HT-6M托卡马克加热场脉冲电源的设计

HT-6M托卡马克装置重建是为响应“一带一路”倡议的中泰合作国际项目,加热场脉冲电源的作用是击穿和产生等离子体,其电源方案采用电容储能脉冲放电形式。为计算出满足要求的电源参数,对加热场脉冲电源放电过程进行数学分析,并根据电源设备的工作参数,设计并研制了电源的核心器件。为验证电源放电过程的理论分析,研制了一套小型电容储能脉冲电源,证明理论分析正确性的同时,对电源大功率固态断路器进行关断实验。

基于时序控制的固态开关串并联高压脉冲技术

针对生物医疗等高压陡脉冲应用需求,设计了基于固态开关串并联高压陡脉冲发生电路,并结合时序控制技术,提出一种脉冲陡化新方法;从理论上分析了脉冲陡化的关键、系统工作的过程以及设计要点。该方法能较好解决开关管增加后杂散参数、布线电感以及导线电感对开关速度的影响。以2 kV高压直流电源、110Ω的负载电阻进行实验,负载脉冲信号的上升沿约为50 ns,下降沿约为70 ns,输出电流幅值约18 A;最小脉宽信号的半高宽为100 ns,系统的最小分辨率为5 ns,可实现步进为5 ns脉宽的灵活调节,最大脉宽则与储能电容有关。

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。

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。

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。

民用脉冲功率源的进展与展望

民用脉冲功率技术的发展一直比较缓慢,其根本原因是脉冲功率源有待于进一步多样化、小型化、重频化、长寿命和高性价比。电容器储能和开关技术是制约民用脉冲功率源发展的瓶颈。为此,简介了民用脉冲功率源在多样化、开关固态化、电容器储能和功率高密度化等方面的发展现状以及对它今后发展的思考。只有依靠多学科的大协作和政府的大投入,民用脉冲功率源才有望在不久的将来得到较大的发展。

基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制

研制一套具有快边沿纳秒脉冲等离子体射流装置。该装置由基于Marx电路的并带有尾切开关的全固态纳秒脉冲发生器和具有针环电极结构的等离子体射流装置组成。其中,纳秒脉冲源主要由直流电源、控制电路和主电路组成,主电路为10级模块化设计的Marx电路,使用MOSFET作为主开关和尾切开关;控制电路产生同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后同步驱动MOSFET工作。输出纳秒脉冲电压参数为:幅值0~8k V可调,脉宽100~1 000ns,重复频率1Hz^1k Hz,上升沿30ns左右,下降沿50ns以内。等离子体射流装置使用氩气作为工作气体,其结构为针-环电极结构。搭建等离子体射流实验平台,并能够产生稳定的等离子体,为进一步探索大气压等离子射流的应用奠定了基础。

PSM高压脉冲电源单元研制

为了提高HL-2A装置的物理实验参数,二级加热功率将达到10MW,需要开发新的高压大功率电源来满足不同的加热系统的要求。采用国际上近些年发展起来的PSM技术和快速开关元件,研制基于高功率固态技术的高压电源并进行了PSM单元制作,其输出参数最高达15kV/100A。对此电源使用的PSM控制原理,开关电源模块的研制以及28个开关电源模块串联调节等情况作了描述。测试结果表明,该电源输出电压、电流、输出直流侧有效高频和关断快速性等参数达到了设计要求。

10kV固态电源切换开关的研制

提出了基于晶闸管阀和并联高速机械开关的固态电源切换开关(Solid State Transfer Switch,简称SSTS)设计方案,正常情况下线路电流通过机械开关,晶闸管只是在切换期间才投入运行。阀体采用自然冷却方式,解决了常规固态开关运行时的损耗问题,具有很好的工业应用前景。给出了SSTS的切换控制策略;分析了开关的开断特性。最后通过试验验证了主电路和控制系统方案的可行性。

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。

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。

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。

kHz准分子激光器全固态脉冲激励源

由于寿命制约,准分子激光器使用的传统放电开关闸流管不能满足准分子激光器高重复频率长期稳定工作运行的要求。设计了基于两级磁脉冲压缩技术的全固态脉冲功率模块,使用大功率半导体开关结合脉冲升压变压器产生μs级的高压脉冲,利用磁脉冲压缩技术将上升时间为μs级高压脉冲压缩至满足准分子激光器使用的上升时间为0.1μs级高压脉冲。在ArF准分子激光头上放电,获得激励脉冲的上升时间约为90ns,放电电压16.5kV,重复频率达到1kHz,两级磁脉冲压缩开关能量传递效率达59.1%。

