CN115580270A - 一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，包括：电源模块、控制器、磁芯复位电路、滤波输入电路、IGBT开关电路和磁脉冲压缩电路；电源模块分别为磁芯复位电路和滤波输入电路提供电能；控制器用于接收外部触发信号并输出IGBT开关电路控制信号和磁芯复位电路控制信号到IGBT开关电路和磁芯复位电路；IGBT开关电路用于在接收到控制信号后控制滤波输入电路和磁脉冲压缩电路的通断；滤波输入电路用于在电路导通时对电源模块提供的电能进行滤波后向磁脉冲压缩电路提供高压纳秒脉冲输出所需电能；磁芯复位电路用于在接收到控制信号对输出脉冲后的磁脉冲压缩电路进行复位。本发明可以广泛应用于脉冲电源技术领域。

Description

一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统

技术领域

本发明属于脉冲电源技术领域，具体涉及一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统。

背景技术

高压纳秒脉冲电源在等离子放电、灭菌消毒、废气废水处理、制取臭氧等领域具有广泛应用。

在等离子体领域，脉冲电源参数，如重复频率、上升沿等，能直接影响介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)获取的非平衡态等离子体特性，采用纳秒脉冲电源制造的DBD等离子体较传统技术更加均匀；脉冲放电脱硫脱硝技术需要上升沿为纳秒级的高压脉冲电源，这需要脉冲电源具有较窄的脉宽、较快的上升沿和更长的寿命，且要求脉冲电源长时间工作，而传统的微秒级脉冲电源已无法满足该要求。

综上，传统的高压纳秒脉冲电源无法同时满足高重复频率、窄脉宽、快上升沿、高电压幅值的输出要求，且实验装置体积大，设备复杂，瞬时功率不足，能量损耗大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，能够在高重复频率工作模式下输出高压纳秒级脉冲，脉冲重复频率可达10kHz，脉宽为100ns，输出电压幅值可达20kV。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，其包括：电源模块、控制器、磁芯复位电路、滤波输入电路、IGBT开关电路以及磁脉冲压缩电路；

所述电源模块分别为所述磁芯复位电路和滤波输入电路提供电能；

所述控制器用于接收外部触发信号并输出IGBT开关电路控制信号和磁芯复位电路控制信号到所述IGBT开关电路和磁芯复位电路；

所述IGBT开关电路用于在接收到IGBT开关电路控制信号后控制所述滤波输入电路和磁脉冲压缩电路的通断；

所述滤波输入电路用于在电路导通时对所述电源模块提供的电能进行滤波后向所述磁脉冲压缩电路提供高压纳秒脉冲输出所需电能；

所述磁芯复位电路用于在接收到磁芯复位电路控制信号对输出脉冲后的磁脉冲压缩电路进行复位。

进一步，所述电源模块包括第一直流电源和第二直流电源，且所述第一直流电源和第二直流电源分别用于为所述磁芯复位电路和滤波输入电路提供不同直流电压。

进一步，所述控制器包括滤波模块、边沿检测模块、第一脉宽控制模块、第一幅值控制模块、延时控制模块、第二脉宽控制模块和第二幅值控制模块；所述滤波模块用于对接收的外部触发信号进行滤波，滤波后的外部触发信号经所述边沿检测模块后分为两路，一路依次经所述第一脉宽控制模块和第一幅值控制模块后，作为IGBT开关电路控制信号输出到所述IGBT开关电路；另一路依次经延时控制模块、第二脉宽控制模块和第二幅值控制模块后，作为磁芯复位电路控制信号输出到所述磁芯复位电路。

进一步，所述控制器外部设置有接地的金属外壳。

进一步，磁芯复位电路包括光耦芯片、MOS管驱动芯片、第一电阻、第一电感、第一电容、MOS管、第二电阻和第二电容；

所述光耦芯片的输入端与所述控制器的输出端相连，所述光耦芯片的输出端与所述MOS管驱动芯片相连，用于对所述控制器发送的磁芯复位电路控制信号进行滤波后，输入至所述MOS管驱动芯片；

