CN108471254A - 一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，主要包括控制电路、双极性Marx电路系统和脉冲变压器系统T。所述控制电路控制所述双极性Marx电路系统中所有IGBT开关管的关断。所述双极性Marx电路系统将输出电压传递给所述脉冲变压器系统T。所述脉冲变压器系统T提高所述输出电压的幅值。本发明在前级Marx发生器满足绝缘要求的情况下，可极大地实现输出电压倍增，同时能起到改善波形的作用。实测结果表明该发生器可以用于研究特高压直流换流阀饱和电抗器环氧树脂绝缘在工频脉冲电压作用下的绝缘失效机制。

Description

一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发 生器

技术领域

本发明涉及模块化固态微秒脉冲发生器领域，具体是一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器。

背景技术

换流阀是特高压直流输电的核心设备，维护其长期稳定可靠的正常运行是整个直流输电系统的关键。饱和电抗器作为保护晶闸管的重要设备，饱和电抗器的失效将会直接威胁到换流阀的安全运行。

目前，全球能源互联网研究院研制的1100kV/5000A特高压直流换流阀饱和电抗器的绝缘材料是环氧树脂，国内关于换流阀饱和电抗器的绝缘设计的研究非常不足，饱和电抗器的绝缘设计参考正弦电压作用下的局部放电机制，而实际饱和电抗器主绝缘承受的双极性脉冲电压，换流站整流侧，整个单阀16个饱和电抗器承受的正极性电压波形参数为：脉宽12.21us，上升沿1.20us，负极性波形参数为：脉宽73us，下降沿24us，正负极性波形幅值之比为4.3:1。这种高幅值陡上升沿的脉冲电压会对饱和电抗器的主绝缘构成非常大的潜在威胁。

因此，研究饱和电抗器的电气应力和在脉冲电压作用下的绝缘失效机制具有重要意义。而市面上能购买到的方波脉冲电压源不能模拟饱和电抗器绝缘的电气应力，因此研制一台能模拟饱和电抗器环氧树脂电气应力的双极性脉冲电压源很有必要。

在多种高压微秒脉冲的产生方法中，Marx发生器和脉冲变压器成得到了广泛应用Marx发生器利用电容并联充电，串联放电的原理获得脉冲电压的输出倍增，具备较强的灵活性，可实现电压幅值、频率、脉宽等参数在一定范围内可调。近年来，固态Marx发生器技术得到了较大发展，充电电压隔离、脉冲形成调制以及负载应用。多电平调制、充电电压隔离及负载应用成为脉冲功率技术领域的研究热点。

但是单极性Marx发生器，不仅无法实现输出正负极性脉冲的需求和实现对脉冲上升沿的调节。而且仅靠Marx发生器升压，会对固态开关的绝缘水平造成巨大挑战，升压能力有限。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这的，一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，主要包括控制电路、双极性Marx电路系统和脉冲变压器系统T。

所述控制电路产生控制信号。所述控制电路将所述控制信号传递给所述双极性Marx电路系统。

所述控制信号控制所述双极性Marx电路系统中所有IGBT开关管的通断。

所述双极性Marx电路系统通过调节所有IGBT开关管导通和关断的时序，从而控制电路中的电容进行串联放电。

当所述双极性Marx电路系统正极性放电时，电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7串联，并对负载电阻R3放电，电感L2调节正极性波形上升沿。

