CN206922662U - 一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，该脉冲电源包括直流高压发生电路、高压逆变主电路和高压逆变控制电路，所述直流高压发生电路的高压源输出端与高压逆变主电路的电源输入端连接，所述高压逆变控制电路与高压逆变主电路的控制端连接，所述高压逆变主电路中的功率开关器件由多个功率IGBT管串联构成。本实用新型具有寿命长、稳定、噪音小等的优点。

Description

一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源

技术领域

本实用新型涉及液相放电技术与高压电源技术，尤其是涉及一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源。

背景技术

在国外脉冲源技术的研究很早就已经开始，其中高压快脉冲技术起源于核物理实验、雷达、无线电通信技术及计算机技术发展的需要。目前高压快脉冲源广泛应用于各个领域。由于应用对象特点不同，对脉冲源的要求不同，例如在激光系统常用的纳秒级高压快脉冲源主要有两个研究方向：一是电真空器件以二次电子发射管、放电间隙开关、触发管、氢闸管等为代表，主要研究如何提高电真空器件的开关速度，减小其触发晃动，研究与其相配的高压高速驱动电路。二是以雪崩三极管和高压场效应管等为代表的固体器件，研究大功率高速高压半导体固体开关及与其相配的高速高压组阵电路。

其中，二次电子发射管优点是：重复频率高，触发延迟和晃动小，但是脉冲输出电压幅度较低(仅有几百伏)，且寿命短、不稳定、噪音大；放电间隙开关如火花隙容易产生较大的脉冲幅度(千伏以上)和较短的上升时间(亚纳秒级)，但是重复率低，晃动大；触发管工作电压可以达到十几千伏，缺点是需要较高的触发脉冲电压(与其阳极电压几乎是一个量级)，且晃动较大；闸流管的工作电压范围较大(数百伏道数十千伏)，开关速度快(几个纳秒)，重复频率较高，其缺点是晃动较大。

随着半导体技术的发展，50年代半导体开关如雪崩三极管开始进入ns级技术领域。Chakera根据实验发现少数雪崩管电流建立时间很小约为1ns，并据此研制出1ns宽度的脉冲发生器，但半导体开关的局限也很明显：在于单管工作电压较低。因此有人从60-70年代就开始雪崩管MARX电路研究，用以提高输出脉冲幅度和加快前沿。如Bell等开始研究雪崩管MARX电路，70年代已经用雪崩管输出几千伏、前沿几个纳秒的高速脉冲，Davis等(1979年)用雪崩管做出幅度3.3KV前沿4ns的脉冲源。由于此类固体开关具有重复率高、寿命高、晃动极小等优点，雪崩管脉冲源有了非常大的发展，并在部分领域已经取代电真空管。尽管目前雪崩管脉冲源可以做到幅度几十千伏、前沿皮秒级、脉宽几个纳秒的高速高压窄脉冲，但是由于器件本身的特点，其电流驱动能力差，输出脉冲宽度较窄，这限制了它的应用。进入70年代过后，功率MOSFET管的出现，改变了这一现状，由于其单管功率远大于雪崩管。目前单管电流(数十安培)、较高的漏源电压(达千伏)、小的导通电阻(欧姆量级)和较快的导通时间(纳秒级)的高压金属氧化物功率场效应管，采用雪崩管驱动能让前沿大大减小到数纳秒，串联和并联可以加大脉冲幅度和宽度，采用过驱动电路设计后开关速度得到进一步提高。

国内高压快脉冲源的研究处于开发阶段，西安光机所曾用固体雪崩管做过幅度5KV数个纳秒的高压脉冲电源，但脉冲宽度窄且电压幅度不够。天津大学用MOSFET管驱动电光晶体，制作出脉冲宽度120ns～1200ns，幅度0.6～3KV，前沿5ns，频率1HZ～1000HZ的脉冲。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，解决现有高压快脉冲源寿命短、不稳定、噪音大、单管工作电压较低的问题。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，其特征在于，该脉冲电源包括直流高压发生电路、高压逆变主电路和高压逆变控制电路，所述直流高压发生电路的高压源输出端与高压逆变主电路的电源输入端连接，所述高压逆变控制电路与高压逆变主电路的控制端连接，所述高压逆变主电路中的功率开关器件由多个功率IGBT管串联构成。

优选的，所述直流高压发生电路包括依次连接的调压整流电路、低压逆变电路和脉冲升压电路，所述调压整流电路包括工频电源和移相器，所述低压逆变电路包括隔离变压器、触发器和晶闸管，所述脉冲升压电路包括整流输出电路。

优选的，所述低压逆变电路为全桥逆变电路，该全桥逆变电路通过两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管。

优选的，所述全桥逆变电路包括电阻R1、电阻R2、开关管V1、开关管V2、开关管V3和开关管V4，所述电阻R1依次串联开关管V1、开关管V2和电阻R2，所述开关管V3的一端连接在电阻R1与开关管V1之间、另一端串联开关管V4后连接在电阻R2与开关管V2之间。

