CN112054786A - 一种纳秒高压脉冲电源、臭氧发生器和静电除尘器 - Google Patents
一种纳秒高压脉冲电源、臭氧发生器和静电除尘器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及高压脉冲电源技术领域，具体涉及一种纳秒高压脉冲电源、臭氧发生器和静电除尘器，解决了现有技术中纳秒脉冲电源存在脉冲输出特性不能满足需求、可靠性差、结构复杂、成本高且技术难度大、缺乏经济性的问题；所述纳秒高压脉冲电源包括叠加的多个直线变压器驱动源模块，与所述多个直线变压器驱动源模块连接的触发控制模块；所述触发控制模块用于发送触发信号到每个直线变压器驱动源模块；所述直线变压器驱动源模块用于响应触发信号输出脉冲电源信号；本发明用于臭氧发生器，解决其生产效率低、电力能耗高、经济性较差的问题；用于静电除尘器，可实现直流叠加纳秒高压脉冲输出，从而实现多种烟气污染物的一体化脱除。
Description
技术领域
本发明涉及高压脉冲电源技术领域，特别地涉及一种纳秒高压脉冲电源、基于该纳秒高压脉冲电源的臭氧发生器和静电除尘器。
背景技术
臭氧具有极强的氧化能力，氧化的条件要求较低，并且不会造成二次污染，因此被广泛应用于水净化、医疗设备及餐具消毒、食品加工等领域。近年来，随着烟气污染物排放标准不断提高，对于绿色、环保、安全、经济的污染物治理技术的追求，臭氧在烟气污染物处理方面的应用越来越广泛，利用其强氧化性用于燃煤电厂的硫、氮氧化物，汞等多种污染物的联合脱除，臭氧具有非常广阔的应用前景。
当前，臭氧的制备方法有四种，分别是放射化学法、电解法、紫外线照射法、介质阻挡放电法，其中，使用最广泛的是介质阻挡放电法，利用该方法可以大规模地制备臭氧，也是目前工业化制备臭氧最主要的方法。制备臭氧通过臭氧发生器生成臭氧，其工作原理是在臭氧反应器的正、负放电电极之间覆盖绝缘介质，比如玻璃、陶瓷或搪瓷等，采用高频交流电源，通过交变的电场在电极间隙中形成大量随机的微放电，微放电中产生大量的带电粒子，这些带电粒子和氧气或空气发生作用便生成臭氧。
现有臭氧发生器中，广泛使用的电源是高频交流电源，其电路原理是将电网输入的工频交流电整流，然后逆变成高频交流电压，再经过高频变压器升压输出频率为0.4～20kHz，电压为3～20kV的高频高压交流电。这种采用高频交流电源驱动臭氧反应器发生交流介质阻挡放电产生臭氧的臭氧发生器，产生臭氧的机理是高能电子与氧气分子O2碰撞分解产生氧原子O，氧原子O与氧气分子结合形成臭氧O3，因此对臭氧生成有贡献的是电子能量；交流介质阻挡放电由于高电压的作用时间持续，导致离子在电场中被加速运动，因此浪费了大量的无效能量在离子的运动上，存在臭氧生产效率低的问题；而且，离子运动速度加快会产生大量的热量，约90％的能量都用于发热，如果不进行冷却，生成的臭氧会因为温度过高而大量分解，通常需要水冷却装置，因此又存在电力能耗高、需要复杂的冷却装置等问题，从而导致制备臭氧的成本偏高，经济效益差，低效耗能。
目前，有一些方案通过采用微秒脉冲电源来解决上述问题，比如专利号为CN201410015563.8、名称为“一种基于双极性脉冲电源的臭氧发生系统”的发明专利，包括气源、臭氧发生器、冷却装置、以及向臭氧发生器供电的双极性脉冲电源，通过采用双极性脉冲电源为供电电源，避免传统电源大部分能量的振荡损耗，提高臭氧反应器的能量注入，快速建立强电场，减少臭氧发生器放电管的发热量，以此提高臭氧产量和臭氧生成能效。这种双极性脉冲电源的脉冲宽度为微秒级，脉宽为10～200μs，脉冲频率为0.05～20kHz，输出功率为0～10kW，但这还不能满足臭氧发生器的百纳秒级窄脉宽、30kV高峰值电压和1kHz以上高重复频率的参数要求。