所述MOS管驱动芯片与所述MOS管的栅极相连，用于控制所述MOS管的通断；

所述第一电容的两端与第一直流电源相连，用于对所述第一直流电源输入的电压进行滤波和电能储存；

所述第一电阻和第一电感串联组成限流电路，用于防止电路电流过大；

所述第二电阻和第二电容串联组成RC吸收电路并联在所述MOS管两端，用于防止所述MOS管两端电压过大而损坏。

进一步，所述滤波输入电路包括第三电阻、第三电容、第四电阻和第二电感；所述第三电阻和第三电容并联后连接在所述第二直流电源输出正负极两端，并且所述第三电容负极接地；所述第四电阻的一端连接在所述第三电容的正极，所述第四电阻的另一端与所述第二电感的一端连接，所述第二电感另一端依次与所述磁脉冲压缩电路、IGBT开关电路串联。

进一步，所述IGBT开关电路包括IGBT模块、第五电阻和第四电容；所述第五电阻和第四电容串联组成RC吸收电路并联在所述IGBT模块的集电极和发射极两端，且所述IGBT模块的集电极还经磁脉冲压缩电路与所述滤波输入电路相连，所述IGBT模块的发射极接地；所述IGBT模块的栅极与所述控制器的输出端相连用于接收所述控制器发送的IGBT开关电路控制信号。

进一步，所述磁脉冲压缩电路包含变压器，第一储能电容、第二储能电容、第一磁开关和第二磁开关；

所述变压器包含磁芯、第一初级绕组、第二初级绕组和次级绕组，且所述第一初级绕组与所述磁芯复位电路相连，由所述第一直流电源经所述磁芯复位电路向所述变压器的磁芯提供磁感应强度复位所需电能；所述第二初级绕组与所述滤波输入电路和IGBT开关电路相连，用于对滤波输入电路输入的电压进行升压；

所述第二储能电容与所述变压器上的所述次级绕组并联，同时依次与所述第一储能电容、第一磁开关和第二磁开关串联，且所述第二储能电容和第二磁开关连接处接地，用于对所述变压器升压后的电压脉冲进行陡化脉冲及减小脉宽，并输出到与所述第二磁开关并联的负载上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用磁脉冲压缩技术，能够显著陡化电压脉冲并减小脉宽，输出电压脉冲上升沿为纳秒级，脉宽小于100ns，电压可达20kV，结构紧凑、能量损耗小、寿命长；

2、本发明采用磁芯复位电路清除变压器磁芯剩磁，使每次输出脉冲时变压器磁芯的磁感应强度相同，保证在高重复频率下高压纳秒脉冲电源每次输出的高压纳秒脉冲电压幅值相等；

3、本发明将控制器置于接地的金属外壳中，有效防止控制信号受到高压电磁脉冲的干扰，使输出高压纳秒脉冲更加稳定。

因此，本发明可以广泛应用于脉冲电源领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的高重复频率高压纳秒脉冲电源系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的控制器结构示意图；

图3为本发明实施例提供的复位电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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申请的示例性实施方式。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。

