CN106900135A - 一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自行设计搭建的高能纳秒脉冲叠加高压直流进行等离子体点火的电源装置，包括直流高压电源、纳秒脉冲电源及纳秒脉冲整合直流电路，高压直流输出和纳秒脉冲输出经过纳秒脉冲整合直流电路叠加在一起获得纳秒脉冲叠加直流电源，施加到负载。本发明特点为：自主搭建的用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流的电源，其体积小、结构紧凑、成本低。高压直流电源与纳秒脉冲电源一体化设计，具有放电能量高和装置小型化的优势，方便使用。在实际应用中，可以应用于内燃机点火及超声速下航天发动机的点火等方面。
Description
技术领域
本发明涉及点火装置，特别是一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置。
背景技术
纳秒脉冲放电产生的等离子体含有多种高能粒子，密度大，活性强，能量高，被广泛应用于等离子体点火领域。放电能量高、一体化、体积小的电源装置对促进等离子体点火的应用具有重要的推动作用。
现有的等离子体点火装置受到众多因素的限制，首先传统的等离子激励电源采用直流或纳秒脉冲电源，直流电源放电能量较低，不易点火，纳秒脉冲放电虽然瞬时功率高，但当气流速度较高时，仍然存在等离子体中高能活性粒子能量较低甚至不足以点火的问题。此外，国内外许多学者提出了一种脉冲叠加直流的电极装置，但脉冲电极与直流电极分开垂直放置，增加了装置的复杂性。现有的等离子体点火装置多为单一电源形式，放电能量较低。少数多电源形式等离子体点火装置中，直流电源一般与脉冲电源相互分离，作用于不同的电极上。这就需要庞大的电源结构和复杂的线路系统，使装置的灵活性受限，随着等离子体点火电源装置的发展，有必要在电源内部将脉冲电压与直流电压叠加然后输出至负载，以提高放电能量，减小电极结构的复杂性，缩小电源体积，促进其在工业和科研领域中的应用。
文章文献1中描述了一种纳秒脉冲叠加直流的电极结构，但这种电极结构将直流电极与脉冲电极分隔，增加了装置的复杂性；专利文献1提供了一种采用芯片控制的直流叠加脉冲式的金属表面处理电源电路，但该装置采用大量电力电子器件控制电路，在工作时这些电力电子元器件极易受到电路本身放电产生的电磁干扰的影响，可靠性大大降低。专利文献2提供了一种基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，但该装置采用IGBT单管串联电路产生高压脉冲，但IGBT同步触发控制电路较为复杂，且其输出脉冲高压电压最高为10kV，另外其高压脉冲上升时间及脉宽均较长，不适用于高速气流下点火。以上描述的等离子体发生装置要么体积庞大、结构复杂，要么稳定性低，控制复杂。
先前技术文献
文章文献
文章文献1：Nishihara,M.,et al."Development of a Mach 5Nonequilibrium-Flow Wind Tunnel."AIAA journal 50.10(2012):2255-2267.
专利文献
专利文献1：杭州电子科技大学，专利申请号201310301466.0
专利文献2：重庆大学，专利申请号201310514521.4
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其目的在于，提供一种体积小、结构紧凑、稳定性好、放电能量高、易于工业化生产的纳秒脉冲叠加直流电源，以满足内燃机点火及超声速下航天发动机的点火需求。
本发明提供了一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置，包括高压直流电源、纳秒脉冲电源和纳秒脉冲整合直流电路；
所述高压直流电源的输出为第一输出，所述纳秒脉冲电源的输出为第二输出，所述第一输出和所述第二输出经过所述纳秒脉冲整合直流电路叠加在一起获得纳秒脉冲叠加直流电源，输出至负载；
其中，所述纳秒脉冲整合直流电路包括隔离电容Cs、限流电阻Rs、限流电感Ls，所述第一输出经过所述限流电阻Rs、所述限流电感Ls施加到所述负载上，所述第二输出经过所述隔离电容Cs施加到所述负载上；
所述第一输出为高压直流输出，所述第二输出为纳秒脉冲输出。
作为本发明进一步的改进，所述高压直流电源的输入为交流电源，所述第一输出作为所述纳秒脉冲电源的输入。
作为本发明进一步的改进，所述纳秒脉冲电源为双传输线型纳秒脉冲发生器，包括充电电阻R1、第一同轴电缆、第二同轴电缆、闭合开关K、负载电阻R2；
