CN102013830A - 一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压脉冲产生装置及方法，特别是涉及一种产生双极性纳秒高压窄脉冲的装置及方法。解决现有技术的双极性高压脉冲电源工作回路电感大、振荡严重、拖尾电压很高、峰值不稳定的问题。技术方案：包括直流高压电路模块、同步触发控制电路模块、正脉冲形成电路模块、负脉冲形成电路模块、高压脉冲合成电路模块。应用于脱硫脱硝、VOCs脱除、材料表面改性等领域的高压窄脉冲电源设计电路中。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压脉冲产生装置及方法，特别是涉及一种产生双极性纳秒高压窄脉冲的双极性纳秒高压窄脉冲产生装置及方法。
背景技术
高压脉冲电源作为能量供给设备在脱硫脱硝、VOCs脱除、材料表面理化特性改变等领域获得了广泛的应用。研究人员对高压脉冲电源输出的高压脉冲的上升前沿、脉冲宽度以及脉冲极性等波形参数与被处理对象的处理效果等之间的关系做了深入的研究，获得了不少研究结论。废水废气中的有害物质种类繁多，有些物质对电晕脉冲的极性较为敏感，而脉冲宽度越窄，脉冲前沿越陡，越有利于脱除效率的提高，但是单极性脉冲不利于提高有害物质的脱除效率，而且，单极性脉冲放电使处理装置上积累电荷，如果不释放将形成拖尾电压，增强后续脉冲所形成的空间电场，造成间歇火花放电，不利于能量的注入。因此，更陡脉冲前沿、更窄脉冲宽度的双极性纳秒高压窄脉冲产生技术成为脉冲功率技术应用研究领域的新热点。
《高电压技术》2004年发表了题为《脉冲电晕法中的双脉冲电源的研制》的文章，2009年发表了题为《双极性脉冲电压下介质阻挡放电及其涤纶表面改性》的文章，《中国环境科学》2006年发表了题为《双极性脉冲高压介质阻挡放电降解氯苯和甲苯》的文章，在这些文章中都采用了双极性高压脉冲电源作为能量供给设备。这些双极性高压脉冲电源(利用双极性高压脉冲产生装置的高压脉冲电源称为双极性高压脉冲电源)均由两台高压脉冲电源构成，这两台高压脉冲电源采用旋转火花开关作为放电主开关，分别产生正负高压脉冲，通过时序控制直接对处理装置输出双极性高压脉冲。旋转火花开关是机械式开关，不能产生纳秒级高压窄脉冲，也不能在高重复频率下工作，而且还会造成回路电感大、振荡严重、拖尾电压很高、峰值不稳定等问题。此外，两台高压脉冲电源和处理装置直接相连，不可避免地在放电工作过程中相互干扰，导致双极性高压脉冲电源工作稳定性和可靠性降低。通过对现有文献的调研，对于采用氢闸流管作为主放电开关、利用正负窄脉冲合成的双极性纳秒高压窄脉冲产生技术未见报道。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中双极性高压脉冲电源工作回路电感大、振荡严重、拖尾电压很高、峰值不稳定等问题，提供一种采用氢闸流管作为主放电开关、利用正负窄脉冲合成的双极性纳秒高压窄脉冲产生装置的双极性高压脉冲电源，提高双极性高压脉冲电源工作效率、产生纳秒级高压窄脉冲以及减小回路电感、降低震荡、消除拖尾电压。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双极性纳秒高压窄脉冲装置，包括直流高压电路模块、同步触发控制电路模块、正脉冲形成电路模块、负脉冲形成电路模块、高压脉冲合成电路模块，同步触发控制电路模块分别与直流高压电路模块输入端、正脉冲形成电路模块输入端、负脉冲形成电路模块输入端电连接，直流高压电路模块分别与正脉冲形成电路模块输入端、负脉冲形成电路模块输入端电连接，高压脉冲合成电路模块分别与正脉冲形成电路模块输出端、负脉冲形成电路模块输出端电连接。
所述高压脉冲合成电路模块输出端接负载，所述的等效负载包括电阻R10电容C11，电阻R10与电容C11并联。