当所述双极性Marx电路系统负极性放电时，电容C1和电容C2串联，并对负载R3进行放电，电感L1调节负极性波形上升沿。

所述双极性Marx电路系统中的电容放电后，将输出电压传递给所述脉冲变压器系统T。

所述脉冲变压器系统T提高所述输出电压的幅值。所述脉冲变压器系统T保持所述双极性Marx电路系统输出波形的脉宽和上升沿不变。

所述控制电路主要包括信号发生器、电光转换器、光纤驱动器、光纤发射器、光纤分路器和光电转换器。

所述信号发生器的FPGA模块产生n路同步触发电信号I，并将所述n路同步触发电信号传递给电光转换器。

所述电光转换器将所述n路同步触发电信号I转换为n路光信号，并传递给光纤发射器。

所述光纤驱动器驱动所述光纤发射器向所述光纤分路器发射所述n路光信号。

所述光纤分路器将所述n路光信号分开，一条光纤向所述光电转换器传递一路光信号。

所述光电转换器将所述n路光信号转换为n路同步触发电信号II，并将n路同步触发电信号II传递给驱动芯片。

所述驱动芯片处理n路同步触发电信号II，从而产生控制信号。所述控制信号驱动所述双极性Marx电路系统中的IGBT管导通或关断。

所述双极性Marx电路系统的电路结构为：记双极性高压直流电源U₁负极所在的一端为a端，正极所在的一端为b端。所述a端接地。

所述b端依次串联充电电阻R₁和IGBT管S1_1的漏极。

IGBT管S1_1的栅极悬空。IGBT管S1_1的源极串联二极管D2的正极。二极管D2的负极依次串联电容C2、电感L2和IGBT管S2_2的漏极。IGBT管S2_2的栅极悬空。IGBT管S2_2的源极串联a端。

IGBT管S1_1的源极串联二极管D4的正极。二极管D4的负极依次串联电容C4和IGBT管S3_2的漏极。IGBT管S3_2的栅极悬空。IGBT管S3_2的源极串联电感L2。

IGBT管S1_1的源极串联二极管D6的正极。二极管D6的负极依次串联电容C6和IGBT管S4_2的漏极。IGBT管S4_2的栅极悬空。IGBT管S4_2的源极串联IGBT管S3_2的漏极。

记双极性高压直流电源U₂负极所在的一端为d端，正极所在的一端为e端。e端串联a端后接地。

d端依次串联充电电阻R₂和IGBT管S1_2的漏极。

IGBT管S1_2的栅极悬空。IGBT管S1_2的源极串联二极管D1的负极。二极管D1的正极串联电容C1后接入e端。

IGBT管S1_2的源极串联二极管D3的负极。二极管D4的正极依次串联电容C3和IGBT管S3_2的漏极。

IGBT管S1_2的源极串联二极管D5的负极。二极管D5的正极依次串联电容C5和IGBT管S4_2的漏极。

IGBT管S1_2的源极串联二极管D7的负极。二极管D7的正极依次串联电容C7和IGBT管S5_1的漏极。IGBT管S5_1的栅极接地。IGBT管S5_1的源极串联IGBT管S4_2的漏极。

二极管D7的正极依次串联电容C7、放电电阻R₃、电容C1和二极管D1的正极。

二极管D1的正极串联IGBT管S2_1的漏极。IGBT管S2_1的栅极悬空。IGBT管S2_1的源极依次串联电感L1和IGBT管S3_1的漏极。IGBT管S3_1的栅极悬空。IGBT管S3_1的源极串联二极管D3的正极。

二极管D4的负极串联IGBT管S4_1的漏极。IGBT管S4_1的栅极悬空。IGBT管S4_1的源极串联二极管D5的正极。

二极管D6的负极串联IGBT管S5_1的漏极。IGBT管S5_1的栅极悬空。IGBT管S5_1的源极串联二极管D7的正极。

当双极性Marx电路系统处于充电模式时，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6和二极管D7正向导通。

IGBT管S1_2、IGBT管S2_2、IGBT管S3_2、IGBT管S4_2、IGBT管S5_2和IGBT管S1_1导通。IGBT管S2_1、IGBT管S3_1、IGBT管S4_1和IGBT管S5_1断开。

进一步，所述双极性Marx电路系统中，所述双极性高压直流电源U₁和双极性高压直流电源U₂通过充电电阻R1和充电电阻R2对Marx电路中的各级电容进行并联充电。

正极性电源通过充电电阻R1对电容C2、电容C4和电容C6进行并联充电。充电完成后，电容C2、电容C4和电容C6的电压均为U。

负极性电源通过充电电阻R2对电容C2、电容C4和电容C6进行并联充电。充电完成后，电容C1、电容C3、电容C5和电容C7的电压均为-U。

当所述双极性Marx电路处于正极性放电模式时，IGBT管S3_1、IGBT管S4_1、IGBT管S5_1和IGBT管S2_2导通，IGBT管S3_2、IGBT管S4_2、IGBT管S5_2、IGBT管S2_1、IGBT管S1_1和IGBT管S1_2关断。电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7和电感L1串联，并通过负载R3放电，输出电压V_out1如下所示：