另一方面，我国燃煤电厂燃煤发电机组的烟气污染物控制技术正朝着“超低排放”的方向发展，“超低排放”的排放限值为在基准氧含量6％条件下，烟尘、SO2、NOx排放浓度分别不高于10、35、50mg/m3，未来环保标准和排放控制标准将日趋严格，对燃煤电厂烟气污染物的脱除技术提出了更高的要求。当前采用的烟气污染物脱除方法是针对每种污染物采取单独的脱除技术，如采用静电除尘器进行除尘、采用选择性催化还原技术进行烟气脱硝、采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术进行脱硫，这种设备各自独立的脱除技术存在设备结构复杂、运行维护成本高、能耗高的问题。
目前，有提出在原有静电除尘器中采用高压脉冲电源装置给除尘反应器供电，来进行烟气污染物脱除的方案，但这种静电除尘器中高压脉冲电源装置的输出要求是百纳秒级窄脉宽、60kV以上的高峰值电压和1kHz以上的高重复频率。因此，高压脉冲电源装置中需采用纳秒脉冲电源，但目前的纳秒脉冲电源还不能很好地满足上述需求。
而现有的纳秒脉冲电源一般有四种，分别是基于火花间隙开关的纳秒脉冲电源、基于磁压缩开关的纳秒脉冲电源、基于氢闸流管的纳秒脉冲电源和基于半导体断路开关的纳秒脉冲电源。其中，基于火花间隙开关的纳秒脉冲电源由于气体绝缘恢复时间较长，在高电压等级下的运行频率很难超过100Hz；基于磁压缩开关的纳秒脉冲电源结构比较复杂，较难实现小型化和低成本化；基于氢闸流管的纳秒脉冲电源和基于半导体断路开关的纳秒脉冲电源单独使用一个高压开关，对高压开关技术的要求特别高，因而成本也特别高，技术难度大，且开关电压等级不是很高，脉冲重复频率参数较低且难以进一步提高，导致应用范围受限制，多在实验室使用。因此，上述现有的纳秒脉冲电源仍然存在较多缺陷，均不适合应用到采用介质阻挡放电法的臭氧发生器中和静电除尘器的高压脉冲电源装置中。
因此，本发明基于上述问题，提供一种具有百纳秒级窄脉宽、高峰值电压和高重复频率的纳秒高压脉冲电源，并提供一种能够提高臭氧生产效率、低电力消耗且具有经济性的基于该纳秒高压脉冲电源的臭氧发生器，还提供一种能够稳定运行、且具有良好的脉冲输出特性，能一体化脱除多种烟气污染物的基于该纳秒高压脉冲电源的静电除尘器。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述问题，本发明提供了一种纳秒高压脉冲电源、臭氧发生器和静电除尘器，通过触发控制模块发送触发信号到每个直线变压器驱动源模块，再通过直线变压器驱动源模块响应触发信号输出可调节脉冲峰值电压、脉冲重复频率和脉冲宽度的脉冲电源信号，解决了现有技术的纳秒脉冲电源存在脉冲输出特性不能满足需求、可靠性差、结构复杂、成本高且技术难度大、缺乏经济性的问题，达到使纳秒高压脉冲电源满足多种使用需求，提高可靠性和经济性的目的。
本发明采用的技术方案如下：
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种纳秒高压脉冲电源，包括叠加的多个直线变压器驱动源模块，与所述多个直线变压器驱动源模块连接的触发控制模块；
所述触发控制模块用于发送触发信号到每个直线变压器驱动源模块；
所述直线变压器驱动源模块用于响应触发信号输出脉冲电源信号。
根据本发明的实施例，可选的，上述纳秒高压脉冲电源中，每个所述直线变压器驱动源模块包括并联的多个电路单元，以及与所述并联的多个电路单元连接的磁芯变压单元；其中，所述电路单元用于输出脉冲电源信号，所述磁芯变压单元用于将电路单元输出的脉冲电源信号耦合到负载端；
所述多个直线变压器驱动源模块通过对应的多个磁芯变压单元的磁芯副边侧串联实现叠加。
根据本发明的实施例，可选的，上述纳秒高压脉冲电源中，每个所述电路单元包括电容器、与所述电容器连接的开关器件，以及与所述开关器件连接的第一驱动器；
所述第一驱动器驱动所述开关器件关断或导通，所述电容器根据所述开关器件的关断或导通对应充电或放电。
根据本发明的实施例，可选的，上述纳秒高压脉冲电源中，每个所述直线变压器驱动源模块还包括第二驱动器，所述第二驱动器与每个电路单元中的第一驱动器连接，用于将所述触发控制模块输出的触发电信号放大后提供给每个电路单元中的第一驱动器，以二级驱动方式控制每个电路单元中的开关器件。
