一种双极性输出端口电压自平衡隔离型DC/DC变换器

隔离型DC/DC变换器通过多绕组变压器可方便地实现多路或双极性输出,但因交叉调整率问题,在负载不平衡时输出各端口电压存在较大偏差。针对该问题,该文基于反激变换器推导出一种双极性端口电压自平衡隔离型DC/DC变换器。所提方案结构简单、成本低,在不改变传统反激变换器驱动及控制电路设计的情况下能够较好的实现端口电压自平衡,且所提变换器结构具有可拓展性。文中首先详细阐述了所提变换器拓扑的推演过程,然后对变换器的工作原理、性能特点以及电压自平衡机理进行分析。最后,搭建了一台150 W的实验样机,验证了所提变换器理论分析的正确性和有效性。

环氧树脂高频松弛的交流电导与双极性方波击穿特性

高频非正弦电压下环氧树脂击穿表现出较强的频率依赖性,并且存在复杂的宽频电-热耦合特性。高频电压下环氧树脂交流电导,特别是载流子非线性输运过程是理解高频绝缘击穿的关键。该文以两种电工环氧树脂为研究对象,采用宽频介电谱研究环氧试样交流电导的频率与温度依赖关系,通过Almond-West模型分析得到低频下交流类直流电导率与温度的关系,低频电导随温度变化更符合Vogel-Fulcher-Tammann模型。基于Havriliak-Negami复合介质多分散松弛极化理论,分析高频、高温下的松弛行为,认为高频交流电导率主要由松弛过程α产生的极化损耗引起。通过高频双极性方波击穿测试平台,测试了重复频率双极性方波电压(500 Hz,1 kHz,2 kHz,3 kHz)下环氧试样的击穿场强,基于三参数Weibull分布统计分析特征击穿场强随频率的关系,发现击穿场强与频率呈负相关。研究提出考虑Poole-Frenkel效应的高频高场交流电导模型,并建立高频自由体积随频率变化的击穿模型。研究指出高频下分子链段振动效应增强,导致交流电导增强;高频下分子链运动滞后于频率响应,导致总体自由体积增大,造成高频击穿场强下降。研究结果对高频绝缘破坏与可靠性研究具有重要意义。

双极性直流微电网的改进型高阶滑模自抗扰控制

针对双极性直流微电网中分布式新能源的系统功率波动、负载侧负荷频繁投切等不确定因素所引起母线电压波动问题,以基于风光互补含混合储能的双极性直流微电网为研究对象,提出一种双闭环改进型高阶滑模自抗扰控制策略。首先,依据自抗扰理论将控制系统拟合为一阶系统模型,转化为自抗扰控制系统范式。其次,设计了改进型超螺旋滑模控制器代替传统自抗扰控制中的线性控制器,引入了具有快速收敛性的级联有限时间扩张状态观测器代替线性扩张状态观测器,既能通过高阶滑模控制算法抑制抖振,又能提高对系统集总扰动的估计精度,从而利用非线性控制策略的优势改善系统动态响应过程及抗扰性能。然后,通过Lyapunov理论证明控制系统的稳定性。最后,基于Matlab/Simulink仿真软件以及搭建实验平台对3种不同控制策略进行对比验证,实验表明所提控制能够很好地抵抗扰动和提高系统的暂态性能。

有限双极性软开关焊接电源仿真研究

有限双极性全桥软开关克服了移相全桥软开关过程中的占空比丢失和软开关负载范围小等问题,减小了全桥逆变电路的开关损耗,而焊接过程中的电弧负载存在空载状态,有限双极性全桥软开关空载时难以实现零电压开关。ISOP拓扑结构能够降低开关管的压降,从而选取低耐压的开关管,进一步降低电路的损耗。基于有限双极性控制策略,选取ISOP拓扑结构,采用倍流整流电路以实现全负载范围内的软开关,通过PSpice仿真软件对该电路软开关情况以及超前臂关断损耗进行仿真研究,为实际电路提供研究依据。搭建的焊接电源在全负载范围内实现软开关,同时对比了电源在硬开关和软开关工作情况下的温升情况,空载情况下硬开关温升较小,重载情况下软开关温升较小。

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。

高鲁棒性双极性高压隔离采样电路设计

根据大容量能库型装置双极性充电电源对采样电路的高鲁棒性、正负极性均可控等要求,研制了一种隔离电压大于30 kV、隔离转换电压误差小于0.1%的正负双极性直流高压隔离采样电路。采用电压/频率、频率/电压转换方法,通过光纤、变压器隔离等措施,实现了正负双极性直流高压同时隔离采样,解决了目前双极性直流高压电源存在的正负极性电压不平衡、控制信号与高功率系统地隔离不完全问题,提高了电源的抗电磁干扰能力。该电路在±10 kV双极性充电输出时,正负极性电压偏差小于0.1%,100多台充电电源在18.3 MJ脉冲装置放电产生的复杂电磁干扰环境下可靠稳定运行。