V_out1＝U_C2+U_C3+U_C4+U_C5+U_C6+U_C7-U_L1。 (1)

式中，U_C2为电容C2的电压。U_C3为电容C3的电压。U_C4为电容C4的电压。U_C5为电容C5的电压。U_C6为电容C6的电压。U_C7为电容C7的电压。U_L1为电感L1的电压。

当所述双极性Marx电路系统处于负极性放电模式时，IGBT管S3_2、IGBT管S4_2、IGBT管S5_2和IGBT管S2_1导通，IGBT管S3_1、IGBT管S4_1、IGBT管S5_1、IGBT管S2_2、IGBT管S1_1和IGBT管S1_2关断。电容C1、电容C2和电感L2串联，并通过放电电阻R₃放电，输出电压V_out2为：

V_out2＝U_C1+U_C2-U_L2。 (2)

式中，U_C1为电容C1的电压。U_C2为电容C2的电压。U_L2为电感L2的电压。

所述脉冲变压器系统T主要包括一根非晶纳米晶合金环形磁芯和两段绝缘导线。

一段绝缘导线绕在非晶纳米晶合金环形磁芯上，形成原边绕组线圈。所述原边绕组线圈为所述脉冲变压器系统T的输入端。所述原边绕组线圈的两端并联所述双极性Marx电路系统的放电电阻R₃。

另一段绝缘导线绕在非晶纳米晶合金环形磁芯上，形成副边绕组线圈。所述副边绕组线圈为所述脉冲变压器系统T的输出端。所述副边绕组线圈的两端并联环氧树脂试品电容器Cx。

进一步，所述非晶纳米晶合金环形磁芯的内径为80mm，外径为130mm。

绕制脉冲变压器系统T的步骤如下：

1)将4m长的10kV绝缘导线在非晶纳米晶合金环形磁芯上绕32圈，形成原边绕组线圈。

2)将24m长度的10kV绝缘导线在非晶纳米晶合金在环形磁芯绕192圈，形成副边绕组线圈。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明研制的一种基于双极性Marx电路和脉冲变压器的模块化固态微妙脉冲发生器，在前级Marx发生器满足绝缘要求的情况下，可极大地实现输出电压倍增，同时能起到改善波形的作用。实测结果表明该发生器可以用于研究特高压直流换流阀饱和电抗器环氧树脂绝缘在工频脉冲电压作用下的绝缘失效机制。

附图说明

图1为原理框图；

图2为本发明的主体电路；

图3为双极性Marx电路系统；

图4为双极性Marx电路系统的充电模式；

图5为双极性Marx电路系统的正极性放电模式；

图6为双极性Marx电路系统的负极性放电模式；

图7为IGBT控制信号流程图；

图8为FPGA信号控制信号时序图；

图9为测试模块图；

图10为充电电压300V时的变压器原副边输出波形(正极性)；

图11为充电电压300V时的变压器原副边输出波形(负极性)；

图12为充电电压为100V、200V和300V时负载波形(正极性)；

图13为充电电压为100V、200V和300V时负载波形(负极性)；

图14为重复频率50Hz的输出波形。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，主要包括控制电路、双极性Marx电路系统和脉冲变压器系统T。

所述控制电路产生控制信号。所述控制电路将所述控制信号传递给所述双极性Marx电路系统。

所述控制信号控制所述双极性Marx电路系统中所有IGBT开关管的通断。

所述双极性Marx电路系统通过调节所有IGBT开关管导通和关断的时序，从而控制电路中的电容进行串联放电。

当所述双极性Marx电路系统正极性放电时，电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7串联，并对负载电阻R3放电，电感L2调节正极性波形上升沿。

