CN109995265B - 程控高压重频纳秒脉冲电源、系统及控制方法 - Google Patents

程控高压重频纳秒脉冲电源、系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提出了程控高压重频纳秒脉冲电源、系统及控制方法，包括：储能电容、初级电容、第一磁开关、第二磁开关、脉冲变压器及两个次级电容；所述储能电容通过单向二极管和电感为初级电容充电，同时将与初级电容串联的第一磁开关和脉冲变压器的磁芯复位，之后控制脉冲变压器饱和；所述脉冲变压器饱和后，与脉冲变压器次级相并联的次级电容与脉冲变压器次级发生震荡，该次级电容电压迅速反转，并与另一个次级电容的电压叠加，作用在第二磁开关上，第二磁开关饱和后，在负载电阻上形成陡前沿高压脉冲。采用谐振充电技术，实现对脉冲幅值的实时精确调整，摆脱了直流电源功率对脉冲频率的限制。

Description

程控高压重频纳秒脉冲电源、系统及控制方法
技术领域
本公开涉及脉冲功率源技术领域，特别是涉及程控高压重频纳秒脉冲电源、系统及控制方法。
背景技术
近年来非平衡等离子体在辅助燃烧和流动控制方面表现出一些独特优势，成为相关领域的研究热点。纳秒脉冲放电能非常高效地产生非平衡等离子体，而且产生的等离子体性质可以通过调整放电电压幅值、频率等参数来改变，非常有利于对燃烧和流动过程进行灵活控制。因此纳秒脉冲放电在非平衡等离子体助燃与流动控制方面有很大的应用潜力。燃烧反应器和流体机械中常存在一些瞬变工况，为了应对工作状态或者控制策略的转变，需要纳秒脉冲电源具有很高的灵活性，能够快速调整脉冲幅值、频率等参数。
常用的纳秒脉冲发生方式有脉冲成型线，MARX发生器，脉冲变压器等。使用脉冲成型线产生高压纳秒脉冲，装置体积巨大，输出脉冲参数难以调整。MARX发生器等多开关同步控制的纳秒脉冲电源，可以调整输出脉冲参数，但是由于同时使用很多开关管，装置体积也很大，可靠性也较难保证。在保证输出脉冲参数相当的情况下，基于脉冲变压器和磁压缩的脉冲电源体积要紧凑很多，可靠性也很高，比较适合于实际应用。
发明人在研究中发现，目前基于脉冲变压器和磁压缩的脉冲电源都采用高压直流电源直接为储能电容充电，直流电源电压直接决定储能电容电压，难以通过程序对脉冲幅值进行实时的精确调整；限于直流电源功率，脉冲重复频率也较低(<10kHz)；另外磁开关工作点单一，偏离最佳工作点后脉冲电源运行效率低。这些都是亟待解决的问题。
发明内容
本说明书实施方式的目的是提供程控高压重频纳秒脉冲电源，在基于脉冲变压器和磁压缩的脉冲电源的基础上，采用谐振充电技术控制储能电容电压，达到对脉冲幅值进行实时精确调整的目的。
本说明书实施方式提供程控高压重频纳秒脉冲电源，通过以下技术方案实现：
包括：
储能电容、初级电容、第一磁开关、第二磁开关、脉冲变压器及两个次级电容；
所述储能电容通过开关、单向二极管和电感为初级电容充电，实现谐振充电控制，同时将与初级电容串联的第一磁开关和脉冲变压器的磁芯复位，之后调整脉冲变压器的饱和时刻；然后初级电容通过脉冲变压器为次级电容充电，该过程中脉冲变压器饱和；
所述脉冲变压器饱和后，与脉冲变压器次级相并联的次级电容与脉冲变压器次级发生震荡，该次级电容电压迅速反转，并与另一个次级电容的电压叠加，作用在第二磁开关上，第二磁开关饱和后，在负载电阻上形成陡前沿高压脉冲。
本说明书另一实施方式提供程控高压重频纳秒脉冲电源的控制系统，通过以下技术方案实现：
包括：
控制器，所述控制器分别与程控高压重频纳秒脉冲电源相连，控制所述电源的工作状态。
本说明书另一实施方式提供程控高压重频纳秒脉冲电源的控制方法，通过以下技术方案实现：
包括：