所述直流高压电路模块包括直流高压电源1，所述正脉冲形成电路模块包括第一储能电缆4、第一氢闸流管开关6、第二充电电阻2，所述的负脉冲形成电路模块包括第二储能电缆5、第二氢闸流管开关7、第三充电电阻3，所述高压脉冲合成电路模块包括第一升压隔离变压器8、第二升压隔离变压器9，其中直流高压电路模块分别与第二充电电阻R2、第三充电电阻R3连接，第二充电电阻R2与第二储能电缆5电缆芯连接，第二储能电缆5电缆芯另一端分别与第二氢闸流管开关7、电阻分压器高压臂电阻R12连接，第二氢闸流管开关另一端与第一升压隔离变压器8原边一端连接，电阻分压器高压臂电阻R12另一端与电阻分压器低压臂电阻R13串联，第一升压隔离变压器8副边一端与电阻10与电容11组成的等效负载并联电路一端连接，电阻分压器低压臂电阻R13另一端、第二储能电缆5电缆皮、第一升压隔离变压器8原边另一端、第一升压隔离变压器8副边另一端共地；第三充电电阻R3与第一储能电缆4电缆芯连接，第一储能电缆4电缆芯另一端与第一氢闸流管开关6连接，第一储能电缆4电缆皮与升第二压隔离变压器9原边一端连接；第二升压隔离变压器9副边一端与电阻10与电容11组成的等效负载并联电路一端连接，第一储能电缆4电缆皮、第一氢闸流管开关6另一端、第二升压隔离变压器9原边另一端、第二升压隔离变压器9副边另一端共地。
所述储能电缆还被储能电容代替。
一种双极性纳秒高压窄脉冲装置脉冲产生方法，利用现有直流高压电路模块，将市电经过升压整流后为后一级提供直流高电压，利用同步触发控制电路模块，同时控制正脉冲形成电路模块、负脉冲形成电路模块形成具有一定相位差的双极性高压窄脉冲。
所述脉冲产生方法，包括具体步骤：
1)同步触发控制模块控制直流高压电路模块经过第二充电电阻R2、第三充电电阻R3同时对第一储能电缆4、第二储能电缆5同时充电；
2)通过由第二电阻12、第三电阻13构成的电阻分压器检测C点的输出信号，从而间接检测储能电缆充电电压是否达到设定值；
3)当检测到对第一储能电缆4、第二储能电缆5达到充电预设值后，同步触发控制电路模块输出触发脉冲Trig1触发使作为主放电开关的第一氢闸流管开关6闭合，此时第一储能电缆4对第二升压隔离变压器9的原边放电产生正高压窄脉冲，第一储能电缆4放电完毕后，同步触发控制电路模块输出触发脉冲Trig2触发使作为主放电开关的第二氢闸流管开关7闭合，此时储能电缆5对第一升压隔离变压器8的原边放电产生负高压窄脉冲；
4)通过第一升压隔离变压器8、第二升压隔离变压器9合成以后，在处理设备等效负载两端A、B两点产生具有一定相位差的双极性纳秒高压窄脉冲。通过同步触发控制电路模块控制第一氢闸流管开关6、第二氢闸流管开关7反复闭合，就能在处理设备负载上产生重复频率的双极性纳秒高压窄脉冲。这个相位差值与设定的Trig1、Trig2之间的时间间隔相等。为了确定这个相位差值，在工作过程中，可以在储能电缆充电完毕以后，通过同步触发控制电路模块设定只给出触发信号Trig1，此时在A、B两点只产生正高压窄脉冲，通过测量该脉冲的宽度，可以得到两路触发信号同时工作时的时间间隔值，即为相位差值。
从上述本发明的结构特征可以看出，其优点是：
1)利用该技术产生的双极性纳秒高压窄脉冲输出波形对称、稳定、重复性好，有利于脱除效率和能量利用率的提高；
2)采用该技术设计的电源可在高重复频率条件下工作，操作简单、故障率低、维修方便、可长时间工作，有利于工业化应用。
附图说明
本发明将通过附图比较以及结合实例的方式说明：
图1双极性纳秒高压窄脉冲产生装置原理框图；
图2本发明的双极性纳秒高压窄脉冲产生电路图；
图3是市电经过本发明装置处理后在等效负载上得到的波形图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
技术方案：本发明提供一种采用氢闸流管作为主放电开关，利用正负脉冲合成的双极性纳秒高压窄脉冲产生技术。通过对市电进行升压整流以后得到直流高电压为脉冲形成电路模块提供初级能源，脉冲形成电路模块形成正负纳秒高压窄脉冲，高压脉冲合成电路模块将正负纳秒高压窄脉冲进一步升压合成，最后在处理设备输入端得到双极性纳秒高压窄脉冲。