当所述双极性Marx电路系统负极性放电时，电容C1和电容C2串联，并对负载R3进行放电，电感L1调节负极性波形上升沿。

所述双极性Marx电路系统中的电容放电后，将输出电压传递给所述脉冲变压器系统T。

所述脉冲变压器系统T提高所述输出电压的幅值。所述脉冲变压器系统T保持所述双极性Marx电路系统输出波形的脉宽和上升沿不变。

所述控制电路主要包括信号发生器、电光转换器、光纤驱动器、光纤发射器、光纤分路器和光电转换器。

所述信号发生器的FPGA模块产生n路同步触发电信号I，并将所述n路同步触发电信号传递给电光转换器。

所述电光转换器将所述n路同步触发电信号I转换为n路光信号，并传递给光纤发射器。

所述光纤驱动器驱动所述光纤发射器向所述光纤分路器发射所述n路光信号。

所述光纤分路器将所述n路光信号分开，一条光纤向所述光电转换器传递一路光信号。

所述光电转换器将所述n路光信号转换为n路同步触发电信号II，并将n路同步触发电信号II传递给驱动芯片。

控制信号使用光纤进行传递，可以隔离高压电路对低压控制电路的影响，使系统稳定工作。

本实施例中，高压直流电源输出电压为±300V，双极性Marx电路系统的元件参数设置如表1所示，固态IGBT开关及其控制电路采用另外的PCB电路板设计，整个双极性Marx电路系统实现模块化的特点。电压等级越高，成本越高。

+U

-U

R1/R2

L1

L2

C1/C2/C3/C4/C5/C6/C7

R3

300V

300V

200Ω

47μH

1.8mH

1μF

100Ω

表1双极性Marx电路系统的元件参数

为提高输出电压，在所述双极性Marx电路的放电电阻R3两端并联一个脉冲发生器，使输出电压的幅值成线性放大，同时保持输出波形的脉宽，上升沿不变。

所述驱动芯片处理n路同步触发电信号II，从而产生控制信号。所述控制信号驱动所述双极性Marx电路系统中的IGBT管导通或关断。

所述双极性Marx电路系统的电路结构为：记双极性高压直流电源U₁负极所在的一端为a端，正极所在的一端为b端。所述a端接地。U₁为正极性高压直流电源。U₁的电压值记为U。

所述b端依次串联充电电阻R₁和IGBT管S1_1的漏极。

IGBT管S1_1的栅极悬空。IGBT管S1_1的源极串联二极管D2的正极。二极管D2的负极依次串联电容C2、电感L2和IGBT管S2_2的漏极。IGBT管S2_2的栅极悬空。IGBT管S2_2的源极串联a端。

IGBT管S1_1的源极串联二极管D4的正极。二极管D4的负极依次串联电容C4和IGBT管S3_2的漏极。IGBT管S3_2的栅极悬空。IGBT管S3_2的源极串联电感L2。

IGBT管S1_1的源极串联二极管D6的正极。二极管D6的负极依次串联电容C6和IGBT管S4_2的漏极。IGBT管S4_2的栅极悬空。IGBT管S4_2的源极串联IGBT管S3_2的漏极。

记双极性高压直流电源U₂负极所在的一端为d端，正极所在的一端为e端。e端串联a端后接地。U₂为负极性高压直流电源。U2的电压值记为-U。

电源U₁和电源U₂统称为双极性高压直流电源。

d端依次串联充电电阻R₂和IGBT管S1_2的漏极。

IGBT管S1_2的栅极悬空。IGBT管S1_2的源极串联二极管D1的负极。二极管D1的正极串联电容C1后接入e端。

IGBT管S1_2的源极串联二极管D3的负极。二极管D4的正极依次串联电容C3和IGBT管S3_2的漏极。

IGBT管S1_2的源极串联二极管D5的负极。二极管D5的正极依次串联电容C5和IGBT管S4_2的漏极。

IGBT管S1_2的源极串联二极管D7的负极。二极管D7的正极依次串联电容C7和IGBT管S5_1的漏极。IGBT管S5_1的栅极接地。IGBT管S5_1的源极串联IGBT管S4_2的漏极。

二极管D7的正极依次串联电容C7、放电电阻R₃、电容C1和二极管D1的正极。

二极管D1的正极串联IGBT管S2_1的漏极。IGBT管S2_1的栅极悬空。IGBT管S2_1的源极依次串联电感L1和IGBT管S3_1的漏极。IGBT管S3_1的栅极悬空。IGBT管S3_1的源极串联二极管D3的正极。