根据本发明的实施例，可选的，上述纳秒高压脉冲电源中，每个所述直线变压器驱动源模块还包括与所述多个电路单元并联的续流二极管。
根据本发明的实施例，可选的，上述纳秒高压脉冲电源中，所述触发控制模块包括依次连接的信号发生器、光纤发送器和光纤接收器，所述光纤发送器和光纤接收器之间通过光纤通信连接；
所述信号发生器，用于生成触发信号并以电信号形式发送给光纤发送器；
所述光纤发送器，用于将接收到的电信号转换为光信号，并通过光纤传送到光纤接收器；
所述光纤接收器，用于将接收到的光信号转换为电信号形式的触发信号，并发送给所述多个直线变压器驱动源模块。
根据本发明的实施例，可选的，上述纳秒高压脉冲电源中，所述触发控制模块还包括直流供电电源，为所述多个直线变压器驱动源模块提供所需电能。
根据本发明的实施例，可选的，上述纳秒高压脉冲电源中，还包括与所述多个直线变压器驱动源模块连接的直流充电模块，所述直流充电模块用于为所述多个直线变压器驱动源模块中多个电路单元的电容器充电提供电能。
根据本发明的实施例，可选的，上述纳秒高压脉冲电源中，还包括与所述多个直线变压器驱动源模块连接形成回路的恒流源和扼流电感，所述恒流源和扼流电感用于为所述直线变压器驱动源模块中磁芯变压单元的磁芯去磁。
第二方面，本发明提供了一种臭氧发生器，包括
如上述的纳秒高压脉冲电源，用于输出脉冲电源信号；
臭氧反应器，与所述纳秒高压脉冲电源连接，用于根据脉冲电源信号通过脉冲介质阻挡放电法产生臭氧。
第三方面，本发明提供了一种静电除尘器，包括高压脉冲电源装置和除尘反应器，所述高压脉冲电源装置包括耦合电路、高压直流电源和如上述的纳秒高压脉冲电源；
所述耦合电路包括耦合电容和隔离电感；
所述高压直流电源通过隔离电感与除尘反应器连接，为除尘反应器提供基础直流高压；
所述纳秒高压脉冲电源通过耦合电容与除尘反应器连接，为除尘反应器提供纳秒脉冲高压。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
1.本发明提供的一种纳秒高压脉冲电源，通过触发控制模块发送触发信号到每个直线变压器驱动源模块，再通过直线变压器驱动源模块响应触发信号输出可调节脉冲峰值电压、脉冲重复频率和脉冲宽度的脉冲电源信号，解决了现有技术的纳秒脉冲电源存在脉冲输出特性不能满足需求、可靠性差的问题；本发明的纳秒高压脉冲电源通过模块化的结构设计，可以根据输出的需求灵活配置数量，结构更加紧凑，降低了成本，更具有经济性；输出电压波形容易控制，理论上可输出任意大小的电压、电流和功率，满足更多供电需求。
2.本发明中每个所述直线变压器驱动源模块还包括第二驱动器，将所述触发控制模块输出的触发电信号放大后提供给每个电路单元中的第一驱动器，以二级驱动方式控制每个电路单元中的开关器件，提高了开关器件的同步性。
3.本发明中每个所述直线变压器驱动源模块还包括与所述多个电路单元并联的续流二极管，当某个直线变压器驱动源模块出现开路故障导致放电回路不能导通时，提供续流，保证其他模块的正常工作。
4.本发明的纳秒高压脉冲电源通过开关器件产生低压脉冲，低压脉冲同步叠加实现高脉冲峰值电压和高脉冲重复频率输出，不需要使用高成本、高技术难度的高压开关，相比现有技术大大降低了开关器件的负荷和成本，具有较高的可靠性。
5.本发明的纳秒高压脉冲电源还包括与所述多个直线变压器驱动源模块连接形成回路的恒流源，为所述直线变压器驱动源模块中磁芯变压单元的磁芯去磁，以克服磁芯饱和容易造成输出脉冲峰值电压下降，脉冲宽度变窄，且脉冲重复频率会大打折扣的问题。
6.本发明提供的一种基于纳秒高压脉冲电源的臭氧发生器，采用的纳秒高压脉冲电源可满足臭氧发生器百纳秒级窄脉宽、高峰值电压和高重复频率的需求，可直接对现有臭氧发生器的供电电源进行技术升级和改善，解决了现有臭氧发生器生产效率低、电力能耗高、经济性较差的问题；纳秒高压脉冲电源输出的脉冲宽度为60～200ns，远小于微秒脉冲电源，应用到臭氧发生器中放电效果更好，可使得臭氧发生器的臭氧产量更高，能耗更低，有利于推动介质阻挡放电法制备臭氧技术的工业化应用；不需要另外设置冷却装置，降低了成本，并且臭氧浓度和效率还会得到提高。