该技术方案包括直流高压电路模块、同步触发控制电路模块、直流高压电路模块、正负脉冲形成电路模块、同步触发控制电路模块、高压脉冲合成电路模块。正负脉冲形成电路模块、高压脉冲合成电路模块为本设计的核心。直流高压电路模块是市电经过升压整流后产生直流高电压。正负脉冲形成电路模块是本技术方案的核心，其功能是产生纳秒极高压窄脉冲，为了提高输出脉冲的波形质量、提高电源工作频率，必须采用氢闸流管作为主开关。同步触发控制电路模块主要输出控制信号对直流高压电路模块进行控制，并且产生两路具有一定时间间隔的触发信号控制氢闸流管闭合导通。高压脉冲合成电路模块也是本技术方案的重要组成部分，其功能是将正负脉冲进行合成后输出到处理设备，为了消除正负脉冲之间的相互干扰，提高高压脉冲电源的稳定性和可靠性，必须采用脉冲升压隔离变压器对正负脉冲进行升压和隔离。
电路框图如图1所示，包括直流高压电路模块、同步触发控制电路模块、直流高压电路模块、正负脉冲形成电路模块、同步触发控制电路模块、高压脉冲合成电路模块。直流高压电路模块包括直流高压电源1，其中同步触发控制电路模块分别与直流高压电路模块输入端、正脉冲形成电路模块输入端、负脉冲形成电路模块输入端电连接，直流高压电路模块分别与正脉冲形成电路模块输入端、负脉冲形成电路模块输入端电连接，高压脉冲合成电路模块分别与正脉冲形成电路模块输出端、负脉冲形成电路模块输出端电连接。直流高压电路模块是本技术方案的输入端，其功能是将市电经整流升压得到直流高电压；正负脉冲形成电路模块的功能是分别产生设计所需的正负纳秒高压窄脉冲；高压脉冲合成电路模块是本技术方案的输出端，直接和后端处理设备相连，其功能是将正负纳秒高压窄脉冲进一步升压合成为双极性纳秒高压窄脉冲，将正负脉冲隔离，消除相互之间的干扰；同步触发控制电路模块输出触发控制信号，分别对正负脉冲形成电路模块、直流高压电路模块进行触发控制。
具体电路设计如图2所示，直流高压电路模块包括直流高压电源1，正脉冲形成电路模块包括第一储能电缆4、第一氢闸流管开关6、第二充电电阻2，负脉冲形成电路模块包括第二储能电缆5、第二氢闸流管开关7、第三充电电阻3，高压脉冲合成电路模块包括第一升压隔离变压器8、第二升压隔离变压器9，其中直流高压电路模块分别与第二充电电阻R2、第三充电电阻R3连接，第二充电电阻R2与第二储能电缆5电缆芯连接，第二储能电缆5电缆芯另一端分别与第二氢闸流管开关7、电阻分压器高压臂电阻R12连接，第二氢闸流管开关另一端与第一升压隔离变压器8原边一端连接，电阻分压器高压臂电阻R12另一端与电阻分压器低压臂电阻R13串联，第一升压隔离变压器8副边一端与电阻10与电容11组成的等效负载并联电路一端连接，电阻分压器低压臂电阻R13另一端、第二储能电缆5电缆皮、第一升压隔离变压器8原边另一端、第一升压隔离变压器8副边另一端共地；第三充电电阻R3与第一储能电缆4电缆芯连接，第一储能电缆4电缆芯另一端与第一氢闸流管开关6连接，第一储能电缆4电缆皮与升第二压隔离变压器9原边一端连接；第二升压隔离变压器9副边一端与电阻10与电容11组成的等效负载并联电路一端连接，第一储能电缆4电缆皮、第一氢闸流管开关6另一端、第二升压隔离变压器9原边另一端、第二升压隔离变压器9副边另一端共地。在该发明技术中，将市电升压整流后得到直流电压以及同步触发控制电路模块均是成熟技术，所以图2中未将这两部分做详细描述，同步触发控制电路模块在图2中采用带输入输出信号线的同步触发控制电路模块框图表示，将直流高压电路模块1对应图1中的直流高压电路模块；图中CTR1控制直流高压电路模块对储能电缆进行充电，Sig1电阻分压器也就是C点的输出信号，Trig1、Trig2分别是同步触发控制电路模块产生的触发信号，分别触发氢闸流管开关6和7。
本技术方案的工作过程为：首先，直流高压电路模块1将市电进行升压整流得到直流高电压；其次，同步触发控制电路模块输出的控制信号Ctr1控制直流高压电路模块将得到的直流高电压通过第二充电电阻2、第三充电电阻3分别对第一储能电缆4和第二储能电缆5充电，当通过由电阻分压器高压臂电阻12、电阻分压器低压臂电阻13构成的电阻分压器检测到储能电缆充电电压达到设定值时，返回信号Sig1到同步触发控制电路模块；此时，同步触发控制电路模块输出触发脉冲Trig1触发使作为主放电开关的第一氢闸流管开关6闭合，此时第一储能电缆4对第二升压隔离变压器9的原边放电产生正高压窄脉冲，第一储能电缆4放电完毕后，同步触发控制电路模块输出触发脉冲Trig2触发使作为主放电开关的氢闸流管开关7闭合，此时储能电缆5对升压隔离变压器8的原边放电产生负高压窄脉冲；最后，通过第一升压隔离变压器8、第二升压隔离变压器9合成以后，在处理设备等效负载10、11两端A、B两点产生具有一定相位差的双极性纳秒高压窄脉冲。