所述第一输出经所述充电电阻R1、所述第一同轴电缆的中心铜线、所述第一同轴电缆的中心铜线连接、所述闭合开关K接地；所述第一同轴电缆的网状屏蔽层的A端、所述第二同轴电缆的网状屏蔽层的C端、所述第二同轴电缆的网状屏蔽层的D端共同接地；所述第一同轴电缆的网状屏蔽层的B端作为所述第二输出并经所述负载电阻R2接地。
作为本发明进一步的改进，所述纳秒脉冲电源为开关切断式纳秒脉冲发生器，包括充电电阻R7、电容C3、开关、输出电阻R8；
所述第一输出的正极经所述充电电阻R7、所述开关、所述输出电阻R8连接于所述第二输出的正极，所述充电电阻R7与所述开关的连接端经所述电容C3接地。
作为本发明进一步的改进，所述高压直流电源的输入和所述纳秒脉冲电源的输入为交流电源。
作为本发明进一步的改进，所述纳秒脉冲电源为级联式纳秒脉冲发生器，包括变压器T2、整流二级管D6、整流二级管D7、整流二级管D8、整流二级管D9、整流二级管D10、整流二级管D11、整流二级管D12、整流二级管D13、限流电阻R9、限流电阻R10、电容C4、电容C5、IGBT1、IGBT2、二级管D14、二级管D15、匹配电阻R11；
级联式输入为交流电源的交流电源输出；
所述交流电源输出与所述变压器T2的原边相连，所述整流二级管D6正极、所述整流二级管D7负极、所述变压器T2第一组绕组副边的一端相连，所述整流二级管D8正极、所述整流二级管D9负极、所述变压器T2所述第一组绕组副边的另一端相连；所述整流二级管D6负极、所述整流二级管D8负极、所述限流电阻R9的一端相连，所述整流二级管D7正极、所述整流二级管D9正极相连作为第一组脉冲输出的负极；所述电容C4的一端与所述限流电阻R9的另一端相连，所述电容C4另一端接于所述第一组脉冲输出的负极；所述IGBT1的集电极接于所述限流电阻R9与所述电容C4相连处，所述IGBT1的发射极与所述二级管D14负极相连，并作为所述第一组脉冲输出的正极，所述二级管D14正极与所述第一组脉冲输出端的负极相连；
所述整流二级管D10正极、所述整流二级管D11负极、所述变压器T2第二组绕组副边的一端相连，所述整流二级管D12正极、所述整流二级管D13负极、所述变压器T2第二组绕组副边的另一端相连；所述整流二级管D10负极、所述整流二级管D12负极、所述限流电阻R10的一端相连，所述整流二级管D11正极、所述整流二级管D13正极相连作为第二组脉冲输出的负极；所述电容C5一端与所述限流电阻R10的一端相连，所述电容C5另一端接于所述第二组脉冲输出的负极；所述IGBT2的集电极接于所述限流电阻R10与所述电容C5相连处，所述IGBT2的发射极与所述二级管D15的负极相连，并作为所述第二组脉冲输出的正极，与所述第一组脉冲输出端的负极相连，所述二级管D15正极与所述第二组脉冲输出端的负极相连；
所述匹配电阻R11一端与所述第一组脉冲输出的正极相连，并作为所述第二输出的正极，所述匹配电阻R11另一端与所述第二组脉冲输出的负极相连，并作为所述第二输出的负极。
作为本发明进一步的改进，所述高压直流电源包括调压器T1、整流桥、限流电阻R1、限流电阻R2、吸收电阻R3，吸收电阻R4、二极管D1、二极管D2、钳位二极管D3、钳位二极管D4、扼流电感L1、开关管MOSFET M1、开关管MOSFETM2、谐振电容C1、变压器PT、整流二极管D5、电容C2；
所述高压直流电源的输入为所述交流电源；
所述交流电源的两端与所述调压器T1的原边相连，所述调压器T1的副边与所述整流桥的输入端相连；所述扼流电感L1的一端与所述整流桥的正极相连，所述扼流电感L1的另一端与所述变压器PT的原边的中间抽头b相连；所述开关管MOSFET M1的源极、所述开关管MOSFET M2的源极、所述钳位二极管D3的正极、所述钳位二极管D4的正极与所述整流桥的负极相连；所述开关管MOSFETM1的栅极经所述限流电阻R1连接于所述整流桥的正极、所述开关管MOSFET M2的栅极经所述限流电阻R2连接于所述整流桥的正极；所述开关管MOSFETM1的漏极接于所述变压器PT的a端、所述开关管MOSFET M2的漏极接于所述变压器PT的c端；所述二极管D1的正极与所述开关管MOSFET M1的栅极相连，所述二极管D1的负极接于所述变压器PT的a端，所述二极管D2的正极与所述开关管MOSFET M1的栅极相连，所述二极管D2的负极接于所述变压器PT的c端；所述谐振电容C1的两端分别与所述变压器PT的a端、c端相连；所述变压器PT的副边经所述整流二极管D5输出，所述电容C2一端与所述整流二极管D5的负极相连，所述电容C2的另一端连接于所述变压器PT的副边。
作为本发明进一步的改进，所述负载为多针阵列-板式电极结构。
作为本发明进一步的改进，所述多针阵列-板式电极结构为针与针间距0.5mm，4根针垂直于板并列放置。
作为本发明进一步的改进，所述闭合开关K的电极结构为球隙结构或棒板结构或棒棒结构或板板结构。
