HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS
强激光与粒子束
Vol.31,No.8
,Au.2019 g
*
级联型高压重复频率微秒脉冲源的研制
,
李志军1, 张雅雯12, 高迎慧2, 韩 静2
()1.河北工业大学人工智能与数据科学学院,天津300130; 2.中国科学院电工研究所,北京100190
基于级联型电压叠加技术研制了一种最高输出电压为2 摘 要: 针对等离子体的应用,0kV的高压微秒电源的输出电压值在0~2重复频率在0~1脉宽在0~3该电源的0kV之间可调;0kHz之间、0μs之间可调;上升沿和下降沿均在1μs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 关键词: 脉冲功率; 重复频率; 级联型脉冲源; 等离子体; 间接光触发
:/ 中图分类号: TM89 文献标志码: A doi10.11884HPLPB201931.190040
脉冲源,该电源由4其单个模块电压等级为5降低了对器件的绝缘耐压要求。0个相同的电源模块组成,00V,
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。
Develomentofcascadehihvoltaereetitivefreuencpggpqymicrosecondpulsepowersulppy
(1.SchoolortiicialIntellience,HebeiUniversitechnoloTianin300130,China;fAfgyofTgy,j2.InstituteolectricalEnineerinChineseAcademciences,Beiin00190,China)fEgg,yofSjg1: , AbstractInthispaeracascadehihvoltaemicrosecondpulsepowersulithoututvoltaeof20pggppywpg
11222
,,,LiZhiun Zhanawen GaoYinhui HanJinjgYgg
,
;;reetitionfreuencisadustablebetween0-10kHzthepulsewidthisadustablebetween0-30μstheoututpqyjjpcurrentvalueisbetween0-15A;therisinndfallindeofthepowersulreallwithin1s.Modulardegagegppya-μ,sourceisusedasanexcitationsourceforplasmaproductionandtheoututhihvoltaepulsewaveformisstapgg-,chanethemodeofthedischareisdifferent.ggerg
,blethepowersulanbeconvenientldustedaccordinodifferentload.Whenthevoltaeandfreuencppycyajgtgqysinimrovestheredundancfaulttoleranceofthispowersulndreducesitsfailurerate.Whenthispowergpyppya
voltaereuirementsofthedevice.Theoututvoltaevalueraneofthispulsepowersulis0-20kV;thegqpggppy
kVisdeveloed.Thevoltaelevelofasinlemoduleis500V,whichreducestheinsulationwithstandhihpggg
: p;;;; Keordsulsepower reetitivefreuenc cascadepowersul plasma indirectlihttripqyppyggyw-: 5;; PACS2.80.Yr 52.80.M 84.30.Ngg
在生物医学、环境保护、废弃污染物处理、材料表 气体放电产生等离子体的相关研究已经涵盖了很多学科,
1-3]
。等离子体特性与放电特性密切相关,面改性、等离子体点火和辅助燃料方面已经有了很多应用[而放电特
]4
。文献[]性与激励电源、放电模式及产生条件有关[中B交流和脉冲三种不同电源作5urlica等人比较了直流、