磁脉冲压缩技术能显著降低高压脉冲上升沿并减小脉宽，提高脉冲重复频率。相较于传统大功率脉冲电源采用的半导体开关，磁脉冲压缩技术使用的磁开关可重复频率高、耐压耐流能力强、使用寿命长。因此，本发明采用磁脉冲压缩技术，设计了一种具有高重复频率的高压纳秒脉冲电源系统。首先，设计控制器按照外部触发信号发送IGBT开关电路控制信号和磁芯复位控制信号，分别用于控制磁脉冲压缩电路与滤波输入电路的通断和磁芯复位电路，在实现高压纳秒脉冲电源输出的同时，陡化压电脉冲并减小脉宽；然后，利用设计磁芯复位电路，清除变压器磁芯剩磁，使每次输出脉冲时变压器磁芯的磁感应强度相同，保证在高重复频率下高压纳秒脉冲电源每次输出的高压纳秒脉冲电压幅值相等。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，其包括：电源模块、控制器3、磁芯复位电路4、滤波输入电路5、IGBT开关电路6以及磁脉冲压缩电路7。其中，电源模块包括第一直流电源1和第二直流电源2，且第一直流电源1和第二直流电源2分别用于为磁芯复位电路4和滤波输入电路5提供不同电压；控制器3用于接收外部触发信号并分别输出IGBT开关电路控制信号和磁芯复位电路控制信号到IGBT开关电路6和磁芯复位电路4；IGBT开关电路6用于在接收到IGBT开关电路控制信号后控制滤波输入电路5和磁脉冲压缩电路7的通断；滤波输入电路5用于在电路导通后对第二直流电源2提供的电压进行滤波并向磁脉冲压缩电路7提供高压纳秒脉冲输出所需电能；磁芯复位电路4用于在接收到磁芯复位电路控制信号后对磁脉冲压缩电路7进行复位。

优选地，如图2所示，控制器3包括滤波模块、边沿检测模块、第一脉宽控制模块、第一幅值控制模块、延时控制模块、第二脉宽控制模块和第二幅值控制模块。其中，滤波模块用于对接收的外部触发信号进行滤波，滤波后的外部触发信号经边沿检测模块后分为两路，一路依次经第一脉宽控制模块和第一幅值控制模块后，作为IGBT开关电路控制信号输出到IGBT开关电路6；另一路依次经延时控制模块、第二脉宽控制模块和第二幅值控制模块后，作为磁芯复位电路控制信号输出到磁芯复位电路4。其中，磁芯复位电路控制信号经延时控制模块后，与IGBT开关电路控制信号之间有相应的时间延迟，便于在磁脉冲压缩电路7输出高压脉冲后对其进行复位。

优选地，控制器3中，对外部触发信号进行滤波时，滤波模块可以采用光耦芯片实现；边沿检测模块、延时控制模块、第一脉宽控制模块和第二脉宽控制模块可以采用触发器实现；第一幅值控制模块和第二幅值控制模块可以采用由MOS管构成的电路实现，本发明对此不做限制。

优选地，控制器3外部设置有接地的金属外壳，可以有效防止输出的控制信号受到高压电磁脉冲的干扰，使输出高压纳秒脉冲更加稳定。

优选地，如图3所示，磁芯复位电路4包括光耦芯片、MOS管驱动芯片、电阻R1、电感L1、电容C1、MOS管Q1、电阻R2和电容C2。其中，光耦芯片的输入端与控制器3的输出端相连，光耦芯片的输出端经MOS管驱动芯片与MOS管Q1的栅极相连，光耦芯片用于对控制器3输出的磁芯复位电路控制信号进行滤波后，输出至MOS管驱动芯片，进而控制MOS管Q1的通断；电容C1的两端与第一直流电源1相连，用于对第一直流电源1输入的电压进行滤波和电能储存；电阻R1和电感L1串联组成限流电路，用于防止电路电流过大；电阻R2和电容C2串联组成RC吸收电路并联在MOS管Q1两端，用于防止MOS管Q1两端电压过大而损坏。

优选地，如图1所示，滤波输入电路5包括泄压电阻R3、电容C3、限流电阻R4和电感L2。其中，泄压电阻R3和电容C3并联后连接在第二直流电源2输出正负极两端，并且电容C3负极接地，用于使系统在高重复频率下输入磁脉冲压缩电路7的电压平稳，并向磁脉冲压缩电路7提供高压纳秒脉冲输出所需电能；限流电阻R4的一端连接在电容C3的正极，限流电阻R4的另一端与电感L2连接，用于防止电路因电流过大而损坏元件；电感L2另一端依次与磁脉冲压缩电路7和IGBT开关电路6串联。