优选的，所述高压逆变主电路包括多级充放电的串联功率开关管输出电路，该多级充放电的串联功率开关管输出电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和多个功率IGBT管；所述电阻R5与电容C5、电容C6、电阻R6串联；所述电阻R3的一端连接在电阻R5与电容C5之间、另一端依次连接电容C3、电容C4、电阻R4，电阻R4的另一端连接在电容C6与电阻R6之间；所述电阻R1的一端连接在电阻R3与电容C3之间、另一端依次连接电容C1、电容C2、电阻R2，电阻R2的另一端连接在电容C4与电阻R4之间；所述多个功率IGBT管依次串联后，一端连接在电阻R1与电容C1之间、另一端连接在电容C2与电阻R2之间。

优选的，各功率IGBT管的门极均引出抽头。

优选的，所述抽头串连有熔断器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、低压逆变电路选用全桥式逆变电路作为低压逆变的主要形式，全桥式电路的优点是功率开关管稳态时其上最高施加电压即为输入电压，能够有效提高输出电压幅度。

2、低压逆变电路选用功率IGBT作为开关管，即绝缘性双极型晶体管。它是一种单极性的电压控制器件，具有开关速度快，高频性能好，输入阻抗高，驱动电路简单，热稳定性优良，无二次击穿问题，安全工作区宽和跨导线性能高等显著特点。目前功率IGBT开关管的工作电压已经能达到3KV，完全能满足此直流300V电压的逆变电路。

3、脉冲升压变压器是整个高压脉冲电源不可缺少的关键部件，不仅要起到低压到高压之间的转换与隔离作用，而且要保证高压逆变主电路中各串联IGBT的同步运行。脉冲升压变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器的硅钢片，采用磁导率较高的铁镍软磁合金材料，以获得更大的励磁电感，提高能量传输效率。

4、高压逆变控制电路独立制作一套并联谐振变换器控制器。该控制器包括过载保护功能、隔离器、脉冲发生器、死区调整电路及驱动电路组成。该控制器完成的主要功能是：隔离高低压电路，完成超低压对高压电路的控制，并设置过载保护功能；设置死区调节功能；跟踪谐振频率，保证最大功率输出。

附图说明

图1为液相放电等离子体的高压脉冲电源的整体结构图；

图2为液相放电等离子体的高压脉冲电源的全桥逆变电路原理图；

图3为液相放电等离子体的高压脉冲电源的多级充放电的串联功率开关管输出电路；

图4为液相放电等离子体的高压脉冲电源的高压控制回路驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

本实用新型提供一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，如图1所示，该脉冲电源主要包括三大部分：

第一部分，直流高压发生电路，这部分主要包括调压整流电路、低压逆变电路和脉冲升压电路三部分电路组成，其主要功能是给整个系统提供可调的高压源。调压整流电路包括工频电源和移相器，低压逆变电路包括隔离变压器、触发器和晶闸管，脉冲升压电路包括整流输出电路。直流高压发生电路的调压电路中可控硅是核心部件，使用可变电阻改变可控硅的导通角，可以实现对输入正弦波电压的调节。

第二部分，高压逆变主电路，电源主电路的重点环节，其结构及器件选择对整个高压脉冲电源的技术指标和性能有直接影响。高压逆变主电路中的功率开关器件选用性能良好的功率IGBT管，并且采用串联形式。使用瞬态电压抑制器(TVS)，一种二极管形式的高效能保护器件。

第三部分，高压逆变控制电路，这部分主要由PWM控制电路和脉冲变压器隔离驱动组成。直流高压发生电路的高压源输出端与高压逆变主电路的电源输入端连接，高压逆变控制电路与高压逆变主电路的控制端连接。

高压脉冲电源的原理为：220V工频交流电输入到调压电路，调压后的交流电源经整流电路整流成直流后又送入到全桥式低压逆变电路中，通过控制功率开关管的导通和关断，将输出的脉冲电压送到脉冲升压变压器。脉冲升压变压器副边得到的高压脉冲整流成直流高压再送入到高压半桥逆变电路，经过功率开关管的交替逆变作用转变成为所需的中频陡前沿脉冲高压。

涉及的部件具体说明如下：

全桥逆变电路

全桥逆变电路如图2所示，包括电阻R1、电阻R2、开关管V1、开关管V2、开关管V3和开关管V4。电阻R1依次串联开关管V1、开关管V2和电阻R2。开关管V3的一端连接在电阻R1与开关管V1之间、另一端串联开关管V4后连接在电阻R2与开关管V2之间。本实用新型全桥逆变电路的工作需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，具体就是V1和V4同时通断，V2和V3同时通断。当V1和V4同时导通时，V2和V3截止，脉冲升压变压器的原边电压为左正右负的Ud；反之，当V2和V3同时导通时，V1和V4截止，脉冲升压变压器的原边电压为右正左负的Ud。在四只开关管都截止在死区时间内，开关管端电压和电压尖峰和半桥电路相似。开关管刚导通时的电流尖峰也同半桥电路相似。全桥式逆变电路的优点是功率开关管稳态时其上最高施加电压即为输入电压。