通过同步触发控制电路模块控制第一氢闸流管开关6、第二氢闸流管开关7反复闭合，就能在处理设备负载上产生重复频率的双极性纳秒高压窄脉冲。这个相位差值与设定的Trig1、Trig2之间的时间间隔相等。为了确定这个相位差值，在工作过程中，可以在储能电缆充电完毕以后，通过同步触发控制电路模块设定只给出触发信号Trig1，此时在A、B两点只产生正高压窄脉冲，通过测量该脉冲的宽度，可以得到两路触发信号同时工作时的时间间隔值，即为相位差值。在具体实施过程中，也可以采用高压开关电源替代高压直流电源部分，此时充电电阻2、3不需要；储能电缆也可以根据需要换成储能电容等储能器件；作为主放电开关的氢闸流管，根据具体方案选择适当的参数；根据需要，可以将第一升压隔离变压器8、第二升压隔离变压器9绕制成一个变压器。无论采用哪种方案，主电路的工作流程和电气信号流向始终不变。
如果要在A、B两点之间产生幅值50kV，脉宽200ns的双极性纳秒高压窄脉冲，其参数选择和工作流程为：第一储能电缆4、第二储能电缆5的绝缘耐压为20kV，长度为40米，选择氢闸流管开关的工作电压为10kV，第一升压隔离变压器8、第二升压隔离变压器9的变比为1∶5，如图2构成以后，开始工作。通过同步触发控制电路模块设定充电电压为10kV，设定两路触发信号时间间隔为200ns，当经过直流高压电路模块1升压整流的直流高电压将储能电缆4、5充电到10kV以后，通过C点将信号返回到同步触发控制电路模块，同步触发控制电路模块输出触发信号Trig1触发第一氢闸流管开关6闭合，第一储能电缆4对第二升压隔离变压器9原边放电，在升压隔离变压器副边产生50kV的正高压窄脉冲；200ns后，第一储能电缆4放电完毕，同步触发控制电路模块输出触发信号Trig2，触发第二氢闸流管开关7闭合，第二储能电缆5对第一升压隔离变压器8原边放电，在升压隔离变压器副边产生50kV的负高压窄脉冲。此时，从A、B两点来看，在负载上就输出了对称的双极性纳秒高压窄脉冲，其波形图如图3所示。理论上，根据实际需求，通过本技术方案，可以产生任意电压幅值，任意脉冲宽度、任意相位差的双极性高压窄脉冲，实际上，最高电压幅值受到关键器件氢闸流管开关和升压隔离变压器的限制。目前，常用的氢闸流管最高工作电压约70kV左右，如果单纯通过增加升压隔离变压器的变比来提高电压，最终将影响到输出脉冲的上升前沿，导致无法输出纳秒级上升前沿的高压窄脉冲。而且，在相关领域的工业应用中，更高的工作电压，意味着更高甚至难以承受的成本增加。因此，本技术方案在500kV以下工作电压范围，具有较大的成本优势，对输出更高电压的需要，必然导致成本增加。
图3是市电经过本发明装置处理后在等效负载上得到的波形图。其中横轴为200ns/格，纵轴为20kV/格。
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
Claims (6)
1.一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置，包括直流高压电路模块、同步触发控制电路模块，其特征在于还包括正脉冲形成电路模块、负脉冲形成电路模块、高压脉冲合成电路模块，同步触发控制电路模块分别与直流高压电路模块输入端、正脉冲形成电路模块输入端、负脉冲形成电路模块输入端电连接，直流高压电路模块分别与正脉冲形成电路模块输入端、负脉冲形成电路模块输入端电连接，高压脉冲合成电路模块分别与正脉冲形成电路模块输出端、负脉冲形成电路模块输出端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置，其特征在于所述高压脉冲合成电路模块输出端接负载，所述的等效负载包括电阻(R10)、电容(C11)，电阻(R10)与电容(C11)并联。