优选地，IGBT开关电路6包括IGBT模块Q2、电阻R5和电容C4。其中，电阻R5和电容C4串联组成RC吸收电路并联在IGBT模块Q2的集电极和发射极，且IGBT模块Q2的集电极还经磁脉冲压缩电路7与滤波输入电路5中的电感L2相连，IGBT模块Q2的发射极接地，用于防止IGBT模块Q2电压过大而损坏；IGBT模块Q2的栅极与控制器3的输出端相连，用于接收控制器3发送的IGBT开关电路控制信号。

优选地，磁脉冲压缩电路7包含变压器Tr，储能电容C5、储能电容C6、磁开关MS1和磁开关MS2。其中，变压器Tr包含磁芯Co、第一初级绕组Lp1、第二初级绕组Lp2和次级绕组Ls，且第一初级绕组Lp1与磁芯复位单路4相连，由第一直流电源1经磁芯复位电路4向变压器Tr的磁芯Co提供磁感应强度复位所需电能；第二初级绕组Lp2与滤波输入电路5和IGBT开关电路6相连，用于对滤波输入电路5滤波后的第二直流电源2输入的电压进行升压；储能电容C6与变压器Tr上的次级绕组Ls并联，同时依次与储能电容C5、磁开关MS1和磁开关MS2串联，且储能电容C6和磁开关MS2连接处接地，磁开关MS2与负载并联，用于对变压器Tr升压后的电压脉冲进行陡化脉冲及减小脉宽。

本发明的高压纳秒脉冲电源系统的工作原理如下：

在一个高压脉冲输出周期内，IGBT开关电路6在接收到控制器3发出的IGBT开关电路控制信号后接通，滤波输入电路5经磁脉冲压缩电路7的变压器Tr向磁脉冲压缩电路7输入电能，经磁脉冲压缩电路7升压、陡化脉冲、减小脉宽后输出为高压纳秒脉冲。

在滤波输入电路5经变压器Tr向磁脉冲压缩电路7输入电能的过程中，储能电容C5和储能电容C6连接处电压值上升，磁开关MS1进入不饱和状态，不饱和电感极大，通过磁开关MS1的电流极小，磁开关MS1处于关断状态。当储能电容C5和储能电容C6连接处电压值达到最大值U₀时，变压器Tr饱和，使储能电容C6与变压器Tr的次级绕组Ls组成的LC振荡电路迅速放电，储能电容C6两端电压极性反转并与储能电容C5电压叠加，使储能电容C5和磁开关MS1连接处电压达到最大值2U₀，磁开关MS1饱和，饱和电感极小，磁开关MS1导通，储能电容C5和储能电容C6迅速向负载放电，在负载上形成陡化后的高压脉冲。当磁开关MS2饱和时，其阻抗远小于负载，使负载短路，可以控制输出高压脉冲的脉宽，使脉宽达到纳秒级。通过对磁脉冲压缩电路7中储能电容C5、储能电容C6、变压器Tr、磁开关M1和磁开关M2中各器件的取值进行合理选择，可以对输出高压脉冲的脉宽进行调节。

经过一定时间高压纳秒脉冲输出结束后，磁芯复位电路4在接收到控制器3发出的磁芯复位电路控制信号后接通，与磁芯复位电路4相连的磁脉冲压缩电路7中变压器Tr的初级绕组Lp1产生电流，使变压器Tr磁芯Co的磁感应强度复位，清除变压器Tr的磁芯Co的剩磁，至此完成一个周期高压脉冲输出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，其特征在于，包括：电源模块、控制器、磁芯复位电路、滤波输入电路、IGBT开关电路以及磁脉冲压缩电路；

所述电源模块分别为所述磁芯复位电路和滤波输入电路提供电能；

所述控制器用于接收外部触发信号并输出IGBT开关电路控制信号和磁芯复位电路控制信号到所述IGBT开关电路和磁芯复位电路；

所述IGBT开关电路用于在接收到IGBT开关电路控制信号后控制所述滤波输入电路和磁脉冲压缩电路的通断；

所述滤波输入电路用于在电路导通时对所述电源模块提供的电能进行滤波后向所述磁脉冲压缩电路提供高压纳秒脉冲输出所需电能；

所述磁芯复位电路用于在接收到磁芯复位电路控制信号对输出脉冲后的磁脉冲压缩电路进行复位。

2.如权利要求1所述的一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，其特征在于，所述电源模块包括第一直流电源和第二直流电源，且所述第一直流电源和第二直流电源分别用于为所述磁芯复位电路和滤波输入电路提供不同直流电压。