多级充放电的串联功率开关电路

如图3所示，多级充放电的串联功率开关管输出电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和多个功率IGBT管。电阻R5与电容C5、电容C6、电阻R6串联。电阻R3的一端连接在电阻R5与电容C5之间、另一端依次连接电容C3、电容C4、电阻R4，电阻R4的另一端连接在电容C6与电阻R6之间。电阻R1的一端连接在电阻R3与电容C3之间、另一端依次连接电容C1、电容C2、电阻R2，电阻R2的另一端连接在电容C4与电阻R4之间。多个功率IGBT管依次串联后，一端连接在电阻R1与电容C1之间、另一端连接在电容C2与电阻R2之间。本实用新型功率开关器件IGBT开关选用高速型MG400Q1US41，即为绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了两者的优点，驱动功率小而饱和压降低。IGBT击穿电压可达1200V，集电极饱和电流可达1500A，工作频率可达到20KHZ。

工作过程中采用多级电容充放电形式，起到多层保护。其中功率开关器件采用串联形式得到所需的高电压，并采用多抽头形式，得到多级可调的电压，使该实用新型适应各种水质的处理。抽头串连有熔断器。

高压控制回路驱动电路

如图4所示，高压控制电路脉冲调制器选用MC33066，是由MOROROCA公司生产的高性能谐振式变换器控制芯片。该IC集成可变频率振荡器、欠压锁定、故障关断、软启动、单次脉冲发生器、5V基准发生器和高性能运算放大器等。且充电电源的控制分为外部遥控和充电机内部本控两部分，充电机的外部控制由一台西门子的PLC完成，充电机内部控制板主要围绕集成电路MC33066而设计，由于充电电源的频率是固定的，VFO工作频率可以通过调整电位器RP1来改变MC33066内部运放的输出电压而确定。MC33066的脉冲输出有无则是通过控制MC33066的9脚(In⁺)电位高低来完成。当9脚电压为高时，MC33066有输出，当9脚电压为低时，MC33066无输出。

系统调试与分析过程中：首先在调压整流电路中，进行数据采集分析，控制移相触发器和开关器件获得稳定的正弦波形，为下一步做准备；其次，对IGBT控制电路进行调试，控制电路提供的信号的好坏直接影响高压电路中的脉冲调制器的输出效果，将输出频率设置在10KHZ，调试脉冲波形；当输出幅值在30KV时，脉冲频率在10KHZ时，高压脉冲上升沿达到100ns，达到液相放电产生等离子体的最低要求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，应当指出的是，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，其特征在于，该脉冲电源包括直流高压发生电路、高压逆变主电路和高压逆变控制电路，所述直流高压发生电路的高压源输出端与高压逆变主电路的电源输入端连接，所述高压逆变控制电路与高压逆变主电路的控制端连接，所述高压逆变主电路中的功率开关器件由多个功率IGBT管串联构成。

2.根据权利要求1所述的一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，其特征在于，所述直流高压发生电路包括依次连接的调压整流电路、低压逆变电路和脉冲升压电路，所述调压整流电路包括工频电源和移相器，所述低压逆变电路包括隔离变压器、触发器和晶闸管，所述脉冲升压电路包括整流输出电路。

3.根据权利要求2所述的一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，其特征在于，所述低压逆变电路为全桥逆变电路，该全桥逆变电路通过两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管。

4.根据权利要求3所述的一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，其特征在于，所述全桥逆变电路包括电阻R1、电阻R2、开关管V1、开关管V2、开关管V3和开关管V4，所述电阻R1依次串联开关管V1、开关管V2和电阻R2，所述开关管V3的一端连接在电阻R1与开关管V1之间、另一端串联开关管V4后连接在电阻R2与开关管V2之间。

5.根据权利要求1所述的一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，其特征在于，所述高压逆变主电路包括多级充放电的串联功率开关管输出电路，该多级充放电的串联功率开关管输出电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和多个功率IGBT管；所述电阻R5与电容C5、电容C6、电阻R6串联；所述电阻R3的一端连接在电阻R5与电容C5之间、另一端依次连接电容C3、电容C4、电阻R4，电阻R4的另一端连接在电容C6与电阻R6之间；所述电阻R1的一端连接在电阻R3与电容C3之间、另一端依次连接电容C1、电容C2、电阻R2，电阻R2的另一端连接在电容C4与电阻R4之间；所述多个功率IGBT管依次串联后，一端连接在电阻R1与电容C1之间、另一端连接在电容C2与电阻R2之间。

6.根据权利要求5所述的一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，其特征在于，各功率IGBT管的门极均引出抽头。

7.根据权利要求6所述的一种用于液相放电产生等离子体的高压脉冲电源，其特征在于，所述抽头串连有熔断器。