7.本发明提供的一种基于纳秒高压脉冲电源的静电除尘器，在高压脉冲电源装置中，通过纳秒高压脉冲电源与高压直流电源组合，实现直流叠加纳秒高压脉冲输出，从而实现包括粉尘、硫氧化物、氮氧化物和汞等多种烟气污染物的一体化脱除，且运行更稳定。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1为本发明实施例一提供的一种纳秒高压脉冲电源的连接示意图。
图2为本发明实施例一提供的一种纳秒高压脉冲电源中直线变压器驱动源模块的等效电路示意图。
图3为本发明实施例一提供的一种纳秒高压脉冲电源中直线变压器驱动源模块的电路单元的电路连接示意图。
图4为本发明实施例一提供的一种纳秒高压脉冲电源中直线变压器驱动源模块和触发控制模块的连接示意图。
图5为本发明实施例一提供的一种纳秒高压脉冲电源中直线变压器驱动源模块的结构示意图。
图6为本发明实施例三提供的一种静电除尘器中高压脉冲电源装置的连接示意图。
上述图中，101.直线变压器驱动源模块、102.磁芯、103.金属固定杆、104.输出金属杆、105.接地金属盘。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本发明实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例一
请参阅图1至图5，本实施例提供了一种纳秒高压脉冲电源，包括叠加的多个直线变压器驱动源模块，与所述多个直线变压器驱动源模块连接的触发控制模块；其中，所述触发控制模块用于发送触发信号到每个直线变压器驱动源模块，所述直线变压器驱动源模块用于响应触发信号输出脉冲电源信号；
每个所述直线变压器驱动源模块包括并联的多个电路单元，与所述并联的多个电路单元连接的磁芯变压单元，以及与所述多个电路单元并联的续流二极管；其中，所述电路单元用于输出脉冲电源信号，所述磁芯变压单元用于将电路单元输出的脉冲电源信号耦合到负载端；所述多个直线变压器驱动源模块通过对应的多个磁芯变压单元的磁芯副边侧串联实现叠加；
每个所述电路单元包括电容器、与所述电容器连接的开关器件，以及与所述开关器件连接的第一驱动器；所述第一驱动器驱动所述开关器件关断或导通，所述电容器根据所述开关器件的关断或导通对应充电或放电；
每个所述直线变压器驱动源模块还包括第二驱动器，所述第二驱动器与每个电路单元中的第一驱动器连接，用于将所述触发控制模块输出的触发电信号放大后提供给每个电路单元中的第一驱动器，以二级驱动方式控制每个电路单元中的开关器件；
所述触发控制模块包括依次连接的信号发生器、光纤发送器和光纤接收器，以及直流供电电源，所述光纤发送器和光纤接收器之间通过光纤通信连接；其中，所述信号发生器用于生成触发信号并以电信号形式发送给光纤发送器；所述光纤发送器用于将接收到的电信号转换为光信号，并通过光纤传送到光纤接收器；所述光纤接收器用于将接收到的光信号转换为电信号形式的触发信号，并发送给所述多个直线变压器驱动源模块；所述直流供电电源为所述多个直线变压器驱动源模块提供所需电能。
进一步地，所述纳秒高压脉冲电源还包括与所述多个直线变压器驱动源模块连接的直流充电模块，以及与所述多个直线变压器驱动源模块连接形成回路的恒流源和扼流电感；其中，所述直流充电模块用于为所述多个直线变压器驱动源模块中多个电路单元的电容器充电提供电能，所述恒流源和扼流电感用于为所述直线变压器驱动源模块中磁芯变压单元的磁芯去磁。
本实施例中，如图1所示的纳秒高压脉冲电源，包括叠加的m个直线变压器驱动源模块，与所述m个直线变压器驱动源模块连接的触发控制模块和直流充电模块，以及与所述m个直线变压器驱动源模块连接形成回路的恒流源和扼流电感。
具体地，所述恒流源采用直流输出为1A的恒流源，为所述直线变压器驱动源模块中磁芯变压单元的磁芯去磁，以克服磁芯饱和造成输出脉冲峰值电压下降，脉冲宽度变窄，且脉冲重复频率大打折扣的问题；所述直流充电模块采用额定电压为1000V，额定功率为1kW的直流电源，通过调节直流充电模块的电压就可以调节纳秒高压脉冲电源输出脉冲高压的脉冲峰值电压，如果需要更大的输出脉冲峰值电压，可对应选择合适的额定电压和额定功率的直流电源来满足不同的输出脉冲峰值电压需求。