利用开关控制储能电容通过单向二极管和电感为初级电容充电，同时将与初级电容串联的第一磁开关和脉冲变压器的磁芯复位，之后使脉冲变压器预先产生一定的磁通摆幅，进而控制其饱和时刻；
在脉冲变压器饱和后，与脉冲变压器次级相并联的次级电容与脉冲变压器次级发生震荡，该次级电容电压迅速反转，并与另一个次级电容的电压叠加，作用在第二磁开关上，第二磁开关饱和后，在负载电阻上形成陡前沿高压脉冲。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开采用谐振充电技术，实现对脉冲幅值的实时精确调整，摆脱了直流电源功率对脉冲频率的限制，在小功率下也能达到很高(>20kHz)的瞬时脉冲重复频率。提出可控磁压缩技术控制脉冲变压器的饱和时刻，扩大了脉冲电源的高效区。
本公开纳秒脉冲电源体积小、可靠性高、控制灵活性高，适合于非平衡等离子体辅助燃烧及流动控制领域的民用及科研工作。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开的实施例子一基于谐振充电和可控磁压缩的程控高压重频纳秒脉冲电源拓扑结构；
图2是本公开的实施例子二的基于谐振充电和可控磁压缩的程控高压重频纳秒脉冲电源拓扑结构；
图3(a)-图3(c)是本公开的实施例子二在不同谐振充电控制参数下，初级电容的充电波形以及负载上的输出脉冲波形；
图4(a)-图4(c)是本公开的实施例子二在不同的磁压缩控制参数下，脉冲变压器PT的次级磁通量和次级电压波形。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例子一
该实施例公开了程控高压重频纳秒脉冲电源，具体的电路拓扑结构参见附图1所示，包括：储能电容C0，固态开关S1，二极管D1、二极管D2，电感L，固态开关S2，固态开关S3，电阻R，初级电容C1，磁开关MS1，脉冲变压器PT，次级电容C2、次级电容C3，磁开关MS2，二极管D3,负载电阻RL。
在该实施例中，固态开关指的是IGBT、MOS等半导体开关，通过改变GC极(IGBT)或者GS极(MOS)电压来控制导通与关断。磁开关是利用磁性材料的饱和特性实现的一种可变电抗器，磁性材料未饱和时，感抗很大，相当于断路；饱和后，感抗很小，相当于短路。
固态开关控制方便，耐压低通流小；磁开关特性刚好相反。
在该实施例中，储能电容C0通过二极管D1为初级电容C1充电；电感L通过二极管D2续流；初级电容C1通过二极管D3为次级电容C3充电。
在该实施例中，储能电容C0,固态开关S1,二极管D1,电感L,初级电容C1,磁开关MS1与脉冲变压器PT初级依次串联；二极管D2负极与二极管D1负极和电感L相连，二极管D2正极接地；固态开关S2高压侧与电感L及初级电容C1相连，固态开关S2低压侧接地；固态开关S3与电阻R串联后与固态开关S2并联；次级电容C2直接并联在脉冲变压器PT次级，并与次级电容C3，磁开关MS2和二极管D3依次串联；二极管D3负极与磁开关MS2相连；负载电阻RL与二极管D3并联。
磁开关MS1和脉冲变压器PT初级同时位于初级电容C1的充放电回路中，初级电容C1充电的同时能将磁开关MS1和脉冲变压器PT的磁芯复位，充电过程与放电过程的电流相反，磁芯被反向磁化，不需要额外的磁芯复位电路，利于提高脉冲重复频率；提高了磁芯利用率，可以减小装置体积。
初级回路使用磁开关MS1，在固态开关S2导通初期，磁开关MS1未饱和，回路电流很小，使固态开关S2的导通损耗减小。
初级电容C1充电完毕后，在固态开关S3的控制下，初级电容C1通过电阻R和脉冲变压器PT放电，使脉冲变压器PT的磁芯产生一定的磁通摆幅，可以控制脉冲变压器PT饱和所需的磁通量。特别地，在不采用固态开关S3与R的情况下，也能通过控制初级电容C1充电完毕到固态开关S2开启前的时间间隔来改变脉冲变压器PT饱和所需的磁通量，控制脉冲变压器PT饱和时刻。