3.如权利要求1所述的一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，其特征在于，所述控制器包括滤波模块、边沿检测模块、第一脉宽控制模块、第一幅值控制模块、延时控制模块、第二脉宽控制模块和第二幅值控制模块；所述滤波模块用于对接收的外部触发信号进行滤波，滤波后的外部触发信号经所述边沿检测模块后分为两路，一路依次经所述第一脉宽控制模块和第一幅值控制模块后，作为IGBT开关电路控制信号输出到所述IGBT开关电路；另一路依次经延时控制模块、第二脉宽控制模块和第二幅值控制模块后，作为磁芯复位电路控制信号输出到所述磁芯复位电路。

4.如权利要求1所述的一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，其特征在于，所述控制器外部设置有接地的金属外壳。

5.如权利要求2所述的一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，其特征在于，磁芯复位电路包括光耦芯片、MOS管驱动芯片、第一电阻、第一电感、第一电容、MOS管、第二电阻和第二电容；

所述光耦芯片的输入端与所述控制器的输出端相连，所述光耦芯片的输出端与所述MOS管驱动芯片相连，用于对所述控制器发送的磁芯复位电路控制信号进行滤波后，输入至所述MOS管驱动芯片；

所述MOS管驱动芯片与所述MOS管的栅极相连，用于控制所述MOS管的通断；

所述第一电容的两端与第一直流电源相连，用于对所述第一直流电源输入的电压进行滤波和电能储存；

所述第一电阻和第一电感串联组成限流电路，用于防止电路电流过大；

所述第二电阻和第二电容串联组成RC吸收电路并联在所述MOS管两端，用于防止所述MOS管两端电压过大而损坏。

6.如权利要求2所述的一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，其特征在于，所述滤波输入电路包括第三电阻、第三电容、第四电阻和第二电感；所述第三电阻和第三电容并联后连接在所述第二直流电源输出正负极两端，并且所述第三电容负极接地；所述第四电阻的一端连接在所述第三的正极，所述第四电阻的另一端与所述第二电感的一端连接，所述第二电感另一端依次与所述磁脉冲压缩电路、IGBT开关电路串联。

7.如权利要求1所述的一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，其特征在于，所述IGBT开关电路包括IGBT模块、第五电阻和第四电容；所述第五电阻和第四电容串联组成RC吸收电路并联在所述IGBT模块的集电极和发射极两端，且所述IGBT模块的集电极还经磁脉冲压缩电路与所述滤波输入电路相连，所述IGBT模块的发射极接地；所述IGBT模块的栅极与所述控制器的输出端相连用于接收所述控制器发送的IGBT开关电路控制信号。

8.如权利要求2所述的一种高重复频率高压纳秒脉冲电源系统，其特征在于，所述磁脉冲压缩电路包含变压器，第一储能电容、第二储能电容、第一磁开关和第二磁开关；

所述变压器包含磁芯、第一初级绕组、第二初级绕组和次级绕组，且所述第一初级绕组与所述磁芯复位电路相连，由所述第一直流电源经所述磁芯复位电路向所述变压器的磁芯提供磁感应强度复位所需电能；所述第二初级绕组与所述滤波输入电路和IGBT开关电路相连，用于对滤波输入电路输入的电压进行升压；

所述第四储能电容与所述变压器上的所述次级绕组并联，同时依次与所述第一储能电容、第一磁开关和第二磁开关串联，且所述第二储能电容和第二磁开关连接处接地，用于对所述变压器升压后的电压脉冲进行陡化脉冲及减小脉宽，并输出到与所述第二磁开关并联的负载上。

Images