小型电磁发射系统初级能源与Pspice仿真

针对脉冲电源的初级能源充电慢、体积大、效率低,不适合应用于小型电磁发射系统的问题,采用了理论论证与仿真验证相结合的方法,设计了具有恒流充电特性的小型电磁发射系统的初级能源,从理论上推导了具有变压器的串联谐振电路的恒流特性。设计了该电路的Pspice仿真模型,得出了仿真结果,在此基础上对电路的恒流特性及软开关实现做了详细分析和论证。结果表明该系统具有充电快、效率高、可实现软开关等优点。理论推导和仿真结论可作为进一步研究小型电磁发射系统初级能源的依据,对今后的工作具有指导意义。

层叠Blumlein纳秒脉冲形成线设计与实验

研究了一种结构紧凑型的多级层叠Blumlein纳秒脉冲形成线,从理论上分析了放电时回路各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出电压的影响,并利用PSpice模拟验证了各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出结果的影响,发现开关的导通电阻是制约输出电压幅值的主要因素,开关的分布电感对输出波形的影响大于负载分布电感的影响,基于时域有限差分法原理,利用XFDTD软件模拟了两级层叠Blumlein线的电磁耦合效应。开展了多级层叠Blumlein脉冲形成线实验,结果表明,基于陶瓷固态传输线和GaAs光导开关的层叠Blumlein脉冲形成线能够实现输出电压叠加,可用于产生ns量级脉宽的脉冲高压。

200kV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3kV的IGBT串联组成最大工作电压12.5kV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200kV可调、输出脉宽随外部触发信号宽度在1.5~10μs范围内可调、前沿小于500ns、后沿小于2.3μs;在输出电压大于100kV、输出电流20A时顶降小于2%。

固态脉冲功率驱动源主磁开关的特性

为了提高固态脉冲功率驱动源的工作性能,研究了使用磁开关作为主开关的关键参数。分析了磁芯体积、磁芯损耗以及饱和电感等关键参量对磁开关工作性能的影响。结果表明:对于选用的磁开关,当磁性高度为0.05m时,磁开关的封装系数取得极大值;平均磁路长度大于1m时,磁芯绕组的饱和电感变化缓慢。利用饱和波理论简要解释了磁芯饱和的物理过程,推导了磁开关输出脉冲上升时间因子表达式,结果表明:磁性材料厚度、电阻率以及磁芯内外层磁路长度差等参数是影响磁开关输出脉冲上升因子的重要因素。

快速关断半导体开关工作特性及实验研究

介绍了快速关断半导体开关(DSRD)的工作原理,研究了开关内部的物理过程,分析了系统参数对开关输出特性的影响,研究发现:基区材料的击穿阈值越高、载流子饱和漂移速度越大输出电压上升速率越快;基区高的电场击穿阈值或低的掺杂浓度会增加器件关断时间和最大工作电压;考虑各参数的影响,基于高击穿阈值的DSRD是实现快脉冲输出的理想器件;缩短正向泵浦时间可有效抑制预脉冲,当正向泵浦时间小于200 ns时,输出脉冲波形基本不变;为了获得理想的脉冲前沿,反向电流应在达到峰值时完成对注入电荷的抽取。设计了单前级开关的DSRD泵浦电路,研制了基于DSRD的快脉冲产生系统,输出脉冲前沿约4 ns,电压约8 kV,电压上升速率约2 kV/ns,满足FID开关器件对触发电压的要求。

磁开关作为脉冲驱动源主开关的实验研究

使用矩形截面磁芯研制了一台磁开关作为脉冲驱动源的主开关,并利用电容器放电法对磁芯不同位置处的磁滞回线进行了测量。结果表明,短边和长边测量得到的磁滞回线均能够适应磁开关需求,不同的励磁位置对磁滞回线形状的影响有限。设计了基于该磁芯的磁开关,使用PSpice软件进行了数值模拟,结果与理论分析相一致。结合卷绕型带状脉冲形成线,对磁开关作为脉冲驱动源主开关进行了实验研究。结果表明研制的磁开关实现了主开关功能,在1.1Ω的低阻抗负载上获得了峰值电压9V、上升沿80ns、脉冲半高宽230ns的准方波脉冲输出。

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。