二极管D4的负极串联IGBT管S4_1的漏极。IGBT管S4_1的栅极悬空。IGBT管S4_1的源极串联二极管D5的正极。

二极管D6的负极串联IGBT管S5_1的漏极。IGBT管S5_1的栅极悬空。IGBT管S5_1的源极串联二极管D7的正极。

当双极性Marx电路系统处于充电模式时，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6和二极管D7正向导通。

IGBT管S1_2、IGBT管S2_2、IGBT管S3_2、IGBT管S4_2、IGBT管S5_2和IGBT管S1_1导通。IGBT管S2_1、IGBT管S3_1、IGBT管S4_1和IGBT管S5_1断开。

进一步，所述双极性Marx电路系统中，所述双极性高压直流电源U₁和双极性高压直流电源U₂通过充电电阻R1和充电电阻R2对Marx电路中的各级电容进行并联充电。

正极性电源通过充电电阻R1对电容C2、电容C4和电容C6进行并联充电。充电完成后，电容C2、电容C4和电容C6的电压均为U。

负极性电源通过充电电阻R2对电容C2、电容C4和电容C6进行并联充电。充电完成后，电容C1、电容C3、电容C5和电容C7的电压均为-U。

当所述双极性Marx电路处于正极性放电模式时，IGBT管S3_1、IGBT管S4_1、IGBT管S5_1和IGBT管S2_2导通，IGBT管S3_2、IGBT管S4_2、IGBT管S5_2、IGBT管S2_1、IGBT管S1_1和IGBT管S1_2关断。电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7和电感L1串联，并通过负载R3放电，输出电压V_out1如下所示：

V_out1＝U_C2+U_C3+U_C4+U_C5+U_C6+U_C7-U_L1。 (1)

式中，U_C2为电容C2的电压。U_C3为电容C3的电压。U_C4为电容C4的电压。U_C5为电容C5的电压。U_C6为电容C6的电压。U_C7为电容C7的电压。U_L1为电感L1的电压。

当所述双极性Marx电路系统处于负极性放电模式时，IGBT管S3_2、IGBT管S4_2、IGBT管S5_2和IGBT管S2_1导通，IGBT管S3_1、IGBT管S4_1、IGBT管S5_1、IGBT管S2_2、IGBT管S1_1和IGBT管S1_2关断。电容C1、电容C2和电感L2串联，并通过放电电阻R₃放电，输出电压V_out2为：

V_out2＝U_C1+U_C2-U_L2。 (2)

式中，U_C1为电容C1的电压。U_C2为电容C2的电压。U_L2为电感L2的电压。

所述脉冲变压器系统T主要包括一根非晶纳米晶合金环形磁芯和两段绝缘导线。

一段绝缘导线绕在非晶纳米晶合金环形磁芯上，形成原边绕组线圈。所述原边绕组线圈为所述脉冲变压器系统T的输入端。所述原边绕组线圈的两端并联所述双极性Marx电路系统的放电电阻R₃。

另一段绝缘导线绕在非晶纳米晶合金环形磁芯上，形成副边绕组线圈。所述副边绕组线圈为所述脉冲变压器系统T的输出端。所述副边绕组线圈的两端并联环氧树脂试品电容器Cx。

进一步，所述非晶纳米晶合金环形磁芯的内径为80mm，外径为130mm。非晶纳米晶合金环形磁芯的型号为ONL-1308050。

绕制脉冲变压器系统T的步骤如下：

1)将4m长的10kV绝缘导线在非晶纳米晶合金环形磁芯上绕32圈，形成原边绕组线圈。

2)将24m长度的10kV绝缘导线在非晶纳米晶合金在环形磁芯绕192圈，形成副边绕组线圈。

在脉冲变压器设计中，较少的匝数会使得激磁电感减小，激磁电流增加，从而导致损耗增加；而增加匝数会使得漏感增加，导致电压波形畸变。因此，需要合理选择脉冲变压器的匝数。原边匝数如下所示：

式中，e_p和t_c分别为原边脉冲电压和脉冲作用时间；S_e为磁芯有效横截面积，由磁芯大小和填充系数决定；△B_max为磁感应强度变化值。

本文选择0.6Bs作为工作区域进行计算，最终得到N₁≥31.53匝，取N₁＝32匝。副边绕组N₂取192匝。先将4m长度的10kV绝缘导线在非晶纳米晶合金环形磁芯绕32圈，导线的两端作为脉冲变压器的输入端。再将24m长度的10kV绝缘导线在非晶纳米晶合金在环形磁芯绕192圈，导线两端作为输出端，为了减少漏感，所有导线应当紧密绕制在磁芯上。