本发明的有益效果：用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流的电源，其体积小、结构紧凑、成本低，高压直流电源与纳秒脉冲电源一体化设计，具有放电能量高和装置小型化的优势，方便使用。在实际应用中，可以应用于内燃机点火及超声速下航天发动机的点火等方面。
附图说明
图1为本发明一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置的结构示意图；
图2为本发明第一实施例、第二实施例所述的一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置的结构示意图；
图3为本发明第三实施例所述的一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置的结构示意图；
图4为第一实施例中纳秒脉冲电源原理图；
图5为第二实施例中纳秒脉冲电源原理图；
图6为第三实施例中纳秒脉冲电源原理图；
图7为图2，图3中的高压直流电源原理图。
图中，
1、高压直流电源；2、纳秒脉冲整合直流电路；3、负载；4、交流电源；5、调压器T1；6、整流桥；7、限流电阻R1；8、限流电阻R2；9、吸收电阻R3；10、吸收电阻R4；11、二极管D1；12、二极管D2；13、钳位二极管D3；14、钳位二极管D4；15、扼流电感L1；16、开关管MOSFET M1；17、开关管MOSFET M2；18、谐振电容C1；19、变压器PT；20、整流二极管D5；21、电容C2；22、充电电阻R1；23、第一同轴电缆；24、第二同轴电缆；25、闭合开关K；26、负载电阻R2；27、限流电阻Rs；28、限流电感Ls；29、隔离电容Cs；30、交流电源输出；31、第一输出；32、第二输出；33、充电电阻R7；34、电容C3；35开关；36、输出电阻R8；37、变压器T2；38、整流二级管D6；39、整流二级管D7；40、整流二级管D8；41、整流二级管D9；42、整流二级管D10；43、整流二级管D11；44、整流二级管D12；45、整流二级管D13；46、限流电阻R9；47、限流电阻R10；48、电容C4；49、电容C5；50、IGBT1；51、IGBT2；52、二级管D14；53、二级管D15；54、匹配电阻R11。
具体实施方式
下面结合附图，及具体实话例对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1和2所示，本发明第一实施例用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置，包括高压直流电源1、纳秒脉冲电源2和纳秒脉冲整合直流电路。
高压直流电源1的输入为交流电源4，高压直流电源1的输出为第一输出31，第一输出31作为纳秒脉冲电源2的输入，纳秒脉冲电源2的输出为第二输出32，第一输出31和第二输出32经过纳秒脉冲整合直流电路叠加在一起获得纳秒脉冲叠加直流电源，输出至负载3；
第一输出31为高压直流输出，直流电压幅值6kV-20kV连续可调；
第二输出32为纳秒脉冲输出，纳秒脉冲电压上升沿20ns，半高宽100ns，频率20Hz，幅值6kV-20kV连续可调；
交流电压4为220V交流电源；
纳秒脉冲整合直流电路包括隔离电容Cs 29、限流电阻Rs 27、限流电感Ls 28，第一输出31经过限流电阻Rs 27、限流电感Ls 28施加到负载3上，第二输出32经过隔离电容Cs29施加到负载3上；
由于隔离电容Cs 29的隔绝作用，经由限流电阻Rs 27和限流电感Ls 28输出的直流电压与纳秒脉冲电源2的输出端隔绝；由于限流电感Ls 28对电流的抑制作用，又可将纳秒脉冲电源2输出的纳秒脉冲与高压直流电源1输出端隔绝；这样，经由限流电阻Rs 27和限流电感Ls 28以及隔离电容Cs 29组成的纳秒脉冲整合直流电路，纳秒脉冲输出与直流高压输出互相隔绝并一同输出至负载端。
如图4所示，纳秒脉冲电源2为双传输线型纳秒脉冲发生器，包括充电电阻R1 22、第一同轴电缆23、第二同轴电缆24、闭合开关K 25、负载电阻R2 26；
其中，
闭合开关K 25的电极结构为球隙结构或棒板结构或棒棒结构或板板结构，优选球隙结构，球隙间距为0.2-1cm连续可调，对应放电电压峰值6-20kV，优选1cm，对应放电电压20kV；闭合开关K 25的材料为黄铜或镍钢合金或钨铜合金，优选黄铜；
充电电阻R1 22为玻璃釉电阻，具有体积小、重量轻、耐湿、耐温、稳定性好、噪声小、高频特性好等优点；
第一同轴电缆23和第二同轴电缆24是特征阻抗Z为50Ω、长度L为10m的电缆；
负载电阻R2 26为阻值100Ω的无感电阻，其电感小、杂散参数小，削弱了电路杂散参数的影响，有利于减小纳秒脉冲电源2输出脉冲上升沿。
