固态开关串联的高压重频脉冲电源

随着脉冲功率技术在生物医疗、食品加工、电磁成形、等离子体研究等领域日益广泛而深入的应用,脉冲发生器的研制面临高压高频化、全固态化等新要求。为了满足这种新要求,设计了一种固态开关串联的高压重频脉冲电源。脉冲电源主要由高频触发电路、主电路以及LCL谐振电路组成:主电路为8级Marx电路串联,MOSFETs作为充放电控制开关;触发电路输出触发信号驱动MOSFETs工作;LCL谐振电路可实现输出电流恒定。电源结构触发同步性好,充电速度快,结构紧凑。对电路的结构设计、电路原理、参数设置进行了详细阐述,并利用Simplorer软件仿真验证高压重频脉冲电源电路的可行性。最后搭建了一台高压重频脉冲电源样机,实验样机参数为脉冲电压0~4 kV,重复频率0~8 kHz可调,脉冲宽度5~12μs可调。

一种固态开关紧凑高压脉冲电源的设计与仿真

为了满足运载工具对脉冲放电电源的需求,设计了一种利用车载蓄电池作充电电源,采用两级电感储能、电容传输能量的拓扑电路,脉冲变压器输出最大幅值30 kV、ns级上升沿(反应器负载)、高压脉冲重复频率1 kHz的用于放电处理汽车尾气的全固态开关紧凑型高压脉冲电源;分析了电源主电路工作原理,对电路的动态工作进行数学建模和解析求解,并用Matlab仿真给出一组典型的电源工作波形,为电源设计和元件参数选取提供了依据。在给定电路和负载参数下对电源工作进行PSpice仿真分析的结果表明,该方法能真实反映实际元器件参数对电路工作的影响;该电源能胜任一定范围的阻、感、容性负载下的工作,负载特性可用于电路设计的改进和用户参数的选取,特别是容性反应器负载的特性表明电源可用于汽车尾气的处理。

开关串联型高压纳秒级双极性脉冲功率电源研究

与直流高压除尘相比,高压脉冲除尘具有更好的除尘效果且能耗更低。为提高脉冲电源系统效率及功率密度等指标,需输出纳秒级高频高压脉冲。基于固态开关器件串联拓扑,设计了一种高压纳秒级双极性脉冲功率电源。基于脉冲电源拓扑和工作原理,首先详细分析并设计了电源各部分组件参数,然后通过仿真验证了方案的有效性。最后搭建了脉冲功率电源样机进行实验验证,测试结果表明,脉冲电源能够输出幅值0~±4 kV、脉冲上升沿约58 ns、下降沿约175 ns、脉宽10 ns~100μs可调的高压快速脉冲,验证了理论分析与设计的正确性。

准分子激光全固态脉冲电源设计与实验研究

针对脉冲能量5～8mJ的ArF准分子激光器，设计了基于可控硅开关结合三级磁脉冲压缩开关的全固态脉冲电源，采用园产可控硅和磁开关材料，获得了上升时间约150EIS，电压10～14kV，传递能量0．35～0．68j的激励脉冲，并实现了对准分子激光器快放电激励。三级磁开关总效率35％，分析表明磁开关损耗较大主要原因为电容能量转移不充分、导线铜损及磁芯材料铁损较大，并提出了相应改进办法。

PPCP用固态脉冲电源的实验研究

介绍了一种采用半导体开关与磁开关、可饱和脉冲变压器相结合技术的固态脉冲电源,此电源可用于脉冲放电等离子体烟气治理。在理论分析的基础上建立了实验模型,通过实验验证了此类电源的可行性,解决了8支晶闸管开关串联的动静态均压及开通同步性问题,并对可饱和脉冲变压器及磁开关的工作特性进行了分析计算。电源在阻性负载上得到峰值电压37.5 kV、前沿101 ns、脉宽1μs的脉冲,重复频率300 Hz,输出功率10 kW。

模块化全固态高压ns脉冲开关技术

为满足脉冲功率技术所需高电压幅值、高重复频率脉冲源的要求,研究了一种新型绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联技术,它用5个IGBT进行串联,并将控制、驱动、均压、缓冲电路和IGBT组成一体化模块结构,模块的体积小、重量轻。驱动信号经高频脉冲变压器耦合,可以同步驱动多个高电位的IGBT,输出脉冲的宽度和频率由单片机控制。经试验表明,100Ω的电阻负载时每个模块可输出前沿<100 ns、脉冲频率160 Hz^10 kHz、脉冲幅值约3.5 kV的可调脉冲电压,而且模块可以进行多个串并联。

固态开关器件的串联技术

随着半导体技术的发展,在脉冲功率应用中,使用固态开关取代电真空开关器件已成为可能。本文主要分析了实际串联电路中各开关的均压技术;介绍了内含高频感应馈电和限流功能的光隔离驱动技术。最后给出了一台10kV样机的实验结果。