由于脉冲电压源的输出功率比较小，对绕组的线径要求不高，因此，绕组导线选择内径1.5mm外径3.1mm，耐压10kV的高压导线。脉冲变压器铁心窗口面积Q＝50.24cm²，绕线截面积S_line＝7.52mm²。

为了减少漏感，变压器原边绕组采用三绞线绕制，铁心窗口利用系数K_u如下所示：

式中，S_line为绕线截面积。Q为脉冲变压器铁心窗口面积。N为线圈匝数。

本实施例校核铁心窗口利用系数K_u为0.184,满足要求。

实施例2：

一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器进行测试的实验，主要包括以下步骤：

1)根据图2搭建脉冲发生器电路。

2)搭建如图9所示的发生器测试平台，依据测试要求搭建了测试平台，测试在高压直流电源输入100V、200V和300V的情况下的输出电压波形。

为了验证所提出的脉冲发生器原理，电源的正负极输出各接一个充电电阻，Marx发生器的负载为一个放电电阻。实验所用的电源为苏州达海申DHS-5001型高压直流电源，可以提供±500V、1A的高压直流；电阻为咸阳秦华的大功率电阻。示波器使用泰克的MD03024示波器，带宽2.5GHz；探头使用泰克的高压探头，带宽70MHz，1000倍衰减，最高测试电压20kV，满足测试精度要求。

2)测试一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器的性能；

2.1)脉冲变压器原副边输出电压测试

发生器所接负载，即试品电容Cx为12.5pF的电容，可以很好模拟后续饱和电抗器环氧树脂试样的电容值等效。电容在充电电压300V时，脉冲发生器原副边输出电压测试结果如图10和图11所示。图10为正极性放电输出电压波形，输出正极性最大电压幅值为10.88kV，脉宽为11.40us，上升沿为1.18us。图11为负极性放电输出电压波形，负极性电压幅值为-2.27kV，脉宽为68.20us，上升沿为21.38us，与仿真波形参数比较接近。为了更方便地比较仿真结果、实测结果与需求波形之间的参数，本实施例给出了波形参数偏差，如表2所示。

表2波形参数误差

2.2)不同充电电压下的负载波形

本实施例测试了发生器在充电电压下的输出波形。当充电电压分别为100V、200V、300V时，负载波形如图12和图13所示。图11为正极性输出电压波形，图12为负极性输出电压波形。由图11和图12可以看出随着充电电压的上升，输出脉冲幅值也升高。不同充电电压下，各脉冲的上升沿、下降沿、半高宽等参数几乎一样，符合设计要求。

2.3)重复频率50Hz的电压波形

本实施例测试了发生器在充电电压为0.3kV，重复频率为50Hz时的输出波形，如图14所示。正负脉冲的时间间隔为8ms，在50Hz情况下，该发生器能够稳定输出。

3)测试结论：结合前述对发生器性能测试的结果，为了更方便地比较仿真结果、实测结果与需求波形之间的参数，本实施例给出了三者之间的波形参数偏差，如表2所示。以正极性幅值为参考，即仿真结果中，正极性幅值误差为0，仿真结果的所有波形参数误差都在5％以内，实物测试结果中，波形参数偏差大多在5％以内。由于仿真结果与需求波形存在一定偏差以及脉冲变压器漏感、线路杂散参数的存在，从而导致实测负极性波形的脉宽和幅值与需求波形参数偏差分别为6.4％和9.6％，但实测结果的所有参数与仿真结果的偏差均在5％以内，偏差的存在是合理并且可以接受。

综上所述，本发明提出了一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，该发生器基于双极性Marx电路和脉冲变压器的新型拓扑结构，采用了模块化设计的新型拓扑结构来产生工频微秒脉冲。发生器的新型拓扑结构利用双极性Marx电路和脉冲变压器的优势，在前级Marx电路IGBT满足绝缘要求的情况下，可极大地实现输出电压倍增，同时能起到改善波形的作用。搭建的脉冲发生器产生的高压微秒脉冲可以很好地模拟饱和电抗器环氧树脂承受的电气应力，表明该发生器可以用于研究特高压直流换流阀饱和电抗器环氧树脂绝缘在工频脉冲电压作用下的绝缘失效机制。