磁芯能通过的总的磁通量是固定的，累计达到总量就饱和。通过固态开关S3使磁芯中预先产生一些磁通量，固态开关S3开通时间越长，预先产生的磁通量越多，饱和所需要的磁通量也就越少。
在固态开关S1的控制下，储能电容C0通过二极管D1和电感L为初级电容C1充电，固态开关S1断开后若电感L中仍有电流，电感L通过二极管D2继续为初级电容C1充电。通过控制固态开关S1的导通时间，可以控制充电完毕后初级电容C1的电压。
上述电路拓扑结构的工作原理：直流电源为储能电容C0充电；在固态开关S1的控制下，储能电容C0通过二极管D1和电感L为初级电容C1充电，同时将磁开关MS1和脉冲变压器PT的磁芯复位。
固态开关S1断开后若电感L中仍有电流，L通过二极管D2继续为初级电容C1充电；初级电容C1充电完毕后，在固态开关S3的控制下，初级电容C1通过电阻R和脉冲变压器PT放电，使脉冲变压器PT的磁芯产生一定的磁通摆幅，以控制脉冲变压器PT饱和所需的磁通量。
在该实施例子中，固态开关S2导通初期，磁开关MS1未饱和，回路电流很小，使固态开关S2的导通损耗减小；固态开关S2完全导通，磁开关MS1饱和后，初级电容C1通过脉冲变压器PT将能量迅速传递至次级电容C2、次级电容C3，同时将磁开关MS2复位。磁芯饱和后，磁开关近似短路，必须将其反向磁化，恢复其感抗，才能在后续过程中起到压缩脉冲上升时间的作用。
脉冲变压器PT饱和后，次级电容C2与脉冲变压器PT次级发生震荡，次级电容C2电压迅速反转，并与次级电容C3的电压叠加，作用在磁开关MS2上；磁开关MS2饱和后，在负载电阻RL上形成陡前沿高压脉冲。
实施例子二
该实施例公开了程控高压重频纳秒脉冲电源，具体的电路拓扑结构参见附图2所示，该实施例与实施例子一在电路拓扑结构上的不同在于去掉了固态开关S3及电阻R。
在该实施例子中，由于固态开关关闭时的阻抗不可能为无限大，在实际电路中，即使不采用固态开关S3与电阻R，固态开关S2关闭时，初级电容C1也能通过其关闭阻抗放电，使脉冲变压器PT产生一定的磁通摆幅。如此也能通过控制初级电容C1充电完毕到固态开关S2开启前的时间间隔来控制脉冲变压器PT饱和所需的磁通量，达到调整脉冲变压器PT饱和时刻，提高电路能量传递效率的目的。
具体的，该电源通过控制固态开关S1的导通时间(t1)来控制初级电容C1的电压；通过控制固态开关S1关闭到固态开关S2开启的死区时间(t2)来调整脉冲变压器PT饱和时刻；通过固态开关S2控制初级电容C1放电，产生高压脉冲。
实施例子三
该实施例公开了程控高压重频纳秒脉冲电源的控制系统，该控制系统包括控制器，所述控制器控制固态开关的工作状态，从而实现对程控高压重频纳秒脉冲电源的高压脉冲的产生。
对于实施例一中的程控高压重频纳秒脉冲电源，所述控制器与固态开关S1、固态开关S2及固态开关S3相连，控制固态开关S1、固态开关S2及固态开关S3的工作状态及工作时间。
对于实施例二中的程控高压重频纳秒脉冲电源，所述控制器与固态开关S1、固态开关S2相连，控制固态开关S1、固态开关S2的工作状态及工作时间。
具体的，该控制系统对应的控制方法，包括：
1)控制固态开关S1导通后，储能电容C0通过二极管D1和电感L为初级电容C1充电，半个谐振周期后，初级电容C1的电压接近储能电容C0的两倍(初级电容C1值远大于储能电容C0的值)。固态开关S1提前关断，电感L中的剩余能量会继续传递到初级电容C1中，但初级电容C1的最终电压会比固态开关S1一直开通时要低。固态开关S1的导通时间小于半个谐振周期时，导通时间越小，初级电容C1的最终电压越低。可以根据实际电路参数求得谐振充电的数学模型，或者根据实际测试结果拟合或查表，得到固态开关S1导通时间与初级电容C1最终电压的关系。如此可以通过对固态开关S1导通时间的控制，精确控制初级电容C1的电压，进而控制输出脉冲幅值。