如图2所示的直线变压器驱动源模块等效电路示意图，每个直线变压器驱动源模块包括并联的n个电路单元、一个磁芯变压单元和一组续流二极管，其中，磁芯变压单元采用的磁芯相当于变比1:1的变压器，一组续流二极管包括4个并联的续流二极管，则每个直线变压器驱动源模块有n个电路单元、一个磁芯和4个续流二极管，整个纳秒高压脉冲电源中有m×n个电路单元、m个磁芯和m×4个续流二极管。如果单个电路单元可以产生Vc的输出电压和最大Ic的输出电流，则同步触发时，整个纳秒高压脉冲电源的输出电压和最大输出电流分别为mVc和nIc。
具体的，所述续流二极管的作用是，当某个直线变压器驱动源模块出现开路故障导致放电回路不能导通时，续流二极管为其他模块的叠加提供续流回路，对外部输出的影响只是少了故障模块的电压叠加，不会影响其他模块的正常工作；所述磁芯采用高频低损耗软磁磁料，具体可采用力源公司生产的型号为1K107或1K106的铁基纳米晶材料的磁芯，其尺寸为外径13cm，内径8.6cm，厚度0.5cm，所述续流二极管采用Vishay公司生产的型号为UF5408的二极管，其参数为额定电压1000V，额定电流3A。
如图3所示的电路单元的电路连接示意图，每个电路单元包括一组电容器、与所述一组电容器连接的一个开关器件，以及与所述开关器件连接的第一驱动器，其中，一组电容器包括并联的3个电容器，则整个纳秒高压脉冲电源中有m×n个开关器件及对应m×n个第一驱动器，m×n×3个电容器。
具体地，直线变压器驱动源模块中电路单元的数量可以根据纳秒高压脉冲电源输出电流大小确定，设定本实施例的直线变压器驱动源模块包括24个电路单元，则每个直线变压器驱动源模块需要24个开关器件和24个第一驱动器，以及72个电容器；所述开关器件采用IXYS公司生产的型号为IXFT6N100F的MOSFET半导体开关器件，产生低压脉冲，低压脉冲同步叠加实现高脉冲峰值电压和高脉冲重复频率输出，不需要使用高成本、高技术难度的高压开关，降低了成本，其参数为额定电压1000V，额定电流6A，为了保证MOSFET器件的安全稳定运行，本实施例中直线变压器驱动源模块的运行电压设定在600V左右；所述电容器采用Murata公司生产的型号为GRM55DR73A的电容器，其参数为额定电压1000V，电容值100nF。
当MOSFET器件关断时，电容器由直流充电模块充电到一定的直流电压，当MOSFET器件导通时，电容器通过MOSFET器件放电；在磁芯的电感作用下，在包括负载的纳秒高压脉冲电源回路中，感应出次级电流，理想的磁芯，初级和次级电流应接近相同，因此直线变压器驱动源模块中的磁芯等效为变比是1：1的变压器，将电容器的放电能量有效地耦合到负载输出端，多个直线变压器驱动源模块通过级联的方式叠加在一起，便实现了电压和电流叠加。
如图4所示的直线变压器驱动源模块和触发控制模块的连接示意图，触发控制模块包括依次连接的信号发生器、光纤发送器和光纤接收器，以及直流供电电源，所述光纤发送器和光纤接收器之间通过光纤通信连接，可以抗电磁干扰，其中，所述直流供电电源为直流输出12V的直流电源，为每个直线变压器驱动源模块中的第二驱动器和n个第一驱动器供电。
具体地，高功率脉冲的信号发生器在运行时对低压电子线路会产生严重的电磁干扰，容易导致开关器件误触发影响运行，因此需要将触发控制模块与直线变压器驱动源模块进行电气隔离，因此本实施例采用光纤触发，抗电磁干扰；所述光纤发送器采用型号为AFBR2624Z的光纤发送器，所述光纤接收器采用型号为AFBR1624Z的光纤接收器，所述信号发生器采用胜利公司生产的型号为VC2040H的信号发生器，生成频率最高为40MHz的触发信号；通过调节信号发生器输出触发信号的脉冲重复频率和脉冲宽度就可以实现调节纳秒高压脉冲电源输出脉冲高压的脉冲重复频率和脉冲宽度。