第一输出31经充电电阻R1 22、第一同轴电缆23的中心铜线、第一同轴电缆23的中心铜线连接、闭合开关K 25接地；第一同轴电缆23的网状屏蔽层的A端、第二同轴电缆24的网状屏蔽层的C端、第二同轴电缆24的网状屏蔽层的D端共同接地；第一同轴电缆23的网状屏蔽层的B端作为第二输出32并经负载电阻R2 26接地。
高压直流电源1的输出同时作为纳秒脉冲电源2的输入；当第一同轴电缆23和第二同轴电缆24的长度均为L，且特征阻抗均为Z，负载电阻R2 26的阻值等于2Z时，高压直流电源1的输出，经由充电电阻R1 22给第一同轴电缆23和第二同轴电缆24充电；充电完成后，两传输线均充满U0的电压，线上电流为零；
时间t以闭合开关K 25闭合时刻为起点，此时t＝0，第二同轴电缆24的D端的中心铜线与网状屏蔽层短路，由于边界条件的改变，在接地端产生电压Ui1＝-U0的入射电压波，以保持接地端电压为零，同时也产生一个ii＝-U0/Z的入射电流波；两入射波从D端向负载电阻R2 26传播，在t＝L/v时，v为电磁波在电缆中的传播速度，传播到负载电阻R2 26并发生折射和反射，形成折射波Uz＝-1.5U0和反射波Ur1＝-0.5U0，折射波经过负载电阻R2 26和第一同轴电缆23分压，形成负载电压UR2＝-U0和第一同轴电缆23的入射波Ui1，当t＝2L/v时，同轴电缆24的第一次反射波Ur1到达第二同轴电缆24的D端，由于D端短路，电压发生负全反射，形成第二次反射波Ur2＝0.5U0，此时第一同轴电缆23入射波Ui1到达第一同轴电缆23的A端，由于第一同轴电缆23的A端相当于开路，电压发生全反射，形成第二次反射波Ur2＝-0.5U0。
当t＝3L/v时，两个大小相等，方向相反的二次反射波达到负载电阻R2 26，负载电阻R2 26处的反射和折射相互抵消，负载电阻R2 26电压为零，传输线上的波过程结束；在负载电阻R2 26上产生的电压幅值为充电电压U0，脉宽等于电磁波沿单根传输线传播时间两倍的脉冲，脉宽为2L/v。
如图7所示，高压直流电源1包括调压器T1 5、整流桥6、限流电阻R1 7、限流电阻R28、吸收电阻R3 9，吸收电阻R4 10、二极管D1 11、二极管D2 12、钳位二极管D3 13、钳位二极管D4 14、扼流电感L1 15、开关管MOSFET M1 16、开关管MOSFET M2 17、谐振电容C1 18、变压器PT 19、整流二极管D5 20、电容C2 21；
其中，调压器T 5的额定功率为200W，整流桥6为小型单相整流桥，开关管MOSFETM1 16、开关管MOSFET M2 17为金属-氧化物半导体场效应晶体管，变压器PT 19原边的c端与变压器PT 19副边的e端为同名端。
交流电源4的两端与调压器T1 5的原边相连，调压器T1 5的副边与整流桥6的输入端相连；扼流电感L1 15的一端与整流桥6的正极相连，扼流电感L1 15的另一端与变压器PT19的原边的中间抽头b相连；开关管MOSFET M1 16的源极、开关管MOSFET M2 17的源极、钳位二极管D3 13的正极、钳位二极管D4 14的正极与整流桥6的负极相连；开关管MOSFET M116的栅极经限流电阻R1 7连接于整流桥6的正极、开关管MOSFET M2 17的栅极经限流电阻R2 8连接于整流桥6的正极；开关管MOSFET M1 16的漏极接于变压器PT 19的a端、开关管MOSFET M2 17的漏极接于变压器PT 19的c端；二极管D1 11的正极与开关管MOSFET M1 17的栅极相连，二极管D1 11的负极接于变压器PT 19的a端，二极管D2 12的正极与开关管MOSFET M1 16的栅极相连，二极管D2 12的负极接于变压器PT 19的c端；谐振电容C1 18的两端分别与变压器PT 19的a端、c端相连；变压器PT 19的副边经整流二极管D5 20输出，电容C2 21一端与整流二极管D5 20的负极相连，电容C2 21的另一端连接于变压器PT 19的副边。
直流高压电源1的输入为交流电源4，经调压器T1 5及整流桥6后输出6-20V直流电；初始上电时，由于开关管MOSFET M1 16、开关管MOSFET M2 17未导通，扼流电感L1 15通入的电流为零，之后电源通过限流电阻R1 7使开关管MOSFET M1 16的栅极电压升高，限流电阻R2 8使开关管MOSFET M2 17的栅极电压升高，从而使开关管MOSFET M1 16、开关管MOSFET M2 17导通，扼流电感L1 15电流逐渐增加；由于元件参数的差异，即MOSFET栅极和源极钳位电压的差异、MOSFET本身制造参数的差异、变压器初级绕组不严格对称、走线长度差异等，使开关管MOSFET M1 16和开关管MOSFET M2 17开关特性存在差异，将导致流入两个开关管的电流不同，假设开关管MOSFET M2 17电流逐渐大于开关管MOSFET M1 16电流，则Ib-c>Ib-a，Ib-c为变压器PT 19原边的b点向c端的电流，Ib-a为变压器PT 19原边的b点流向a端的电流，故变压器PT 19原边内总磁场方向为由a指向c且迅速增大，此时变压器PT 19副边将感应出逐渐增大的正向电压，整流二极管D5 20处于正向导通状态，输出直流电压并对电容C2 21充电；之后开关管MOSFET M2 17电流迅速增大，开关管MOSFET M1 16电流被抑制，使开关管MOSFET M2 17导通，开关管MOSFET M1 16截止，电路完成启动过程；