在该实施例子中，储能电容C0，电感L和初级电容C1形成谐振回路，近似于CLC谐振。
2)由于电路结构固定，固态开关S2开通后初级电容C1与次级电容C2、次级电容C3的谐振频率也固定，半个谐振周期后，次级电容C2、次级电容C3电压达到峰值，初次级的能量传递效率最高。如果脉冲变压器PT此时正好饱和，次级电容C2反转后的峰值最大。初级电容C1充电结束后，脉冲变压器PT的磁芯刚复位完毕，假如立即开通固态开关S2，如果初级电容C1的电压为最大设计值时，脉冲变压器PT正好在半个谐振周期饱和，那么当初级电容C1电压小于最大设计值时，脉冲变压器PT的饱和时刻必然滞后，此时次级电容的能量会部分回到初级电容，能量传递效率降低。
因此，在固态开关S2开通前，先开通固态开关S3，利用电阻R限制放电电流，使初级电容C1能量消耗尽量小，同时使脉冲变压器PT磁芯产生一定的磁通摆幅。这样脉冲变压器PT饱和所需的磁通量就会减小，即使在初级电容C1电压小于最大设计值时，脉冲变压器PT也能正好在半个谐振周期后饱和，提高系统的能量传递效率。
同样，通过求解电路的数学模型或根据实际测试结果拟合或查表，能得到与初级电容C1电压对应的最佳的固态开关S3开通时间。
在另一实施例中，特别地，由于固态开关关闭时的阻抗不可能为无限大，在实际电路中，即使不采用固态开关S3与电阻R，固态开关S2关闭时，初级电容C1也能通过其关闭阻抗放电，使脉冲变压器PT产生一定的磁通摆幅。如此也能通过控制初级电容C1充电完毕到固态开关S2开启前的时间间隔来控制脉冲变压器PT饱和所需的磁通量，达到调整脉冲变压器PT饱和时刻，提高电路能量传递效率的目的。
3)经过如下3个步骤产生一个电脉冲：(1)控制固态开关S1的导通时间控制初级电容C1电压；(2)初级电容C1充电完毕后，控制固态开关S3的导通时间调整脉冲变压器PT饱和时刻；(3)开通固态开关S2，初级电容C1通过后端的脉冲成型网络释放能量，在负载上产生高压纳秒脉冲。
4)重复上述3)中的3个步骤，可以产生高频重复脉冲。
当电路拓扑中没有固态开关S3及电阻R时，(2)过程可以省略。
本公开的实施例子采用谐振充电技术，实现对脉冲幅值的实时精确调整，摆脱了直流电源功率对脉冲频率的限制，在小功率下也能达到很高(>20kHz)的瞬时脉冲重复频率。提出可控磁压缩技术控制脉冲变压器的饱和时刻，扩大了脉冲电源的高效区。该纳秒脉冲电源体积小、可靠性高、控制灵活性高，适合于非平衡等离子体辅助燃烧及流动控制领域的民用及科研工作。
该实施例公开了程控高压重频纳秒脉冲电源的具体应用，利用该程控高压重频纳秒脉冲电源产生的高频重复脉冲，产生非平衡等离子体。
在一实施例中，非平衡等离子体设备，该设备包括上述程控高压重频纳秒脉冲电源，该设备利用程控高压重频纳秒脉冲电源产生高频重复脉冲，利用高频重复脉冲放电能非常高效地产生非平衡等离子体。
为了更好的说明本公开技术方案的可行性及效果的显著性，附图3是该实例二下，不同导通时间(t1)对应的初级电容C1的充电波形以及负载上的输出脉冲波形。导通时间(t1)、初级电容C1充电结束后的电压(VC1)以及输出脉冲幅值的对应值如表1。
表1
Figure BDA0002040024580000101
图3(a)-图3(c)和表1表明，随着导通时间t1的减小，初级电容C1的充电电压降低，输出脉冲幅值降低。通过控制固态开关S1的导通时间t1能实时准确地控制输出脉冲幅值。从初级电容C1充电开始，到输出脉冲结束，所用时间少于50us，脉冲重复频率可达20kHz以上。减小电感L的电感值，能加快初级电容C1的充电过程，获得更高的脉冲重复频率。