又如图4所示，每个直线变压器驱动源模块还包括一个第二驱动器。
具体地，所述第一驱动器和第二驱动器均采用Microchip公司生产的型号为MCP1407的驱动芯片，则本实施例的直线变压器驱动源模块总共包括25个驱动芯片；触发控制模块中光纤接收器输出的电信号形式的触发信号，由于功率太弱无法驱动直线变压器驱动源模块上所有MOSFET器件的开通和关断，因此设定第二驱动器先放大信号的功率，再输出给每个电路单元中的第一驱动器以驱动MOSFET器件的开通和关断，即采用二级驱动的方式实现对MOSFET器件开关状态的控制，这种方式可提高开关器件的同步性。
如图5所示的叠加的多个直线变压器驱动源模块结构示意图，m个直线变压器驱动源模块101，以其磁芯102统一向上叠加成圆柱形状，以接地金属盘105支撑，并通过金属固定杆103穿过m个直线变压器驱动源模块上的孔，与底层的接地金属盘105用螺丝固定，再通过输出金属杆104穿过叠加的m个直线变压器驱动源模块101，以输出金属杆104上端作为输出端，所述输出金属杆104与接地金属盘105通过旋转螺纹紧固，其中，金属固定杆103和接地金属盘105均采用铝制材料，接地金属盘105采用铝制圆盘。
具体地，所述直线变压器驱动源模块的数量m由纳秒高压脉冲电源输出脉冲峰值电压的需求来决定，如果需要输出30kV的脉冲峰值电压，则相应的需要50个直线变压器驱动源模块叠加。
具体地，在触发控制模块中，信号发生器生成触发信号并以电信号形式发送给光纤发送器，光纤发送器将接收到的电信号转换为光信号，并通过光纤传送到光纤接收器，光纤接收器将接收到的光信号转换为电信号形式的触发信号，并发送到多个直线变压器驱动源模块的第二驱动器中；在直线变压器驱动源模块中，第二驱动器将接收到的电信号形式的触发信号放大后提供给每个电路单元中的第一驱动器，以二级驱动方式控制每个电路单元中的开关器件，第一驱动器再驱动开关器件关断或导通；当开关器件关断时，由直流充电模块对电容器进行充电，当开关器件导通时，电容器对应进行放电，输出脉冲电源信号；每个电路单元输出的脉冲电源信号在磁芯的作用下耦合到负载端，从而实现给负载供电，比如，为臭氧反应器和除尘反应器提供百纳秒级窄脉宽、高峰值电压和高重复频率的脉冲电源信号。
本实施例提供的一种纳秒高压脉冲电源，输出的脉冲峰值电压、脉冲重复频率和脉冲宽度均可以调节，通过调节直流充电模块的电压来调节纳秒高压脉冲电源输出脉冲高压的脉冲峰值电压，通过调节信号发生器输出触发信号的脉冲重复频率和脉冲宽度来调节纳秒高压脉冲电源输出脉冲高压的脉冲重复频率和脉冲宽度，其脉冲峰值电压±30kV以上可调，脉冲重复频率在1kHz～20kHz可调，脉冲宽度为60～200ns可调；该纳秒高压脉冲电源，通过模块化的结构设计，可以根据输出的需求灵活配置数量，结构更加紧凑，降低了成本，更具有经济性；输出电压波形容易控制，理论上可输出任意大小的电压、电流和功率，满足更多供电需求；通过开关器件产生低压脉冲，低压脉冲同步叠加实现高脉冲峰值电压和高脉冲重复频率输出，不需要使用高成本、高技术难度的高压开关，相比现有技术大大降低了开关器件的负荷和成本，具有较高的可靠性。
实施例二
本实施例提供一种基于实施例一提供的纳秒高压脉冲电源的臭氧发生器，该臭氧发生器采用介质阻挡放电法制备臭氧，包括
上述实施例一中所述的纳秒高压脉冲电源，用于输出脉冲电源信号；
臭氧反应器，与所述纳秒高压脉冲电源连接，用于根据脉冲电源信号通过脉冲介质阻挡放电法产生臭氧。
上述纳秒高压脉冲电源的具体设置可参见实施例一，本实施例在此不再重复赘述。
纳秒高压脉冲电源的输出电压波形上升沿陡峭，电压峰值高，高于交流下的击穿电压，脉宽窄，快速上升沿会使外加电压允许大于交流的击穿电压，而较高的过电压就有可能产生更多5-20eV的高能量电子，减少低能电子的占比，在增加臭氧产量的同时又可以减少臭氧的分解，因此纳秒脉冲放电相比交流放电更适合用于臭氧制备。