开关管MOSFET M2 17逐渐导通过程中，c点电压逐渐增大，c点电压Uc大于a点电压Ua，变压器PT 19原边总感应电压Uc-Ua>0，故电容C1 18将会被充电，随着c点电压增大，二极管D2 12截止，由于钳位二极管D3 13的钳位作用，开关管MOSFET M1 16栅极电压保持在其阈值电压，开关管MOSFET M1 16开始导通；由于开关管MOSFET M1 16的导通电压极小，故可认为a点电压近似为0，此时二极管D1 11导通并强制将b点电位拉低至0，即开关管MOSFETM2 17栅极电压逐渐降为0，开关管MOSFET M2 17由导通状态逐渐转换为关断状态；此时，变压器PT 19原边内磁场方向由a指向c且逐渐减小，在变压器PT 19副边感应出逐渐减小的正向电压，此时整流二极管D5 20处于正向导通状态，电容C2 21维持输出直流电压；
当开关管MOSFET M2 17栅极电压降为0，开关管MOSFET M2 17为关断状态，开关管MOSFET M1 16由关断状态逐渐转换为导通状态，此时开关管MOSFET M1 16电流逐渐增大，则Ib-a逐渐增大，故变压器PT 19原边内总磁场方向为由c指向a且迅速增大，此时变压器PT19副边将感应出逐渐增大的反向电压，整流二极管D5 20处于反向截止状态，电容C2继续维持输出直流电压。同时a点电压逐渐增大，二极管D1 11逐渐由导通状态逐渐转变为截止状态，此时开关管MOSFET M2 17栅极电压逐渐增大，开关管MOSFET M2 17由关断状态向导通状态转变；同时c点电压逐渐减小，二极管D2 12由截止状态逐渐转变为导通状态，开关管MOSFET M1 16栅极电压由其阈值电压逐渐降为0，开关管MOSFET M1 16由导通状态逐渐转变为关断状态，此时变压器PT 19原边内磁场方向由c指向a且逐渐减小，在变压器PT 19副边感应出逐渐减小的反向电压，此时整流二极管D5 20处于反向截止状态，电容C2 21维持输出直流电压。至此电路完成一个周期的转变。
高压直流电源1的有益效果：
开关管MOSFET M1 16和开关管MOSFET M2 17开通或关断时，其漏极与源极之间电压均为零，故在开关管MOSFET M1 16和开关管MOSFET M2 17开通或关断时，其开断损耗较低，能量传递效率较高；谐振电容C1 18及变压器PT 19原边和扼流电感L1 15构成谐振电路，变压器PT 19原边电压波形为较为理想的正弦，故变压器变比为实际变比；谐振电路的谐振频率决定了开关管MOSFET M1 16和开关管MOSFET M2 17的状态改变，从而决定了变压器PT 19副边输出正弦电压的频率，谐振频率大致为25kHz，故变压器PT 19体积极小，另外，整流二极管D5 20与变压器PT 19副边均封装在硅胶内，电性能优越，耐热性能好，大大减小了高压直流源的体积；扼流电感L1 15利用电感电流的不可突变特性，保证磁饱和瞬间MOSFET的漏极与源极间不会流过巨大的浪涌电流而损坏；钳位二极管D3 13、钳位钳位二极管D4 14利用其反向击穿状态电流可在很大范围内变化而电压基本不变的特性，结合吸收电阻R3 9、吸收电阻R4 10作为开关管MOSFET M1 16的栅极保护电路、开关管MOSFET M2 17的栅极保护电路。
进一步的，本实施例的负载3为多针阵列-板式电极结构，多针阵列-板式电极结构为针与针间距0.5mm，4根针垂直于板并列放置，负载3采用此结构，电源工作时产生的丝电弧等离子体能够缩短点火延迟时间，长时间工作，增大燃烧作用范围，解决超声速点火充分燃烧困难的问题。
本实施例具有以下有益效果：用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流的电源，其体积小、结构紧凑、成本低，高压直流电源与纳秒脉冲电源一体化设计，具有放电能量高和装置小型化的优势，方便使用。在实际应用中，可以应用于内燃机点火及超声速下航天发动机的点火等方面，也可用于表面处理、杀菌消毒。
实施例2，如图2和5所示，与实施例1不同的是，本实施例的纳秒脉冲电源2为开关切断式纳秒脉冲发生器，包括充电电阻R7 33、电容C3 34、开关35、输出电阻R8 36；
