CN117792142B - 一种大功率高频脉冲等离子体电源及其充放电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电源技术领域，公开了一种大功率高频脉冲等离子体电源及其充放电方法，该大功率高频脉冲等离子体电源包括：绝缘栅双极晶体管IGBT1的漏极与电源的正极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT1的源极与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极与电源的负极连接；脉冲变压器TX1的初级绕组的两端分别与二极管D1的两端连接；脉冲变压器TX1的副级绕组的一端与二极管D4的正极连接，另一端通过薄膜电容C4与二极管D4的负极连接；二极管D4的负极通过第一级磁开关与二极管D5的正极连接；二极管D5的负极依次通过第二级磁开关和电阻R1接地，第二级磁开关通过二极管D2与间隙负载Load连接。本发明能够实现频率可调、脉冲电流幅值和脉宽均可调。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别是一种大功率高频脉冲等离子体电源及其充放电方法。
背景技术
现有高频脉冲等离子体电源，一般采取Marx发生器技术路线产生高压，通过气隙开关控制频率，但是幅值可调范围窄，抖动大，一致性差，输出功率小，不超过500W，在工程量级（500mm以上）模型表面等离子体放电产生的扰动较弱，无法实现大尺度等离子体流动控制。
另外一种同样采用高压电容充放电，产生脉冲高压，通过控制半导体开关实现频率脉宽可调。这种方法中采用的半导体开关是一种高压半导体开关，成本高，可靠性低，无法满足本系统低成本、高可靠的需求。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种大功率高频脉冲等离子体电源及其充放电方法。
本发明公开了一种大功率高频脉冲等离子体电源及其充放电方法，用于工程等离子体流动控制，其包括：脉冲触发源、脉冲电流源和间隙负载Load；脉冲触发源和脉冲电流源的连接公共端连接间隙负载Load；脉冲触发源包括电压可调直流电源V1、薄膜电容C4、薄膜电容C6、绝缘栅双极晶体管IGBT1、二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5、脉冲变压器TX1、第一级磁开关、第二级磁开关、电阻R1；
绝缘栅双极晶体管IGBT1的漏极与电源的正极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT1的源极与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极与电源的负极连接；脉冲变压器TX1的初级绕组的两端分别与二极管D1的两端连接；脉冲变压器TX1的副级绕组的一端与二极管D4的正极连接，另一端通过薄膜电容C4与二极管D4的负极连接；二极管D4的负极通过第一级磁开关与二极管D5的正极连接；二极管D5的负极依次通过第二级磁开关和电阻R1接地，第二级磁开关通过二极管D2与间隙负载Load连接；二极管D5的负极通过薄膜电容C6与电阻R1的接地端连接。
进一步地，所述脉冲电流源包括绝缘栅双极晶体管IGBT2、二极管D3、薄膜电容C7和电压可调直流电源V2；
薄膜电容C7的两端分别与电压可调直流电源V2的正极和负极连接；绝缘栅双极晶体管IGBT2的漏极与电压可调直流电源V2的正极连接，源极与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与间隙负载Load连接；二极管D3的负极和二极管D2的负极的公共端与间隙负载Load连接。
进一步地，间隙负载Load通过电感接地；电压可调直流电源V1和电压可调直流电源V2的负极均接地。
进一步地，脉冲触发源包括陡化电路；所述陡化电路由薄膜电容C4、第一级磁开关、第二级磁开关、二极管D5、薄膜电容C6构成；所述第一级磁开关由若干个串联的磁开关构成。
进一步地，还包括电感L1、薄膜电容C1和薄膜电容C2；
电压可调直流电源V1的正极和负极分别与薄膜电容C1的两端连接；电感L1的一端与电压可调直流电源V1的正极连接，另一端与薄膜电容C2的一端连接，薄膜电容C2的另一端与电压可调直流电源V1的负极连接；电感L1的另一端还与绝缘栅双极晶体管IGBT1的漏极连接。
本发明还公开了一种适用于上述任一项所述的大功率高频脉冲等离子体电源的充放电方法，用于工程等离子体流动控制，所述充放电方法包括：
步骤1：采用电压可调直流电源V1供电，对薄膜电容C1、薄膜电容C2和电感L1进行储能，再控制绝缘栅双极晶体管IGBT1导通，经脉冲变压器TX1放电，形成脉冲方波，经脉冲变压器TX1进行升压，经脉冲陡化电路进行压缩，最终在二极管D2输出端形成幅值和频率均可调的脉冲触发源；
步骤2：由电压可调直流电源V2供电，对薄膜电容C7进行储能，在二极管D2输出端输出高压时，控制绝缘栅双极晶体管IGBT2导通，对薄膜电容C7进行对地放电，形成脉宽可控的脉冲电流源；