基于磁隔离驱动的双极性Marx脉冲源研制

该文针对脉冲功率技术在食品杀菌处理等领域的双极性高电压应用需求,设计了一种基于磁隔离驱动的全固态双极性Marx脉冲源。该双极性脉冲源主电路采用双Marx型电路拓扑。驱动电路采用磁心传递控制信号,利用磁心堆叠和次级绕组反并联方式,使得系统仅需两路驱动信号即可实现双Marx主电路拓扑中四种开关的控制。驱动电路结构简单可靠,开关同步性高。基于此驱动电路和主电路,筛选了主要器件,开展了相应仿真,最终研制出全固态双极性脉冲源样机,并开展了样机的性能测试。测试结果表明,该脉冲源输出电压为0~±20 kV,脉冲宽度为3~10μs,最大重复频率为200 Hz。脉冲源的输出电压、脉冲宽度、重复频率及正负脉冲间距均灵活可调,并可通过增加Marx模块的数量来实现更高等级的输出电压。

正负双极性重复频率充电电源研制

针对紧凑型高功率脉冲驱动源的重复频率充电需求,开展了基于LC全桥串联谐振原理的恒流充电技术研究,并根据紧凑型Marx脉冲功率源的工作方式开展了电源关键参数设计,完成了一种正负双极性充电的紧凑型高压电源研制,实现20 ms内对单边等效负载电容为0.15μF的双极性Marx驱动源充电至±45 kV,平均充电功率大于15.5 kW。该电源采用单个高频高压变压器实现了正负双极性高电压同步输出;采用变压器、整流电路、隔离保护电路、电压检测电路一体化绝缘封装设计,既减小了装置体积又降低了高压绝缘风险;通过隔离保护、电磁屏蔽等设计有效解决了Marx发生器放电过程中瞬时高压信号对电源控制系统的干扰和损伤。

用于电感负载的全固态双极性LTD型脉冲电流发生器

在基于脉冲功率技术的肿瘤治疗方法中,利用双极性脉冲磁场处理的治疗方法具有明显的优势。针对此应用,该文结合模块化全桥型多电平换流器(FB-MMC)拓扑及直线变压器驱动(LTD)拓扑的优势,提出了一种用于电感负载的全固态双极性LTD型脉冲电流发生器。首先,对该文提出的拓扑结构及原理进行介绍,详细分析了发生器在电感负载下的工作过程;然后,对发生器的硬件电路进行了设计与选型;最后,研制了一台4级全固态双极性LTD型脉冲电流发生器样机并对其进行性能测试。测试结果表明,该发生器可在电感负载下输出±800A的脉冲电流,电流的上升时间为600 ns;发生器的最高工作频率为10 kHz,并具备灵活的波形调制功能,能输出三角波、梯形波及阶梯波等多种波形。

工频双极性方波电场下环氧树脂的空间电荷特性

为研究环氧树脂在双极性方波电场的空间电荷积累现象,以上升沿200μs和频率50Hz的双极性方波为极化电场,检测0.83~16.63kV/mm范围下环氧内部的空间电荷动态响应,并结合红外光谱的交联副产物分析,探讨电场幅值对空间电荷积累量及最大电场畸变率的影响。结果表明:环氧树脂表面层的空间电荷为异极性电荷占主导,48h真空脱气后其电荷量明显下降,与交联副产物等杂质相关的官能团量明显下降趋势一致。这表明交联副产物是空间电荷的主要来源之一,解离形成的正、负离子在电场作用力驱动下向极性相反电极定向迁移后,在试样表面层形成明显的异极性电荷积累。全周期平均相位体电荷密度中的绝对值密度ρa、正电荷密度ρ+和负电荷密度ρ-随外施场E均呈现指数n≈1增长,与欧姆传导的特征指数n=1相近。这表明检测电场范围可能在欧姆传导区,载流子源中杂质离子电荷占主导。负半周期ρa、ρ+和ρ-均呈现出指数n≈1的欧姆传导输运特征,而正半周ρa、ρs和ρ-均呈现出n在1.130~1.159的指数增长;全周期ρs、正半周期ρ+和负半周期ρ-呈现出了明显的三段试增长,存在2个明显的阈值电场,且最大电场畸变率δmax整体约在9%~17%左右。这可能主要与下电极侧试样在正、负半周期电场下的杂质离子电荷和电极注入电荷的量以及分布区域动态平衡相关。