第一输出31的正极经充电电阻R7 33、开关35、输出电阻R8 36连接于第二输出32的正极，充电电阻R7 33与开关35的连接端经电容C3 34接地。
第一输出31经充电电阻R7 33对电容C3 34充电，当电容C3 34较大时，电容电压波动系数小；开关35断开时，截断式输出端电压为0，开关35导通时，电容C3 34经开关35和输出电阻R8 36输出截断式高压，输出电压值与电容C3 34两端电压相同；输出电阻R8 36作用为限制电流，以保护开关35；通过调节第一输出31的输出电压和开关35的导通时间，即可得到不同电压等级、不同脉宽的切断式脉冲。
本实施例具有以下有益效果：开关切断式纳秒脉冲发生器结构更加紧凑，进一步降低成本。
实施例3，如图3和6所示，本发明第三实施例用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置，包括高压直流电源1、纳秒脉冲电源2和纳秒脉冲整合直流电路。
交流电压4和高压直流电源1与实施例1中所述相同。
纳秒脉冲电源2的输入为交流电源4，纳秒脉冲电源2的输出为第二输出32，第一输出31和第二输出32经过纳秒脉冲整合直流电路叠加在一起获得纳秒脉冲叠加直流电源，输出至负载3；
第二输出32为纳秒脉冲输出，纳秒脉冲电压上升沿20ns，半高宽100ns，频率20Hz，幅值6kV-20kV连续可调；
纳秒脉冲整合直流电路包括隔离电容Cs 29、限流电阻Rs 27、限流电感Ls 28，第一输出31经过限流电阻Rs 27、限流电感Ls 28施加到负载3上，第二输出32经过隔离电容Cs29施加到负载3上；
由于隔离电容Cs 29的隔绝作用，经由限流电阻Rs 27和限流电感Ls 28输出的直流电压与纳秒脉冲电源2的输出端隔绝；由于限流电感Ls 28对电流的抑制作用，又可将纳秒脉冲电源2输出的纳秒脉冲与高压直流电源1输出端隔绝；这样，经由限流电阻Rs 27和限流电感Ls 28以及隔离电容Cs 29组成的纳秒脉冲整合直流电路，纳秒脉冲输出与直流高压输出互相隔绝并一同输出至负载端。
纳秒脉冲电源2为级联式纳秒脉冲发生器，包括变压器T2 37、整流二级管D6 38、整流二级管D7 39、整流二级管D8 40、整流二级管D9 41、整流二级管D10 42、整流二级管D11 43、整流二级管D12 44、整流二级管D13 45、限流电阻R9 46、限流电阻R10 47、电容C448、电容C5 49、IGBT1 50、IGBT2 51、二级管D14 52、二级管D15 53、匹配电阻R11 54；
交流电源输出30与变压器T2 37的原边相连，整流二级管D6 38正极、整流二级管D7 39负极、变压器T2 37第一组绕组副边的一端相连，整流二级管D8 40正极、整流二级管D9 41负极、变压器T2 37第一组绕组副边的另一端相连；整流二级管D6 38负极、整流二级管D8 40负极、限流电阻R9 46的一端相连，整流二级管D7 39正极、整流二级管D9 41正极相连作为第一组脉冲输出的负极；电容C4 48的一端与限流电阻R9 46的另一端相连，电容C448另一端接于第一组脉冲输出的负极；IGBT1 50的集电极接于限流电阻R9 46与电容C4 48相连处，IGBT1 50的发射极与二级管D14 52负极相连，并作为第一组脉冲输出的正极，二级管D14 52正极与第一组脉冲输出端的负极相连；
整流二级管D10 42正极、整流二级管D11 43负极、变压器T2 37第二组绕组副边的一端相连，整流二级管D12 44正极、整流二级管D13 45负极、变压器T2 37第二组绕组副边的另一端相连；整流二级管D10 42负极、整流二级管D12 44负极、限流电阻R10 47的一端相连，整流二级管D11 43正极、整流二级管D13 45正极相连作为第二组脉冲输出的负极；电容C5 49一端与限流电阻R10 47的一端相连，电容C5 49另一端接于第二组脉冲输出的负极；IGBT2 51的集电极接于限流电阻R10 47与电容C5 49相连处，IGBT2 51的发射极与二级管D15 53的负极相连，并作为第二组脉冲输出的正极，与第一组脉冲输出端的负极相连，二级管D15 53正极与第二组脉冲输出端的负极相连；
匹配电阻R11 54一端与第一组脉冲输出的正极相连，并作为第二输出32的正极，匹配电阻R11 54另一端与第二组脉冲输出的负极相连，并作为第二输出32的负极。