图4(a)-图4(c)是该实例下，不同死区时间(t2)对应的脉冲变压器PT的次级磁通量和次级电压波形。
死区时间(t2)、次级磁通摆幅(ΔΦ)、PT饱和时间(t3)以及次级反转电压峰值的对应值如表2。
表2
Figure BDA0002040024580000111
图4(a)-图4(c)和表2表明，死区时间(t2)越大，脉冲变压器PT的次级磁通摆幅(ΔΦ)越大，PT饱和所需时间缩短，次级反转电压峰值提高。通过控制死区时间，能使脉冲变压器PT正好在半个谐振周期后饱和，提高系统的能量传递效率。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.程控高压重频纳秒脉冲电源，其特征是，包括：
储能电容、初级电容、第一磁开关、第二磁开关、脉冲变压器及两个次级电容；
所述储能电容通过第一固态开关、单向二极管和电感为初级电容充电，实现谐振充电控制，同时将与初级电容串联的第一磁开关和脉冲变压器的磁芯复位，之后调整控制脉冲变压器的饱和时刻；然后初级电容通过脉冲变压器为与脉冲变压器次级并联的次级电容充电，充电过程中脉冲变压器饱和；
所述脉冲变压器饱和后，与脉冲变压器次级相并联的次级电容与脉冲变压器次级发生震荡，该次级电容电压迅速反转，并与另一个次级电容的电压叠加，作用在第二磁开关上，第二磁开关饱和后，在负载电阻上形成陡前沿高压脉冲；
第一固态开关设置在储能电容与单向二极管之间，在第一固态开关的控制下，储能电容通过单向二极管和电感为初级电容充电；
第二固态开关高压侧与电感及初级电容相连，第二固态开关低压侧接地，第二固态开关完全导通，第一磁开关饱和后，初级电容通过脉冲变压器将能量迅速传递至两个次级电容，同时将第二磁开关复位；
第三固态开关与电阻串联后与第二固态开关并联，初级电容充电完毕后，在第三固态开关的控制下，初级电容通过电阻和脉冲变压器放电，使脉冲变压器的磁芯产生一定的磁通摆幅，控制脉冲变压器饱和所需的磁通量。
2.如权利要求1所述的程控高压重频纳秒脉冲电源，其特征是，还包括续流二极管，所述续流二极管负极与单向二极管负极和电感相连，续流二极管正极接地。
3.如权利要求1所述的程控高压重频纳秒脉冲电源，其特征是，负载电阻还并联有另一单向二极管。
4.程控高压重频纳秒脉冲电源的控制系统，其特征是，包括：
控制器，所述控制器分别与权利要求1-3任一所述的程控高压重频纳秒脉冲电源相连，控制所述电源的工作状态。
5.如权利要求1-3任一所述的程控高压重频纳秒脉冲电源的控制方法，其特征是，包括：
利用第一固态开关控制储能电容通过单向二极管和电感为初级电容充电，同时将与初级电容串联的第一磁开关和脉冲变压器的磁芯复位，之后控制脉冲变压器饱和；
在脉冲变压器饱和后，与脉冲变压器次级相并联的次级电容与脉冲变压器次级发生震荡，该次级电容电压迅速反转，并与另一个次级电容的电压叠加，作用在第二磁开关上，第二磁开关饱和后，在负载电阻上形成陡前沿高压脉冲；
通过控制初级电容充电完毕到第二固态开关开启前的时间间隔来控制脉冲变压器饱和所需的磁通量，达到调整脉冲变压器PT饱和时刻；
或在第二固态开关开通前，先开通第三固态开关，利用电阻限制放电电流，使初级电容能量消耗尽量小，同时使脉冲变压器磁芯产生一定的磁通摆幅。
6.非平衡等离子体设备，其特征是，包括权利要求1-3任一所述的程控高压重频纳秒脉冲电源，该设备利用程控高压重频纳秒脉冲电源产生高频重复脉冲，利用高频重复脉冲放电产生非平衡等离子体。
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