基于生物启发算法的地震双极性变换拟声波测井约束反演方法应用——以塔河油田S9702井区石炭系超深薄砂层为例

塔河油田石炭系超深薄砂层地震响应复杂,声波时差、密度测井曲线对储层敏感性差,地震属性和现有反演方法对储层的预测精度不能满足油气藏精细开发的要求。提出基于生物启发算法的地震双极性变换拟声波测井约束反演方法,首先利用生物启发算法对不同相位地震资料进行双极性变换,使其具有双极性特征,提高了地震资料的视分辨率,绝大部分薄砂层有地震反射同相轴与其对应,改善了薄砂层与地震响应之间的关系;其次开展自然电位、自然伽马测井曲线拟声波重构,增强了反演参数的储层敏感性,因此反演过程仅需较低程度的测井约束,反演结果与地震资料相关性好,降低了多解性,提高了储层预测的可信度。利用该方法在塔河油田S9702井区可以识别埋深达5 000 m、厚度大于3 m的石炭系超深薄砂层,且误差较小,窄河道形态较清楚,砂体展布符合地质规律。

自触发驱动的双极性脉冲叠加器

为了简化全固态双极性脉冲发生器中多个开关管的同步隔离驱动电路的复杂性,提出了一种自触发驱动的双极性脉冲叠加器。该电路将自触发驱动结构与特殊全桥电路相结合,只需提供2路隔离信号分别控制正、负极性第1级开关管,其他开关管通过自触发驱动电路逐级导通与关断,从而实现双极性高压脉冲输出。对电路的结构设计、工作原理、参数设计进行了分析,并利用Pspice软件对电路的可行性进行了仿真验证。所研制的15级电源样机上的实验结果表明:在10 k?阻性负载上产生了稳定的重频双极性脉冲,正压与负压幅值2~5 kV可调,脉宽1~10μs可调,频率0~1k Hz可调。该脉冲叠加器体积小巧,结构紧凑,可进行模块化设计,为研制小型化脉冲电源提供了技术支持。

一种适用于介质阻挡放电型准分子灯的双极性脉冲式供电电源

如何为介质阻挡放电(DBD)负载构建结构简单的高性能供电电源一直是DBD应用领域面临的难题。通过利用DBD负载呈容性这一特性,结合DBD负载对激励波形特殊需求的基础上,本文提出了一种适用于DBD负载的双极性脉冲式供电电源。该供电电源仅由一个直流电源、两个功率开关器件、两个二极管和一个升压变压器构成。为了在DBD负载上生成同时具有高上升率、下降率和间歇时间的高频高压双极性脉冲激励,本文设计了该供电电源的工作时序,并进行理论分析和以准分子灯为负载的实验装置来验证供电电源的可行性。实验结果表明,本文构造的供电电源不仅能在准分子灯上生成期望的脉冲激励,而且实现了所有功率开关器件工作在软开关状态。此外,本文构造的供电电源除了具有元器件少的优点,而且能实现准分子灯放电光强线性调节和充分发挥准分子灯性能的特征。

极性反转条件下基于双极性载流子-离子混合输运模型的XLPE空间电荷特性研究

直流电缆在运行时需承受极性反转的电压,这会使得绝缘内部积累的空间电荷增加,进而可能引起绝缘破坏。同时在绝缘材料实际生产过程中引入的交联副产物等杂质解离产生的离子电荷会加剧电荷的积累。因此本文对传统双极性载流子输运模型进行改进,考虑杂质带电离子的影响,利用改进后的输运模型模拟交联聚乙烯(XLPE)内部空间电荷在电压极性反转期间的分布,研究极性反转时间和电场强度对电荷分布的影响机理。结果表明:在满足电压反转前后空间电荷分布基本呈镜像分布的基础上,引入离子电荷会增大两电极附近稳态时积聚的异极性电荷量;电压反转时间越长,两电极处的界面电荷峰值下降的越多,两电极附近的空间电荷变成相反极性的电荷量也越多,即反转完成时电荷分布更接近于反转稳定后的情况;在相同极性反转时间、不同电场强度下,电荷分布规律基本相同,场强越高,各处积累的电荷量越多。

氟化聚合物薄膜驻极体表面电位的双极性现象

使用电晕和夹层注极方法对非极性氟化聚合物氟化乙丙烯共聚物(Fluorinated Ethylene Propylene Copolymer, FEP)和聚四氟乙烯(Poly Tetra Fluoroethylene, PTFE)薄膜、极性氟化聚合物四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯共聚物(Tetrafluoroethylene, Hexafluoropropylene and Vinylidene Fluoride copolymer, THV)THV500及THV815薄膜进行注极,测量薄膜驻极体的表面电位稳定性和分布特征。实验结果表明,无论是极性聚合物还是非极性聚合物,注极后都呈现明显的双极性现象;在注极初始阶段,表面电位呈现快速衰减,稳定后,非极性聚合物的表面电位较高,极性聚合物的表面电位很低;与夹层注极后的薄膜驻极体相比,电晕注极后的薄膜驻极体的初始表面电位较高;用乙醇擦洗薄膜驻极体的一个面时,其两面的表面电位均发生衰减。