交流电源输出30接到变压器T2 37的输入端，变压器T2 37副边为两组参数相同的绕组；整流二级管D6 38、整流二级管D7 39、整流二级管D8 40、整流二级管D9 41组成的整流桥将第一组绕组输出的高压交流电转变为高压直流电，高压直流经限流电阻R9 46给电容C4 48充电；通过触发IGBT1 50，形成脉冲电压并输出至二级管D14 52；整流二级管D1042、整流二级管D11 43、整流二级管D12 44、整流二级管D13 45组成的整流桥将第二组绕组输出的高压交流电转变为高压直流电，高压直流经限流电阻R10 47给电容C5 49充电；通过同步触发IGBT2 51，形成脉冲电压并输出至二级管D15 53；第二组输出端正极连接第一组输出端负极，第二组输出端负极与第一组输出端正极通过匹配电阻R11 54形成级联式脉冲输出。
本实施例具有以下有益效果：纳秒脉冲电源采用级联式纳秒脉冲发生器，输入为交流电源，纳秒脉冲生成与高压直流电路分离，具有脉冲幅值、频率独立调节，叠加后电源形态可调的优点。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。
Claims (10)
1.一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于：包括高压直流电源(1)、纳秒脉冲电源(2)和纳秒脉冲整合直流电路；
所述高压直流电源(1)的输出为第一输出(31)，所述纳秒脉冲电源(2)的输出为第二输出(32)，所述第一输出(31)和所述第二输出(32)经过所述纳秒脉冲整合直流电路叠加在一起获得纳秒脉冲叠加直流电源，输出至负载(3)；
其中，所述纳秒脉冲整合直流电路包括隔离电容Cs(29)、限流电阻Rs(27)、限流电感Ls(28)，所述第一输出(31)经过所述限流电阻Rs(27)、所述限流电感Ls(28)施加到所述负载(3)上，所述第二输出(32)经过所述隔离电容Cs(29)施加到所述负载(3)上；
所述第一输出(31)为高压直流输出，所述第二输出(32)为纳秒脉冲输出。
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述高压直流电源(1)的输入为交流电源(4)，所述第一输出(31)作为所述纳秒脉冲电源(2)的输入。
3.根据权利要求2所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述纳秒脉冲电源(2)为双传输线型纳秒脉冲发生器，包括充电电阻R1(22)、第一同轴电缆(23)、第二同轴电缆(24)、闭合开关K(25)、负载电阻R2(26)；
所述第一输出(31)经所述充电电阻R1(22)、所述第一同轴电缆(23)的中心铜线、所述第一同轴电缆(23)的中心铜线连接、所述闭合开关K(25)接地；所述第一同轴电缆(23)的网状屏蔽层的A端、所述第二同轴电缆(24)的网状屏蔽层的C端、所述第二同轴电缆(24)的网状屏蔽层的D端共同接地；所述第一同轴电缆(23)的网状屏蔽层的B端作为所述第二输出(32)并经所述负载电阻R2(26)接地。
4.根据权利要求2所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述纳秒脉冲电源(2)为开关切断式纳秒脉冲发生器，包括充电电阻R7(33)、电容C3(34)、开关(35)、输出电阻R8(36)；
所述第一输出(31)的正极经所述充电电阻R7(33)、所述开关(35)、所述输出电阻R8(36)连接于所述第二输出(32)的正极，所述充电电阻R7(33)与所述开关(35)的连接端经所述电容C3(34)接地。
5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述高压直流电源(1)的输入和所述纳秒脉冲电源(2)的输入为交流电源(4)。
6.根据权利要求5所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述纳秒脉冲电源(2)为级联式纳秒脉冲发生器，包括变压器T2(37)、整流二级管D6(38)、整流二级管D7(39)、整流二级管D8(40)、整流二级管D9(41)、整流二级管D10(42)、整流二级管D11(43)、整流二级管D12(44)、整流二级管D13(45)、限流电阻R9(46)、限流电阻R10(47)、电容C4(48)、电容C5(49)、IGBT1(50)、IGBT2(51)、二级管D14(52)、二级管D15(53)、匹配电阻R11(54)；
级联式输入为交流电源(4)的交流电源输出(30)；