为激励源时的效率,发现脉冲电源由于瞬时功率很高而平均功率较低在产生等离子体方面有独特的优势。为了进一步研究脉冲电源参数对产生等离子体的影响,国内外学者也进行了大量的研究。文献[中A6]an等在y脉冲电源医学的应用研究中发现,具有快上升沿和高过电压的脉冲源更有利于对人体内和医疗中的不规则物]体进行处理。文献[中李黎等采用大面积脉冲弥散放电对尼龙6研究了不同频率的激76材料进行表面处理,励对于材料表面改性的影响,并指出低重复频率和长处理时间相结合更节能。文献[中S8]inleton等研究了g非平衡态等离子体在乙炔和空气混合气体点火实验中的不同模式的点火效果,研究发现在点火过程中,与火花
*收稿日期:2019-02-21; 修订日期:2019-04-29
基金项目:河北省科技支撑计划项目(15212105D)
,男,_。作者简介:李志军(博士,正高级工程师,从事可再生能源转换与控制技术及电力电子应用技术研究;1964—)zhiunli@263.netj—),,;。通信作者:张雅雯(女从事高压电源及电力电子应用技术研究1993zhanawen93@mail.iee.ac.cngy
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强激光与粒子束
模式的放电相比,多通道形式的放电(类弥散放电)能够实现多点点火,且产生更多的对燃烧有利的化学活性粒]子。文献[中也基于等离子体在点火助燃方面的应用,研究了不同脉宽和不同上升沿的激励源对产生等离子9体的影响,放电间隙改变时对于激励源的参数要求也会改变。面向不同的负载时,脉冲激励源需能够灵活调节其输出参数,保证放电模式和产生的等离子体能够达到最优的效果。因此高压脉冲源的研制也受到了广泛关注。脉冲源的组成有M级联型电压叠加等多种方式。其中级联型电压叠arx发生器、buck电路、IGBT串联、加电路由于能够降低功率器件绝缘耐压要求,脉冲参数灵活可调,有较高的冗余容错能力而具有独特的优
]10
。势[
本文基于级联型电压叠加的方式研制了一种能够实现同步触发而且脉冲波形灵活 针对等离子体的应用,
可调的高压微秒脉冲源。该电源可通过增减串联模块的个数来决定输出电压的大小;单个模块的输出电压等级控制在5降低了绝缘等级要求,缩小了所需功率器件的体积,使电源整体结构更加紧凑;采用的光触发00V,控制系统不仅可以很好地保证多级触发时的同步性,还可以根据实际的需求生成同步、时序等脉宽可调的驱动信号。
1 级联型电压叠加脉冲源设计
1.1 主拓扑原理
电源的主电路结构如图1所示。
其供电电路选用 该电路的输入端是220V市电,
工频供电的方式,传统工频供电电路虽然效率较低,但是工作相对可靠,绝缘设计难度降低。该电源通过对输入的工频交流电进行整流滤波,单个模块的输出电本文选取英飞凌公司生产的IKW15N120H3型号的压等级为5降低了对功率器件耐压等级的要求。00V,
该开关器件的耐压值为1可通过的最大IGBT,200V,电流值为1能够提高电源的5A。该IGBT的体积小,
Fi.1 Maincircuitstructureg
图1 主电路结构
功率密度。在工作过程中,供电电路向电容供电;当I各个IGBT关断时电路当中没有电流通过,GBT开通时,模块的输出电压通过串联的方式叠加起来,向负载输出高压波形。
减小了故障率,保证电源的稳定工作效率,增加了二极 40个相同的电源模块通过级联的方式叠加在一起,
管续流电路。在电源工作过程中某一级或者其中几级的电路出现故障,开关不导通时,二极管会及时为整个系统续流而不影响其他模块正常工作。此时整个系统获得的电压值为:其中Uo为负载两端电Uo=(n-m)Uc,压,Uc为单个模块输出电压,n为模块总个数,m为故障模块个数。
1.2 控制电路
激励源的上升沿对于等离子体的产生有很大的影响,所以该电源的多个模块在触发时需要触发信号的严格同步。在保证器件参数尽可能一致的前提下,还需要利用特殊的控制电路来进行触发。传统电磁触发
11]
。为保方式容易受到高压侧的干扰而影响同步性[
证触发信号传输过程中的一致性,本文采用了光信号作为传输媒介,利用分光器实现多路电压串联叠加模块的同步驱动。光触发方式可以很好地隔离高压侧对低压侧的电磁干扰,整个触发系统由信号发生器、光电转换电路,光纤传输部分组成。如图2所示(以10级。为例)
Fi.2 Controlcircuitg
图2 控制电路
能够降低电磁干扰,减少多个触发信号之间的 脉冲触发信号转换为光的形式进行传输不易发生信号延迟,
分散性,保证触发信号的同步性。由于各个模块可以实现独立工作,通过改变控制信号能够灵活生成同步、时序的脉宽可调的驱动信号,输出不同形式的高压波形,如三角波、正弦波等。