基于双极性采样技术的心率信号采集系统设计

监控人体健康的穿戴式设备中一般都会配备心率检测装置,用于检测用户的心率信号。目前心率信号检测方法有很多种,其中心电信号法在测试心率信号时具有高精度的特性,使得它广泛应用于医疗设备中,但是它容易受到电磁信号的干扰,影响测试精度,同时受到体积的限制,在穿戴式设备中应用较少。心率信号采集系统采用心电信号法检测心率信号,为了降低噪声的影响,在硬件及软件两方面进行降噪处理。硬件设计方面,采用双极性采样技术进行降噪处理,将原信号进行相位翻转生产反信号,利用原信号与反信号在传输过程中会同时受到噪声的影响,最终在STM32中将反信号与原信号进行叠加,降低共模噪声对心率信号采集系统的影响。同时由于输入信号非常小,为了进行信号放大,采用低噪声运放进行信号放大,为了提高信噪比,采用独立电源给运放进行单独供电。软件设计方面,采用32位STM32单片机作为控制器,由于双极性信号处理过程中,反信号会有一定的相位延迟,导致反信号与原信号存在一定的相位差,在叠加过程中引入结果偏差。通过零点检测技术进行相位校准,降低相位误差导致的结果偏差。

双向隔离型AC-DC矩阵变换器的双极性SVM调制分析

首先介绍双向隔离型AC-DC矩阵变换器工作原理及能量流动方向的影响因素,然后详细分析双极性电流空间矢量调制方法的实现原理,最后设计了PI直接功率控制器用于调节充电电流。实现了单位功率因数控制和电网电流低谐波失真率,并通过仿真验证了设计的正确性。

适用于三电平逆变器低调制比区域的双极性载波脉宽调制策略研究

当三电平逆变器工作在低调制比区域时,窄脉冲对输出电压的畸变影响尤其显著,甚至会导致逆变器运行不可控,而传统空间矢量脉宽调制策略(space vector PWM,SVPWM)在低调制比区域存在窄脉冲。针对以上问题,该文首先分析传统SVPWM产生窄脉冲的原因,然后设计可抑制窄脉冲的双极性SVPWM。在此基础上,为更方便的实现双极性SVPWM,推导双极性SVPWM的等效双调制波表达式。通过制定双调制波与三角载波的比较规则,进一步提出双极性载波脉宽调制策略(bipolar carrier-based PWM,BCBPWM),并为其设计中点电压平衡控制和死区补偿方法。最后,分析BCBPWM的脉宽特性、中点电压波动、谐波性能和直流电压利用率。仿真和实验结果证明,相较传统SVPWM,BCBPWM可在低调制比区域完全消除窄脉冲、提升电流谐波性能,其可以控制中点电压平衡并具备计算简单、实现方便的优势。

低压双极性直流微网故障自恢复的模糊控制方法

为了提高低压双极性直流微网故障检测和诊断能力,研究了低压双极性直流微网故障自恢复控制方法。首先提取低压双极性直流微网故障特征,分析低压双极性直流微网的输出稳定性特征,估计直流微网故障自恢复参数。再对低压双极性直流微网故障控制参数优化求解,根据参数求解结果,进行故障自恢复控制的状态寻优。通过直流多馈入误差补偿方法进行低压双极性直流微网故障自恢复的模糊控制,在此基础上进行参数辨识及收敛性控制,以此提高直流微网故障自恢复控制的自适应性和参数估计能力。仿真结果表明,采用该方法进行直流微网故障自恢复控制的输出稳定性较好,计算模糊度较低,故障检测精度较高,最高达到99%,提高了直流微网故障自恢复能力和故障检测能力。

具有负载普适性的高压双极性方波脉冲源研制

为满足高压脉冲杀菌灭藻实验的需求,研制了一种新型极性可调方波高压脉冲电源。该电源前端为半桥式Marx电路,产生单极性重复频率的方波高压脉冲,后端级联一个H桥,通过控制H桥正、负向放电通道开闭的不同时序实现对高压脉冲极性的调节。本文对拓扑结构设计思路、不同负载时的工作原理和开关控制策略进行了阐述和分析,并利用PSIM软件仿真验证了该脉冲源设计方案的正确性。最后,研制了脉冲源样机,经测试证明,该脉冲源所采用的IGBT浮地驱动技术安全可靠,其最大输出电压达±7k V,输出电流达±10A,脉冲数达1kpps,额定输出时上升沿可达160ns,脉宽3.5μs,且能在阻性、容性、感性等各类负载下正常工作,并易于实现电压、频率、脉宽、极性的调节,易于实现模块化和小型化。