。其最小脉宽为300 ns,频率1 Hz～10 kHz可调。该脉冲电源结构紧凑,能够做到输出电压、脉宽、频率可调。研究了磁芯材料和匝数对驱动脉宽的影响。结果表明:匝比的增加会影响信号脉宽,在一定的条件下,单匝电感量的差异和磁芯材料的不同对信号脉宽的影响较小。     

正负双极性直流高压充电电源设计北大核心CSCD

高压脉冲电容器是脉冲功率系统中应用较广的储能器件。根据大容量能库型脉冲装置对充电电源的技术要求,研制了一种输出电压±0.5~±10 kV可调、最大平均功率约3 kW、双极性一体化直流高压充电电源。设计上采用控制电路与正负双极性直流高压输出主电路一体化方式,通过隔离、屏蔽和保护措施,解决了目前双极性直流高压充电电源存在的正负极性电压不平衡、采样控制信号与高压地未隔离问题,减小了电源体积,提高了电源的鲁棒性、可靠性和电磁干扰能力。100多台充电电源在18.3 MJ脉冲装置中同时运行,在复杂电磁干扰环境下可靠稳定工作。     

低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源研制

给出了基于远程和本地两种控制方式,作为低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源系统的设计原理和方法。研制了一台重复频率为0.01~1Hz、脉冲输出幅度为10~20kV、前沿小于10ns、脉宽大于500ns以及抖动小于1ns的高压脉冲触发源。设计上将程控和手动触发信号分别作为重复频率和单次预触发脉冲,驱动后级触发器绝缘栅双极型晶体管,经脉冲变压器变换后控制氢闸流管VE4141放电,实现输出高压脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了外触发脉冲情况下高压脉冲输出的实验结果。     

高可靠性脉冲氙灯电源设计

对540 mm18 mm、极间距250 mm、充气压力26 kPa的脉冲氙灯进行分析计算,研制了一台具有手动和外触发功能、氙灯充电电压2.5～4.5 kV、输出脉冲电流幅度3～6 kA、脉冲宽度约230 s的脉冲氙灯电源,给出了单次触发情况下的实验结果。设计基于晶闸管移相调压方式,经由隔离模块、PLC控制构成的闭环反馈回路,控制调压模块对储能电容器线性充电;通过IGBT半导体开关器件产生脉冲信号,经脉冲变压器升压后触发氙灯,使氙灯导通发光。采用简单、可靠的绕丝触发方式和控制信号隔离、电容器一端接地等方法,有效抑制了地电位抬高,提高了氙灯电源的可靠性和抗干扰能力。通过百次的实验,脉冲氙灯电源能100%点亮负载氙灯,满足实际使用要求。     

级联型高压重复频率微秒脉冲源的研制

针对等离子体的应用,基于级联型电压叠加技术研制了一种最高输出电压为20 kV的高压微秒脉冲源,该电源由40个相同的电源模块组成,其单个模块电压等级为500 V,降低了对器件的绝缘耐压要求。电源的输出电压值在0~20 kV之间可调;重复频率在0~10 kHz之间、脉宽在0~30 μs之间可调;该电源的上升沿和下降沿均在1 μs以内。模块化的设计提高了电源的冗余容错能力。将该电源作为产生等离子体的激励源时,其输出的高压脉冲波形稳定,且根据负载对输出高压波形的要求不同,该电源可以方便地进行调节。     

MHz 高压脉冲电源设计

设计了一款基于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关的高压高频脉冲发生器,采用多个以光纤信号隔离触发的串联MOSFET作为高压开关,并由FPGA提供控制信号。该发生器由相同的MOSFET管部分组成,并联并按顺序触发,与参考信号同步。所述电路和工作模式克服了MOSFET管发生器的功耗限制,使脉冲重复率显著提高。详细介绍了该MHz高压脉冲发生器的工作原理和制作过程,然后进行了初步试验,验证了该发生器的性能。该电路在1 MHz的高重复率下,输出上升时间为十几ns、脉宽为百ns、电压幅值大于1 kV的平顶脉冲。     

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。     

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。     

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。     

基于反激拓扑与RC隔离触发网络的短弧脉冲氙灯电源设计

针对现有的短弧脉冲氙灯电源存在明显的阻尼振荡等现象,提出了一种基于反激拓扑方法与RC隔离触发网络的短弧脉冲氙灯驱动电源设计。驱动电源采用24 V输入,主电压通过反激拓扑结构产生700～1000 V连续可调输出,脉冲触发电压电路采用二级级联升压电路产生5～7 kV脉冲输出,主电压和脉冲触发电压经过RC隔离触发网络后对脉冲氙灯进行驱动点亮。对驱动电源各个模块进行了设计与实现,将RC隔离触发网络仿真与实际触发波形对比,并比较分析了主电压在不同电压下的充放电波形。实验结果表明,所设计的驱动电源点亮短弧脉冲氙灯的成功率达100%,验证了所设计驱动电源的可行性;所设计的驱动电源充放电总时间最大值为5.63 ms,为短弧脉冲氙灯提供了较高的闪烁频率;所设计的驱动电源与文献对比将阻尼振荡范围从32.24%降低到4.7%,有效抑制了放电产生的阻尼振荡,避免对储能电容造成二次充电,有效提高了储能电容及短弧脉冲氙灯的放电次数及寿命。     

100 kV重复频率高压脉冲电源

为研究气体间隙的放电特性,设计了输出幅度在30～100 kV、重复频率1～5 kHz可调的高压脉冲电源。利用谐振充电的原理,将10 kV的初级电源的能量转移到中储电容,中储电容的电压升高到至少18 kV。在光触发信号的作用下,氢闸流管导通,中储电容上的能量通过脉冲变压器放电,在脉冲变压器的副边得到最大幅度为100 kV的负脉冲,其脉宽大于200 ns,前沿时间小于90 ns。整个装置在不加散热系统的情况下,可连续工作1 min以上。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

重复频率脉冲功率系统触发器设计

根据重复频率脉冲功率系统中大功率开关器件氢闸流管的触发原理,针对选用的氢闸流管VE4147的触发要求,设计了直流偏压-150 V、空载电压2 000 V、脉冲电流10 A、脉冲宽度800 ns、重复频率10 kHz的触发器。设计中着重从增强抗干扰能力、降低功耗、改善散热等方面进行考虑,保证触发器以10 kHz的重复频率持续工作,已经应用于100 kV/2 kHz高压脉冲电源、70 kV/10 kHz氢闸流管老练平台、150 kV/1 kHz可调脉宽电晕等离子体驱动源等多个重复频率脉冲功率系统中。     

Ka波段TM02模式低磁场相对论返波管初步实验研究

对Ka波段TM₀₂模式低磁场相对论返波管的结构特点、工作原理进行了介绍,详细分析了该器件以TM₀₂模工作的模式选择机制。通过粒子模拟,该器件在1 T引导磁场下获得了功率为493 MW、频率29.3 GHz的微波输出,工作模式及频率与理论设计相一致。随后,基于模拟中的结构参数开展了初步的实验研究,当二极管电压为580 kV、电流为3.56 kA、引导磁场1 T时,获得了功率286 MW、频率29.3 GHz、脉宽约10 ns的微波输出。实验获得的微波频率与数值模拟一致,但是微波功率与数值模拟结果有明显差异,并且微波脉冲后沿有明显的缩短,分析认为在低磁场下后端谐振腔链受到电子轰击是导致该问题的主要原因。