基于Marx和磁开关的方波脉冲电源的研制

设计了一种全固态高压重频方波脉冲发生器,主要由Marx发生器、脉冲形成线和磁开关构成。Marx发生器通过电感对脉冲形成线进行充电,将其充电至所需电压水平;当脉冲形成线充电至峰值电压时,磁开关饱和;脉冲形成线通过饱和的磁开关对匹配负载进行放电,在负载上形成一个高压方波脉冲。串入电感与磁开关相互匹配,不仅直接影响放电过程,同时也决定着磁开关需承受的伏秒数和负载上的预脉冲大小。介绍了Marx发生器和磁开关的设计,在单次和5kHz重复频率下分别进行实验。在50Ω的匹配电阻负载上,获得电压幅值为12.5kV、电流幅值为250A、上升时间为46ns、脉宽为220ns的方波脉冲。对放电过程进行了PSPICE仿真模拟,仿真结果与实验结果匹配良好。

一种用于触发开关测试的重复频率脉冲电源

重复频率脉冲功率技术是一系列高科技研究与前沿研究的基础。开关是重复频率脉冲功率系统中的重要元件,其工作性能决定着整个系统的重复频率输出特性。为此,研究了一种用于触发开关测试的重复频率脉冲电源。该脉冲电源包括主回路、触发回路和控制电路3个部分。在主回路和触发回路中均采用LC串联谐振的方式,用可控硅控制一个大容量电容器,通过电感给一个小容量脉冲电容器充电。主回路的小容量电容器提供通过触发开关主电极的大电流。触发回路的小容量电容器由IGBT控制向脉冲变压器放电,为触发开关提供重复频率的高压触发脉冲。控制电路协调主回路和触发回路各元件的动作时序。在触发开关的实际测试中,该电源的重复频率为1 kHz,输出电流峰值为750 A。

脉冲频率调制LLC串联谐振X光机电源

为了满足X光机电源输出电压调节范围宽的要求,提出了一种全桥LLC串联谐振高频高压电源,并利用仿真软件设计其控制电路,使设计方法更加简单.主电路采用全桥LLC串联谐振、高压变压器、单相双向对称倍压整流电路,从理论上分析系统的工作原理,并建立了LLC谐振变换器的基波等效模型,对主电路的参数进行了设计;在控制电路设计中,借助仿真软件得到补偿前系统近似的开环传递函数,再进行控制器的设计.仿真结果表明,输出电压可以在40～120 kV范围内连续可调,输出电压上升时间短、纹波小,在输出电压跳变过程中,动态调节时间很短,证明了所提出的拓扑和控制电路设计方法的正确性和可靠性.

脉冲电场灭菌用固态高压开关的研制

针对脉冲电场灭菌技术对开关性能的特殊要求,提出了利用IGBT串联构成高压、大容量固态开关的技术。设计并实际制造出了可供高压脉冲电场灭菌用额定电压10 k V的固态高压开关。该开关采用8个1 700 V、400 A的IGBT串联,以栅极动态RCD为基本均压方式,以FPGA为主控单元,产生8路相对独立的基准控制脉冲,其脉宽、周期、延时均可调节,且以25 ns为步进调节。通过调节各路驱动信号的相对延时,使各单元分压均匀,消除过压影响,从而在负载端得到较为理想的方波脉冲。采用光纤隔离,使隔离电压不受限制。实验结果表明,该装置性能良好,可以满足脉冲电场灭菌的实际需求。

串联谐振软开关高压充电电源仿真与设计

对用于高压脉冲电容器充电的串联谐振软开关高压充电电源进行了理论研究、参数设计、仿真分析及实验研究。主电路串联谐振频率为32kHz，IGBT开关工作频率为15kHz，输出电流平均值为2A。正弦化谐振电流经过脉冲变压器升压及高压整流桥整流后，对电磁轨道发射脉冲功率系统的高压电容器组进行恒流充电，实测数据、波形与设计值一致，表明该电源满足设计和实验要求。

防爆高压脉冲电源研究进展

围绕高压脉冲技术在易燃易爆环境下的应用这一高压电器领域的热点问题,结合防爆要求和各类脉冲电源特点,选取性能参数优越、体积小、质量轻且发热量较少的固态开关串联脉冲电源、直线型变压器驱动源和固态Marx脉冲电源等3种固态开关式脉冲电源的研究进展进行了介绍。分析发现,固态开关串联脉冲电源结构紧凑、发热量较小,但输出电压幅值依赖于前级高压直流电源,且串联开关器件的同步和均压问题突出;直线型变压器驱动源降低了隔离要求,模块化设计可拓展性好,但防爆条件下进行拓展的价值不高,且采用大量变压器结构温升较另两种固态开关式脉冲电源较高;固态Marx脉冲电源在体积和发热量方面更具优势,同时具有效率高、响应快、波形调制灵活的优点,但存在高压隔离的难题。通过对现阶段各类高压脉冲产生方式的对比,在性能、发热量要求更为严格的防爆环境下,固态开关串联脉冲电源和固态Marx脉冲电源应用前景更好,为防爆高压脉冲电源的开发提供了参考。

