CN103529255A - 一种用于交流电场下空间电荷测量的高压脉冲电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高压脉冲电源控制电路设计领域的一种用于交流电场下空间电荷测量的高压脉冲电源。高压脉冲电源包括相位控制电路和高压脉冲形成电路；所述相位控制电路包括电容分压器、二阶低通滤波电路、电压过零比较电路和信号发生器；所述高压脉冲形成电路包括高压直流源、充电电阻、同轴电缆、开关和匹配电阻。本发明综合了电子电路仿真与设计、功率电子器件MOSFET控制技术和脉冲功率技术，设计方案中使用高压直流源模块，未使用脉冲变压器，避免了对变压器频率响应特性要求高这一技术难题，同时降低了增购变压器的经济成本；通过改变脉冲形成线的长度和设定信号发生器的脉冲串输出功能，灵活调整高压脉冲电源输出脉冲的脉宽和频率。

Description

一种用于交流电场下空间电荷测量的高压脉冲电源
技术领域
本发明属于高压脉冲电源控制电路设计领域，尤其涉及一种用于交流电场下空间电荷测量的高压脉冲电源。
背景技术
现有的脉冲电源大都是低压输出或低频输出，很少有同时实现高压高频的电源，现有技术无法实现电源输出脉宽的灵活控制，而且现有技术不易通过外部电路对高压高频脉冲电源实现有效控制。
目前，在专利一种可控高频高压电源中采用继电器控制高频高压DC-DC变换器输出脉冲，其缺点是无法实现在交流电压的特定相位控制高压高频电源的输出，而且无法精确控制输出脉冲的宽度。
在专利大功率高频脉冲电源中采用高频可控硅SCR及IGBT半导体功率模块等固体器件为开关元件。虽然可以产生高频脉冲，但是脉冲的宽度无法精确控制，而且技术中用到的脉冲变压器在高频状态下对频率响应特性要求很高，所以成本很高。此外，该专利技术也不能实现外部电路对高频高压脉冲电源的实时控制。
发明内容
针对背景技术中提到的现有的高频脉冲电源，在输出脉冲的宽度无法精确控制的问题，本发明提供了一种用于交流电场下空间电荷测量的高压脉冲电源。
一种用于交流电场下空间电荷测量的高压脉冲电源，其特征在于，所述高压脉冲电源包括相位控制电路和高压脉冲形成电路；所述相位控制电路包括电容分压器、二阶低通滤波电路、电压过零比较电路和信号发生器；所述高压脉冲形成电路包括高压直流源、充电电阻、同轴电缆、开关和匹配电阻；
其中，所述电容分压器、二阶低通滤波电路、电压过零比较电路和信号发生器顺次连接；所述高压直流源、充电电阻、同轴电缆、开关和匹配电阻顺次连接；所述信号发生器通过脉冲控制开关；所述高压脉冲在匹配电阻的高压端输出；
所述电容分压器的低压臂从交流试验变压器引出工频电压信号，经过二阶低通滤波电路，滤除工频电压信号中的高次谐波；然后经过电压过零比较电路，把工频电压信号转换成方波信号用于触发信号发生器；信号发生器按照设定好的脉冲串输出功能输出N个脉冲序列，实现对开关的开断控制；所述开关用于控制高压脉冲的输出；所述同轴电缆用于控制高压脉冲的脉宽。
所述高压脉冲电源还包括驱动电路；安装于信号发生器和开关中间；所述驱动电路用于控制脉冲序列的电压。
所述开关采用MOSFET开关。
本发明综合了电子电路仿真与设计、功率电子器件MOSFET控制技术和脉冲功率技术，设计了一种可以用于交流电场下空间电荷测量的高压脉冲电源，方案中使用高压直流源模块，未使用脉冲变压器，避免了对变压器频率响应特性要求高这一技术难题，同时降低了增购变压器的经济成本；通过改变脉冲形成线的长度和设定信号发生器的脉冲串输出功能，灵活调整高压脉冲电源输出脉冲的脉宽和频率。
附图说明
图1是本发明提供的一种用于交流电场下空间电荷测量的高压脉冲电源的结构图；
图2是本发明提供的高压脉冲电源的相位控制电路图；
图3是本发明提供的高压脉冲电源相位控制电路的二阶低通滤波电路图；
图4是本发明提供的滤波前后得到的电容分压器低压臂输出的工频信号图；
图5是本发明提供的高压脉冲电源相位控制电路的电压过零比较电路图；
图6是本发明提供的电压过零比较电路的性能测试图；
图7是本发明提供的高压脉冲形成电路的电路图及仿真结果；
其中，1-相位控制电路；2-高压脉冲形成电路；3-开关；4-高压直流源；5-充电电阻；6-同轴电缆；7-匹配电阻；8-电容分压器；9-电容分压器的低压臂；10-电容分压器的高压臂；11-保护电阻；12-高压试验变压器；13-正弦信号输入端；14-方波信号输出端。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是本发明提供的一种用于交流电场下空间电荷测量的高压脉冲电源的结构图。图1中包括相位控制电路1、高压脉冲形成电路2和空间电荷测量电路PEA。其中，本发明所提供的高压脉冲电源包括相位控制电路1和高压脉冲形成电路2；所述相位控制电路1包括电容分压器、二阶低通滤波电路、电压过零比较电路和信号发生器；所述高压脉冲形成电路包括高压直流源4、充电电阻5、同轴电缆6、开关3和匹配电阻7；