所述交流电源输出(30)与所述变压器T2(37)的原边相连，所述整流二级管D6(38)正极、所述整流二级管D7(39)负极、所述变压器T2(37)第一组绕组副边的一端相连，所述整流二级管D8(40)正极、所述整流二级管D9(41)负极、所述变压器T2(37)所述第一组绕组副边的另一端相连；所述整流二级管D6(38)负极、所述整流二级管D8(40)负极、所述限流电阻R9(46)的一端相连，所述整流二级管D7(39)正极、所述整流二级管D9(41)正极相连作为第一组脉冲输出的负极；所述电容C4(48)的一端与所述限流电阻R9(46)的另一端相连，所述电容C4(48)另一端接于所述第一组脉冲输出的负极；所述IGBT1(50)的集电极接于所述限流电阻R9(46)与所述电容C4(48)相连处，所述IGBT1(50)的发射极与所述二级管D14(52)负极相连，并作为所述第一组脉冲输出的正极，所述二级管D14(52)正极与所述第一组脉冲输出端的负极相连；
所述整流二级管D10(42)正极、所述整流二级管D11(43)负极、所述变压器T2(37)第二组绕组副边的一端相连，所述整流二级管D12(44)正极、所述整流二级管D13(45)负极、所述变压器T2(37)第二组绕组副边的另一端相连；所述整流二级管D10(42)负极、所述整流二级管D12(44)负极、所述限流电阻R10(47)的一端相连，所述整流二级管D11(43)正极、所述整流二级管D13(45)正极相连作为第二组脉冲输出的负极；所述电容C5(49)一端与所述限流电阻R10(47)的一端相连，所述电容C5(49)另一端接于所述第二组脉冲输出的负极；所述IGBT2(51)的集电极接于所述限流电阻R10(47)与所述电容C5(49)相连处，所述IGBT2(51)的发射极与所述二级管D15(53)的负极相连，并作为所述第二组脉冲输出的正极，与所述第一组脉冲输出端的负极相连，所述二级管D15(53)正极与所述第二组脉冲输出端的负极相连；
所述匹配电阻R11(54)一端与所述第一组脉冲输出的正极相连，并作为所述第二输出(32)的正极，所述匹配电阻R11(54)另一端与所述第二组脉冲输出的负极相连，并作为所述第二输出(32)的负极。
7.根据权利要求1所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述高压直流电源(1)包括调压器T1(5)、整流桥(6)、限流电阻R1(7)、限流电阻R2(8)、吸收电阻R3(9)，吸收电阻R4(10)、二极管D1(11)、二极管D2(12)、钳位二极管D3(13)、钳位二极管D4(14)、扼流电感L1(15)、开关管MOSFETM1(16)、开关管MOSFET M2(17)、谐振电容C1(18)、变压器PT(19)、整流二极管D5(20)、电容C2(21)；
所述高压直流电源(1)的输入为所述交流电源(4)；
所述交流电源(4)的两端与所述调压器T1(5)的原边相连，所述调压器T1(5)的副边与所述整流桥(6)的输入端相连；所述扼流电感L1(15)的一端与所述整流桥(6)的正极相连，所述扼流电感L1(15)的另一端与所述变压器PT(19)的原边的中间抽头b相连；所述开关管MOSFET M1(16)的源极、所述开关管MOSFET M2(17)的源极、所述钳位二极管D3(13)的正极、所述钳位二极管D4(14)的正极与所述整流桥(6)的负极相连；所述开关管MOSFETM1(16)的栅极经所述限流电阻R1(7)连接于所述整流桥(6)的正极、所述开关管MOSFET M2(17)的栅极经所述限流电阻R2(8)连接于所述整流桥(6)的正极；所述开关管MOSFET M1(16)的漏极接于所述变压器PT(19)的a端、所述开关管MOSFET M2(17)的漏极接于所述变压器PT(19)的c端；所述二极管D1(11)的正极与所述开关管MOSFET M1(17)的栅极相连，所述二极管D1(11)的负极接于所述变压器PT(19)的a端，所述二极管D2(12)的正极与所述开关管MOSFETM1(16)的栅极相连，所述二极管D2(12)的负极接于所述变压器PT(19)的c端；所述谐振电容C1(18)的两端分别与所述变压器PT(19)的a端、c端相连；所述变压器PT(19)的副边经所述整流二极管D5(20)输出，所述电容C2(21)一端与所述整流二极管D5(20)的负极相连，所述电容C2(21)的另一端连接于所述变压器PT(19)的副边。
8.根据权利要求1所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述负载(3)为多针阵列-板式电极结构。
9.根据权利要求8所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述多针阵列-板式电极结构为针与针间距0.5mm，4根针垂直于板并列放置。
10.根据权利要求3所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述闭合开关K(25)的电极结构为球隙结构或棒板结构或棒棒结构或板板结构。
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