3.根据权利要求1所述的一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置，其特征在于所述直流高压电路模块包括直流高压电源(1)，所述正脉冲形成电路模块包括第一储能电缆(4)、第一氢闸流管开关(6)、第二充电电阻(2)，所述的负脉冲形成电路模块包括第二储能电缆(5)、第二氢闸流管开关(7)、第三充电电阻(3)，所述高压脉冲合成电路模块包括第一升压隔离变压器(8)、第二升压隔离变压器(9)，其中直流高压电路模块分别与第二充电电阻(R2)、第三充电电阻(R3)连接，第二充电电阻(R2)与第二储能电缆(5)电缆芯连接，第二储能电缆(5)电缆芯另一端分别与第二氢闸流管开关(7)、电阻分压器高压臂电阻(R12)连接，第二氢闸流管开关(7)另一端与第一升压隔离变压器(8)原边一端连接，电阻分压器高压臂电阻(R12)另一端与电阻分压器低压臂电阻(R13)串联，第一升压隔离变压器(8)副边一端与电阻(10)与电容(11)组成的等效负载并联电路一端连接，电阻分压器低压臂电阻(R13)另一端、第二储能电缆(5)电缆皮、第一升压隔离变压器(8)原边另一端、第一升压隔离变压器(8)副边另一端共地；第三充电电阻(R3)与第一储能电缆(4)电缆芯连接，第一储能电缆(4)电缆芯另一端与第一氢闸流管开关(6)连接，第一储能电缆(4)电缆皮与升第二压隔离变压器(9)原边一端连接；第二升压隔离变压器(9)副边一端与电阻(10)与电容(11)组成的等效负载并联电路一端连接，第一储能电缆(4)电缆皮、第一氢闸流管开关(6)另一端、第二升压隔离变压器(9)原边另一端、第二升压隔离变压器(9)副边另一端共地。
4.根据权利要求3所述的一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置，其特征在于所述储能电缆还被储能电容代替。
5.一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置脉冲产生方法，其特征在于利用现有直流高压电路模块，将市电经过升压整流后为后一级提供直流高电压，利用同步触发控制电路模块，同时控制正脉冲形成电路模块、负脉冲形成电路模块形成具有一定相位差的双极性高压窄脉冲。
6.根据权利要求5所述的一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置脉冲产生方法，其特征在于所述脉冲产生方法，包括具体步骤：
1)同步触发控制模块控制直流高压电路模块经过第二充电电阻(R2)、第三充电电阻(R3)同时对第一储能电缆(4)、第二储能电缆(5)同时充电；
2)通过由第二电阻(12)、第三电阻(13)构成的电阻分压器检测C点的输出信号，从而间接检测储能电缆充电电压是否达到设定值；
3)当检测到对第一储能电缆(4)、第二储能电缆(5)达到充电预设值后，同步触发控制电路模块输出触发脉冲Trig1触发使作为主放电开关的第一氢闸流管开关(6)闭合，此时第一储能电缆(4)对第二升压隔离变压器(9)的原边放电产生正高压窄脉冲，第一储能电缆(4)放电完毕后，同步触发控制电路模块输出触发脉冲Trig2触发使作为主放电开关的第二氢闸流管开关(7)闭合，此时储能电缆(5)对第一升压隔离变压器(8)的原边放电产生负高压窄脉冲；
4)通过第一升压隔离变压器(8)、第二升压隔离变压器(9)合成以后，在处理设备等效负载两端A、B两点产生具有一定相位差的双极性纳秒高压窄脉冲。通过同步触发控制电路模块控制第一氢闸流管开关(6)、第二氢闸流管开关(7)反复闭合，就能在处理设备负载上产生重复频率的双极性纳秒高压窄脉冲。这个相位差值与设定的Trig1、Trig2之间的时间间隔相等。为了确定这个相位差值，在工作过程中，可以在储能电缆充电完毕以后，通过同步触发控制电路模块设定只给出触发信号Trig1，此时在A、B两点只产生正高压窄脉冲，通过测量该脉冲的宽度，可以得到两路触发信号同时工作时的时间间隔值，即为相位差值。
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