所述电容分压器8、二阶低通滤波电路、电压过零比较电路和信号发生器顺次连接；所述高压直流源4、充电电阻5、同轴电缆6、开关3和匹配电阻7顺次连接；所述信号发生器通过脉冲控制开关3；所述高压脉冲在匹配电阻7的高压端输出。
空间电荷测量电路PEA用于测量交流电场下空间电荷，并通过高压试验变压器与相位控制电路的电容分压器连接，同时还与匹配电阻的高压端连接。
图2是本发明提供的高压脉冲电源的相位控制电路图。图2中，电容分压器的低压臂9从高压试验变压器12引出工频电压信号；经过二阶低通滤波电路（如图3），滤除工频电压信号中的高次谐波（主要是三次和五次谐波），滤除谐波前后的工频电压信号对比（如图4），其中，虚线部分表示滤波前的工频电压信号；然后经过电压过零比较电路（如图5），把工频电压信号转换成方波信号（如图6）用于触发信号发生器；且方波的上升沿对应工频电压信号的0°相位，方波的下降沿对应工频电压信号的180°相位。所得的方波信号用于触发驱动信号发生器，信号发生器按照设定好的脉冲串输出功能（Burst）将输出N（N可以设定）个脉冲序列，实现对开关3的开断控制；这里需要指出，低压臂引出的工频电压信号与交流空间电荷测量时从高压臂引出的工频电压信号相位一致；而低压臂引出信号经过二阶低通滤波电路和电压过零比较电路后，所得到的方波信号相比于原先的工频信号相位有所滞后，在得到脉冲序列时需要调整信号发生器使得输出的脉冲序列与原工频信号相位匹配。脉冲序列经过驱动电路驱动MOSFET开关器件HTS50-08-UF，实现对高压高频开关的开断控制。高压高频脉冲电源工作频率的计算方法为f=50·N。其中，第一个输出的脉冲对应的工频相位是0°，第二个输出的脉冲对应的工频相位是
Figure BDA0000382881290000051
第i个输出的脉冲对应的工频相位是由此，可以实现在工频高压的多个指定相位输出高压脉冲。
图7是本发明提供的高压脉冲形成电路的电路图及仿真结果。图7中，V1为高压直流源，提供-10kV直流高压；R1为充电电阻，阻值大小为3.34MΩ；T1为脉冲形成线,本专利采用的是型号为RG-213的同轴电缆，其长度l=5m，波阻抗Z0=50Ω，波在该电缆中的传播速度是
Figure BDA0000382881290000053
U1为高压开关，本专利采用的是型号为HTS50-08-UF的MOSFET开关器件；R2为匹配电阻，其阻值为50Ω。
开关闭合前，高压直流电源模块通过充电电阻向脉冲形成线充电至电压V；开关闭合后，脉冲形成线将对负载R2放电，其放电电压
Figure BDA0000382881290000061
此时在形成线末端会产生一反射电压波
Figure BDA0000382881290000062
向脉冲形成线始端传播，传至始端后形成线上电压Vline=V+Vf=0.5V，由于R1>>Z0始端相当于开路，电压波在始端发生全反射V'f=Vf=-0.5V，当该反射波传至末端时，传输线上电压V'line=Vline+V'f=0，波传播过程结束。整个过程所经历的时间
Figure BDA0000382881290000063
即为脉冲宽度。MOSFET开关开断一次即在负载端产生一个高压脉冲，高压脉冲的电压幅值是高压直流电源电压幅值的一半，高压脉冲的脉宽由脉冲形成线的长度决定，高压脉冲的频率通过设定信号发生器的脉冲串输出功能来确定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种用于交流电场下空间电荷测量的高压脉冲电源，其特征在于，所述高压脉冲电源包括相位控制电路和高压脉冲形成电路；所述相位控制电路包括电容分压器、二阶低通滤波电路、电压过零比较电路和信号发生器；所述高压脉冲形成电路包括高压直流源、充电电阻、同轴电缆、开关和匹配电阻；
其中，所述电容分压器、二阶低通滤波电路、电压过零比较电路和信号发生器顺次连接；所述高压直流源、充电电阻、同轴电缆、开关和匹配电阻顺次连接；所述信号发生器通过脉冲控制开关；所述高压脉冲在匹配电阻的高压端输出；
所述电容分压器的低压臂从交流试验变压器引出工频电压信号，经过二阶低通滤波电路，滤除工频电压信号中的高次谐波；然后经过电压过零比较电路，把工频电压信号转换成方波信号用于触发信号发生器；信号发生器按照设定好的脉冲串输出功能输出N个脉冲序列，实现对开关的开断控制；所述开关用于控制高压脉冲的输出；所述同轴电缆用于控制高压脉冲的脉宽。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述高压脉冲电源还包括驱动电路；安装于信号发生器和开关中间；所述驱动电路用于控制脉冲序列的电压。
3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述开关采用MOSFET开关。
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