本实施例提供的一种臭氧发生器，采用的纳秒高压脉冲电源可满足臭氧发生器百纳秒级窄脉宽、高峰值电压和高重复频率的需求，可直接对现有臭氧发生器的供电电源进行技术升级和改善，解决了现有臭氧发生器生产效率低、电力能耗高、经济性较差的问题；纳秒高压脉冲电源输出的脉冲宽度为60～200ns，远小于微秒脉冲电源，应用到臭氧发生器中放电效果更好，可使得臭氧发生器的臭氧产量更高，能耗更低，有利于推动介质阻挡放电法制备臭氧技术的工业化应用；在纳秒高压脉冲电源输出脉冲电源信号给臭氧反应器时，臭氧反应器中电场强度瞬间增大，发生流注放电，提供充足的能量密度，反应中电子能量和密度大幅度提高，有利于臭氧的产生，因为脉冲出现的时间是间歇的且很短暂，能量大部分被用于加速电子，离子在放电期间几乎不运动，而不是像高频交流电源那样加速离子运动，所以总体上几乎没有引起发热，这样反应器没有发热的困扰，减少因为温升带来的臭氧分解，又能提供足够的能量来发生臭氧，因此，本实施例的臭氧发生器不需要另外设置冷却装置，降低了成本，并且臭氧浓度和效率还会得到提高。
实施例三
请参照图6，本实施例提供了一种基于实施例一提供的纳秒高压脉冲电源的静电除尘器，包括高压脉冲电源装置和除尘反应器，所述高压脉冲电源装置如图6所示，包括耦合电路、高压直流电源和上述实施例一中所述的纳秒高压脉冲电源；
所述耦合电路包括耦合电容和隔离电感；
所述高压直流电源通过隔离电感与除尘反应器连接，为除尘反应器提供基础直流高压；
所述纳秒高压脉冲电源通过耦合电容与除尘反应器连接，为除尘反应器提供纳秒脉冲高压。
本实施例提供的一种静电除尘器，在其高压脉冲电源装置中，通过纳秒高压脉冲电源与高压直流电源组合，实现直流叠加纳秒高压脉冲输出；直流叠加纳秒高压脉冲输出可以提高空间电荷浓度，有利于颗粒物荷电，从而提高除尘效率，尤其是针对细微颗粒物，能抑制反电晕现象；与此同时，放电还产生大量的高能电子，进一步产生OH等强氧化性自由基物质，与SO2，NOx等气体反应实现氧化降解，从而在原有的静电除尘器中实现包括粉尘、硫氧化物、氮氧化物和汞等多种烟气污染物的一体化脱除，且运行更稳定。
综上，本发明提供的一种纳秒高压脉冲电源、基于该纳秒高压脉冲电源的臭氧发生器和静电除尘器，通过触发控制模块发送触发信号到每个直线变压器驱动源模块，再通过直线变压器驱动源模块响应触发信号输出可调节脉冲峰值电压、脉冲重复频率和脉冲宽度的脉冲电源信号；通过模块化的结构设计，可以根据输出的需求灵活配置数量，结构更加紧凑，降低了成本，更具有经济性；输出电压波形容易控制，理论上可输出任意大小的电压、电流和功率，满足更多供电需求；相比现有技术大大降低了开关器件的负荷和成本，具有可靠性高的优点；可满足臭氧发生器和静电除尘器的百纳秒级窄脉宽、高峰值电压和高重复频率的需求，解决了臭氧发生器生产效率低、电力能耗高、经济性较差，以及静电除尘器运行不稳定、不能更好地实现一体化脱除多种烟气污染物的问题。
在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的电源和设备，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示例性的。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (11)
1.一种纳秒高压脉冲电源，其特征在于：包括叠加的多个直线变压器驱动源模块，与所述多个直线变压器驱动源模块连接的触发控制模块；
所述触发控制模块用于发送触发信号到每个直线变压器驱动源模块；
所述直线变压器驱动源模块用于响应触发信号输出脉冲电源信号。
2.根据权利要求1所述的纳秒高压脉冲电源，其特征在于：每个所述直线变压器驱动源模块包括并联的多个电路单元，以及与所述并联的多个电路单元连接的磁芯变压单元；其中，所述电路单元用于输出脉冲电源信号，所述磁芯变压单元用于将电路单元输出的脉冲电源信号耦合到负载端；
所述多个直线变压器驱动源模块通过对应的多个磁芯变压单元的磁芯副边侧串联实现叠加。
3.根据权利要求2所述的纳秒高压脉冲电源，其特征在于：每个所述电路单元包括电容器、与所述电容器连接的开关器件，以及与所述开关器件连接的第一驱动器；