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李志军等:级联型高压重复频率微秒脉冲源的研制
2 仿真验证
仿真参数如下表1所示: 采用Matlab仿真软件中的simulink工具来对电路进行仿真,
表1 仿真参数
Table1 Simulationparameters
/inutvoltaeVpg
360
/filtercaacitanceFpμ
47
/switchinreuenckHzgfqy
1
/ulsewidthspμ
10
/resistancekΩ
2
以二级为例)如图3所示,相同 主电路仿真模型(
的模块之间进行串联连接。
方波脉冲可以通过对控制部分的调节实现不同电压和不同脉冲宽度的高压输出。当40个模块同时触
)发,能够达到2如图4(所示;0kV的高压脉冲输出,a()图4是在触发信号不同步时输出的三角波的波形,b每一级或每几级之间的触发信号之间存在延迟,可以使输出波形呈现三角波的形式,通过改变控制信号还能自由控制脉宽、上升沿和下降沿。
Fi.3 Maincircuitsimulationmoduleg
图3 主电路仿真模块
Fi.4 Hihvoltaeoututwaveformgggp
3 实验测试结果
图4 高压输出波形
3.1 电源在电阻负载下测试结果
)其中图5( 在电阻负载的情况下测试电源在不同控制条件时的输出波形。图5为电阻两端的输出波形,a()为电压参数改变时负载输出的高压波形;图5为电压一定时不同脉宽下负载的输出波形。实测其上升沿均b)在1μ且该电源能够在控制端灵活地调节其输出参数,输出高压脉冲波形稳定。图5(为重复频率时s以内,c负载的输出波形。在重复频率状态下,该电源能够实现1h左右的长时间稳定工作。
Fi.5 Oututwaveformwhenresistiveloadgp
图5 电阻负载时输出波形
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3.2 不同电源参数对放电的影响测试结果
改变激励源的输出参数,观察放电电极 将该微秒脉冲源作为激励源,
在不同参数下的放电特性。该放电电极为针针放电,如图6所示,放电电极的直径约为2mm,放电介质为标准大气压下的空气。
脉宽为5μ电极在1k 图7是输出电压为10kV,s时,Hz和10kHz
下电压电流输出波形。频率越高时功率密度越大,能量积累越快越容易同时当频0.5A。因为频率变化会导致针端电荷累积变化和场强变化;率增加时,其负载特性也发生了变化,等效阻抗减小,电流增加。发生击穿,其脉冲峰值电流在1k在1Hz时约为0.4A,0kHz时升高为
Fi.6 Discharedevicegg
图6 放电装置
Fi.7 Oututwaveformatdifferentfreuenciesgpq
输出电压1输出脉宽5μ观察负载在不同频率时的放电现象。 当实验条件为针针间隙0.5cm,0kV,s时,
()如图8所示,随着频率增加,电源输出功率增大,负载的放电特性发生改变。在1a00Hz时负载的放电模式放电频率1k该频率下不同脉宽的放电模式均为火花放电。当脉宽10kV,Hz时不同脉宽情况下的放电现象,增加时,次级的储能电容放电时间增加,导致电源的输出功率增大,放电强度也会随输出脉宽增加而增强,产生的电火花亮度和面积更大。
()为电晕放电,当频率逐渐增加到1k为针针间隙0.输出电压Hz时负载放电模式成为火花放电。图8b5cm,
图7 不同频率时输出波形
Fi.8 Discharephenomenonunderdifferentparametersgg
图8 不同参数时电压输出波形
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李志军等:级联型高压重复频率微秒脉冲源的研制
4 结 论
本文基于级联型电压叠加的方式研制了一种参数可调 针对实际应用当中对于产生等离子体的不同要求,
的高压重频微秒脉冲源。该电源输出的高压脉冲波形,其电压幅值、脉冲宽度、上升沿等均灵活可调。在大气压下的放电实验当中,通过改变电源的输出参数能够观测到不同的放电模式和放电强度,对产生等离子体的特性也会有不同影响。该电源模块化程度高,绝缘耐压要求低,有较高的冗余容错能力,能够实现长时间的稳定工作。特殊的触发控制电路能保证电源的快上升沿,为等离子体的应用提供了方便可靠的功率支持。
致 谢 感谢中国科学院电工研究所极端电磁环境科学与技术研究部提供的帮助。
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