Claims (7)

1.一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，其特征在于：主要包括所述控制电路、双极性Marx电路系统和脉冲变压器系统T；

所述控制电路产生控制信号；所述控制电路将所述控制信号传递给所述双极性Marx电路系统；

所述控制信号控制所述双极性Marx电路系统中所有IGBT开关管的通断；

所述双极性Marx电路系统通过调节所有IGBT开关管导通和关断的时序，从而控制电路中的电容进行串联放电；

当所述双极性Marx电路系统正极性放电时，电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7串联，并对负载电阻R3放电，电感L2调节正极性波形上升沿；

当所述双极性Marx电路系统负极性放电时，电容C1和电容C2串联，并对负载R3进行放电，电感L1调节负极性波形上升沿；

所述双极性Marx电路系统中的电容放电后，将输出电压传递给所述脉冲变压器系统T；

所述脉冲变压器系统T提高所述输出电压的幅值；所述脉冲变压器系统T保持所述双极性Marx电路系统输出波形的脉宽和上升沿不变。

2.根据权利要求1所述的一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，其特征在于：所述控制电路主要包括信号发生器、电光转换器、光纤驱动器、光纤发射器、光纤分路器和光电转换器；

所述信号发生器的FPGA模块产生n路同步触发电信号I，并将所述n路同步触发电信号传递给电光转换器；

所述电光转换器将所述n路同步触发电信号I转换为n路光信号，并传递给光纤发射器；

所述光纤驱动器驱动所述光纤发射器向所述光纤分路器发射所述n路光信号；

所述光纤分路器将所述n路光信号分开，一条光纤向所述光电转换器传递一路光信号；

所述光电转换器将所述n路光信号转换为n路同步触发电信号II，并将n路同步触发电信号II传递给驱动芯片；

所述驱动芯片处理n路同步触发电信号II，从而产生控制信号；所述控制信号驱动所述双极性Marx电路系统中的IGBT管导通或关断。

3.根据权利要求1所述的一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，其特征在于，所述双极性Marx电路系统的电路结构为：记双极性高压直流电源U₁负极所在的一端为a端，正极所在的一端为b端；所述a端接地；

所述b端依次串联充电电阻R₁和IGBT管S1_1的漏极；

IGBT管S1_1的栅极悬空；IGBT管S1_1的源极串联二极管D2的正极；二极管D2的负极依次串联电容C2、电感L2和IGBT管S2_2的漏极；IGBT管S2_2的栅极悬空；IGBT管S2_2的源极串联a端；

IGBT管S1_1的源极串联二极管D4的正极；二极管D4的负极依次串联电容C4和IGBT管S3_2的漏极；IGBT管S3_2的栅极悬空；IGBT管S3_2的源极串联电感L2；

IGBT管S1_1的源极串联二极管D6的正极；二极管D6的负极依次串联电容C6和IGBT管S4_2的漏极；IGBT管S4_2的栅极悬空；IGBT管S4_2的源极串联IGBT管S3_2的漏极；

记双极性高压直流电源U₂负极所在的一端为d端，正极所在的一端为e端；e端串联a端后接地；

d端依次串联充电电阻R₂和IGBT管S1_2的漏极；

IGBT管S1_2的栅极悬空；IGBT管S1_2的源极串联二极管D1的负极；二极管D1的正极串联电容C1后接入e端；

IGBT管S1_2的源极串联二极管D3的负极；二极管D4的正极依次串联电容C3和IGBT管S3_2的漏极；

IGBT管S1_2的源极串联二极管D5的负极；二极管D5的正极依次串联电容C5和IGBT管S4_2的漏极；

IGBT管S1_2的源极串联二极管D7的负极；二极管D7的正极依次串联电容C7和IGBT管S5_1的漏极；IGBT管S5_1的栅极接地；IGBT管S5_1的源极串联IGBT管S4_2的漏极；