所述第一驱动器驱动所述开关器件关断或导通，所述电容器根据所述开关器件的关断或导通对应充电或放电。
4.根据权利要求2所述的纳秒高压脉冲电源，其特征在于：每个所述直线变压器驱动源模块还包括第二驱动器，所述第二驱动器与每个电路单元中的第一驱动器连接，用于将所述触发控制模块输出的触发电信号放大后提供给每个电路单元中的第一驱动器，以二级驱动方式控制每个电路单元中的开关器件。
5.根据权利要求2所述的纳秒高压脉冲电源，其特征在于：每个所述直线变压器驱动源模块还包括与所述多个电路单元并联的续流二极管。
6.根据权利要求1所述的纳秒高压脉冲电源，其特征在于：所述触发控制模块包括依次连接的信号发生器、光纤发送器和光纤接收器，所述光纤发送器和光纤接收器之间通过光纤通信连接；
所述信号发生器，用于生成触发信号并以电信号形式发送给光纤发送器；
所述光纤发送器，用于将接收到的电信号转换为光信号，并通过光纤传送到光纤接收器；
所述光纤接收器，用于将接收到的光信号转换为电信号形式的触发信号，并发送给所述多个直线变压器驱动源模块。
7.根据权利要求6所述的纳秒高压脉冲电源，其特征在于：所述触发控制模块还包括直流供电电源，为所述多个直线变压器驱动源模块提供所需电能。
8.根据权利要求3所述的纳秒高压脉冲电源，其特征在于：还包括与所述多个直线变压器驱动源模块连接的直流充电模块，所述直流充电模块用于为所述多个直线变压器驱动源模块中多个电路单元的电容器充电提供电能。
9.根据权利要求2所述的纳秒高压脉冲电源，其特征在于：还包括与所述多个直线变压器驱动源模块连接形成回路的恒流源和扼流电感，所述恒流源和扼流电感用于为所述直线变压器驱动源模块中磁芯变压单元的磁芯去磁。
10.一种臭氧发生器，其特征在于：包括
如权利要求1-9中任意一项所述的纳秒高压脉冲电源，用于输出脉冲电源信号；
臭氧反应器，与所述纳秒高压脉冲电源连接，用于根据脉冲电源信号通过脉冲介质阻挡放电法产生臭氧。
11.一种静电除尘器，包括高压脉冲电源装置和除尘反应器，其特征在于：所述高压脉冲电源装置包括耦合电路、高压直流电源和如权利要求1-9中任意一项所述的纳秒高压脉冲电源；
所述耦合电路包括耦合电容和隔离电感；
所述高压直流电源通过隔离电感与除尘反应器连接，为除尘反应器提供基础直流高压；
所述纳秒高压脉冲电源通过耦合电容与除尘反应器连接，为除尘反应器提供纳秒脉冲高压。
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| CN202010858449.7A CN112054786B (zh) | 2020-08-24 | 一种纳秒高压脉冲电源、臭氧发生器和静电除尘器 |
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|---|---|---|---|---|
| WO2023025179A1 (zh) * | 2021-08-27 | 2023-03-02 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 电源组件、等离子体浸没离子注入设备及方法 |
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| CN107124165A (zh) * | 2016-09-29 | 2017-09-01 | 吉林大学 | 一种纳秒级高压脉冲发生器装置及工作方法 |
| CN206564577U (zh) * | 2017-02-28 | 2017-10-17 | 西安交通大学 | 一种多路叠加型高压纳秒脉冲源 |
| CN110557043A (zh) * | 2019-10-11 | 2019-12-10 | 中国电子科技集团公司第十四研究所 | 基于GaNFET的纳秒级高压脉冲调制器 |
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