RSD固态脉冲电源中的罗氏线圈电流检测技术

介绍了基于高速大功率反向开关晶体管(RSD)的磁压缩固态脉冲电源试验平台,就RSD状态电流及磁压缩脉冲电流的波形特征对检测环节高需求的问题,研究了罗氏(Rogowski)线圈传感头的频率特性,在对比已有传感头信号处理方法的基础上,给出了一种新型结构的自积分与外积分复合式罗氏线圈的设计过程和参数选取方法,在保证传感器具有1 mV/A灵敏度的前提下,将传感器的工作频带从低频拓宽到线圈的自然角频率。给出了二级磁压缩网络放电的负载电流实验波形及RSD开关的触发、导通电流波形,验证了该罗氏线圈传感器能够满足本固态脉冲电源中的RSD开关状态电流高精度检测和负载电流的高频检测要求。

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2μs)、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。

全固态高压脉冲电源在半导体光刻光源中的应用

简要回顾了半导体光刻的发展历程以及准分子激光作为光源在半导体光刻中的需求。简述了高压脉冲电源的基本原理及应用,介绍了全固态高压脉冲电源的结构和特点。着重阐述了全固态高压脉冲电源在光刻用准分子激光器和EUV光源中的应用。大功率半导体开关结合多级磁脉冲压缩开关的全固态脉冲电源有效替代传统基于闸流管的高压脉冲电源,实现了光刻光源高重复频率下的长寿命运行。介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所近十年来,在准分子激光器的全固态高压脉冲电源研究上的相关进展。最后,对未来半导体光刻光源对全固态脉冲电源的需求进行了展望。

一种固态开关的多路高压隔离驱动电源

描述了脉冲功率固态开关驱动电源需解决的问题,介绍了一种采用电流母线形式和半桥串联谐振电路设计的高压隔离驱动电源,详细分析了该隔离电源主回路、控制电路和采样电路,并以一台功率500 W,输出电压DC 20 V的样机进行实验验证。实验证明,该形式高压隔离驱动电源开关管实现了软开关,功耗低,纹波小,较好地实现了高压电位隔离和多路输出,为固态开关较为理想的驱动电源。

CS-244中24VDC串联式开关稳压电源故障分析与修理

介绍了美国力科公司CS -2 44红外碳硫测定仪中 2 4VDC串联式开关稳压电源的工作原理和故障分析与修理。

全固态窄脉冲电源的研制

重复频率高电压窄脉冲电源可应用于烟气脱硫脱硝，而制约该类电源工业应用的因素主要是大功率开关的耐压、通流能力及开关寿命。火花隙开关及氢闸流管开关已经发展到耐压分别到兆伏和几十千伏的量级，磁开关也可做到几十千伏，而半导体开关一般的耐压能力却在几至几百千伏以下。寿命上，火花隙开关、氢闸流管开关和固态开关大致为10^9，3×10^9，10^12次。显而易见，对于要求高重复频率长时间连续工作的环境，如电厂的烟气净化装置，电源的低成本及长寿命无疑是首要条件，所以采用磁开关结合半导体开关研制全固态窄脉冲电源就成为比较理想的方案（图1）。由图1看出，该电源除了采用磁开关及半导体开关技术外，另一大特色就是采用了可饱和脉冲变压器，利用它的可饱和特性，可以达到类似于磁开关的压缩脉冲的效用，并且同时也具有变压器本身的特性。半导体开关拟采用数只快速可控硅串联，开关触发电路的设计采用光控及变压器隔离的方案，开关保护电路采用并联均压电阻及RCD保护回路的方案。可饱和脉冲变压器和磁开关的磁芯材料选取超微晶及铁基非晶合金材料。由于磁开关及变压器的使用，磁芯的损耗是影响电源能量效率的主要因素之一，初步估计该电源的效率在70％以上。

PPCP用固态脉冲电源实验

目前，脉冲放电等离子体烟气治理技术（PPCP）实现产业化的关键之一是研制出长寿命的大功率脉冲电源，要求电源连续稳定运行时间大于6000h。而脉冲电源的寿命主要由开关寿命决定，传统火花间隙开关或氢闸流管开关寿命相对较短而不能长期连续稳定运行，工业化应用成本高。为此，文中采用固态开关技术设计了脉冲电源的实验模型，验证设计PPCP用大功率固态脉冲电源的可行性。