二极管D7的正极依次串联电容C7、放电电阻R₃、电容C1和二极管D1的正极；

二极管D1的正极串联IGBT管S2_1的漏极；IGBT管S2_1的栅极悬空；IGBT管S2_1的源极依次串联电感L1和IGBT管S3_1的漏极；IGBT管S3_1的栅极悬空；IGBT管S3_1的源极串联二极管D3的正极；

二极管D4的负极串联IGBT管S4_1的漏极；IGBT管S4_1的栅极悬空；IGBT管S4_1的源极串联二极管D5的正极；

二极管D6的负极串联IGBT管S5_1的漏极；IGBT管S5_1的栅极悬空；IGBT管S5_1的源极串联二极管D7的正极；

当双极性Marx电路系统处于充电模式时，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6和二极管D7正向导通；

IGBT管S1_2、IGBT管S2_2、IGBT管S3_2、IGBT管S4_2、IGBT管S5_2和IGBT管S1_1导通；IGBT管S2_1、IGBT管S3_1、IGBT管S4_1和IGBT管S5_1断开；

正极性电源通过充电电阻R1对电容C2、电容C4和电容C6进行并联充电；充电完成后，电容C2、电容C4和电容C6的电压均为U；

负极性电源通过充电电阻R2对电容C2、电容C4和电容C6进行并联充电；充电完成后，电容C1、电容C3、电容C5和电容C7的电压均为-U；

当所述双极性Marx电路处于正极性放电模式时，IGBT管S3_1、IGBT管S4_1、IGBT管S5_1和IGBT管S2_2导通，IGBT管S3_2、IGBT管S4_2、IGBT管S5_2、IGBT管S2_1、IGBT管S1_1和IGBT管S1_2关断；电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7和电感L1串联，并通过负载R3放电，输出电压V_out1如下所示：

V_out1＝U_C2+U_C3+U_C4+U_C5+U_C6+U_C7-U_L1； (1)

式中，U_C2为电容C2的电压；U_C3为电容C3的电压；U_C4为电容C4的电压；U_C5为电容C5的电压；U_C6为电容C6的电压；U_C7为电容C7的电压；U_L1为电感L1的电压；

当所述双极性Marx电路系统处于负极性放电模式时，IGBT管S3_2、IGBT管S4_2、IGBT管S5_2和IGBT管S2_1导通，IGBT管S3_1、IGBT管S4_1、IGBT管S5_1、IGBT管S2_2、IGBT管S1_1和IGBT管S1_2关断；电容C1、电容C2和电感L2串联，并通过放电电阻R₃放电，输出电压V_out2为：

V_out2＝U_C1+U_C2-U_L2； (2)

式中，U_C1为电容C1的电压；U_C2为电容C2的电压；U_L2为电感L2的电压。

4.根据权利要求1所述的一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，其特征在于：所述脉冲变压器系统T主要包括一根非晶纳米晶合金环形磁芯和两段绝缘导线。

一段绝缘导线绕在非晶纳米晶合金环形磁芯上，形成原边绕组线圈；所述原边绕组线圈为所述脉冲变压器系统T的输入端；所述原边绕组线圈的两端并联所述双极性Marx电路系统的放电电阻R₃；

另一段绝缘导线绕在非晶纳米晶合金环形磁芯上，形成副边绕组线圈；所述副边绕组线圈为所述脉冲变压器系统T的输出端；所述副边绕组线圈的两端并联环氧树脂试品电容器Cx。

5.根据权利要求1所述的一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，其特征在于：所述双极性Marx电路系统中，所述双极性高压直流电源U₁和双极性高压直流电源U₂通过充电电阻R1和充电电阻R2对Marx电路中的各级电容进行并联充电。

6.根据权利要求1所述的一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，其特征在于：所述非晶纳米晶合金环形磁芯的内径为80mm，外径为130mm。

7.根据权利要求1所述的一种模拟饱和电抗器绝缘电气应力的模块化固态微秒脉冲发生器，其特征在于，绕制脉冲变压器系统T的步骤如下：

1)将4m长的10kV绝缘导线在非晶纳米晶合金环形磁芯上绕32圈，形成原边绕组线圈；

2)将24m长度的10kV绝缘导线在非晶纳米晶合金在环形磁芯绕192圈，形成副边绕组线圈。