步骤3：控制脉冲触发源和脉冲电流源的输出时间，使其重叠，进而作用叠加于间隙负载Load，实现电压和频率均可调，电流可调，上升沿小于预设值。
进一步地，所述步骤1包括：
电压可调直流电源V1对薄膜电容C1和薄膜电容C2充电，控制绝缘栅双极晶体管IGBT1的导通时间，进行可控放电，放电的能量经脉冲变压器TX1升压，对薄膜电容C4，第一级磁开关充电；薄膜电容C4的两端电压开始升高，第一级磁开关中的磁通量开始增加，磁芯进入非饱和区，第一级磁开关中的不饱和电感关断；随着薄膜电容C4的两端电压达到最大值，第一级磁开关的磁芯达到饱和，当第一级磁开关饱和后，快速对薄膜电容C6和第二级磁开关充电。
进一步地，所述步骤1还包括：
薄膜电容C6的两端电压开始升高，第二级磁开关中的磁通量开始增加，磁芯进入非饱和区，第二级磁开关中的不饱和电感关断；随着薄膜电容C6的两端电压达到最大值，第二级磁开关的磁芯达到饱和，当第二级磁开关饱和后，输出纳秒级前沿脉冲高压，击穿间隙负载Load，形成等离子体放电通路。
进一步地，所述步骤2包括：
电压可调直流电源V2对薄膜电容C7充电，在间隙负载Load击穿预设时间内，控制绝缘栅双极晶体管IGBT2导通，当间隙负载击穿导通时，薄膜电容C7经绝缘栅双极晶体管IGBT2，二极管D3放电，以设定的电流幅值输出，经预设的维持时间，控制绝缘栅双极晶体管IGBT2关断，输出停止。
进一步地，按照步骤1和步骤2的控制时序，控制绝缘栅双极晶体管IGBT1和绝缘栅双极晶体管IGBT2的频率，实现频率可调。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明采用磁开关压缩技实现纳秒级快前沿、20kV高电压、20kHz高重频的触发源，同时结合低压电路维持拉弧，实现频率可调、脉冲电流幅值和频率均可调的大功率高压脉冲等离子体电源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种大功率高频脉冲等离子体电源电路示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
参见图1，本发明提供了一种大功率高频脉冲等离子体电源的实施例，用于工程等离子体流动控制，其包括：脉冲触发源、脉冲电流源和间隙负载Load；脉冲触发源和脉冲电流源的连接公共端连接间隙负载Load；脉冲触发源包括电压可调直流电源V1、薄膜电容C4、薄膜电容C6、绝缘栅双极晶体管IGBT1、二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5、脉冲变压器TX1、第一级磁开关、第二级磁开关、电阻R1；第一级磁开关由串联连接的磁开关Ls1和磁开关Ls2构成，第二级磁开关为磁开关Ls3；
绝缘栅双极晶体管IGBT1的漏极与电源的正极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT1的源极与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极与电源的负极连接；脉冲变压器TX1的初级绕组的两端分别与二极管D1的两端连接；脉冲变压器TX1的副级绕组的一端与二极管D4的正极连接，另一端通过薄膜电容C4与二极管D4的负极连接；二极管D4的负极通过第一级磁开关与二极管D5的正极连接；二极管D5的负极依次通过第二级磁开关和电阻R1接地，第二级磁开关通过二极管D2与间隙负载Load连接；二极管D5的负极通过薄膜电容C6与电阻R1的接地端连接。
本实施例中，脉冲电流源包括绝缘栅双极晶体管IGBT2、二极管D3、薄膜电容C7和电压可调直流电源V2；
薄膜电容C7的两端分别与电压可调直流电源V2的正极和负极连接；绝缘栅双极晶体管IGBT2的漏极与电压可调直流电源V2的正极连接，源极与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与间隙负载Load连接；二极管D3的负极和二极管D2的负极的公共端与间隙负载Load连接。
本实施例中，间隙负载Load通过电感接地；电压可调直流电源V1和电压可调直流电源V2的负极均接地。
本实施例中，脉冲触发源包括陡化电路；陡化电路由薄膜电容C4、第一级磁开关、第二级磁开关、二极管D5、薄膜电容C6构成；第一级磁开关由若干个串联的磁开关构成。
本实施例中，还包括电感L1、薄膜电容C1和薄膜电容C2；
电压可调直流电源V1的正极和负极分别与薄膜电容C1的两端连接；电感L1的一端与电压可调直流电源V1的正极连接，另一端与薄膜电容C2的一端连接，薄膜电容C2的另一端与电压可调直流电源V1的负极连接；电感L1的另一端还与绝缘栅双极晶体管IGBT1的漏极连接。
本发明提供了一种适用于上述实施例的大功率高频脉冲等离子体电源的充放电方法的实施例，其包括：
步骤1：采用电压可调直流电源V1供电，对薄膜电容C1、薄膜电容C2和电感L1进行储能，再控制绝缘栅双极晶体管IGBT1导通，经脉冲变压器TX1放电，形成脉冲方波，经脉冲变压器TX1进行升压，经脉冲陡化电路进行压缩，最终在二极管D2输出端形成幅值和频率均可调的脉冲触发源；
步骤2：由电压可调直流电源V2供电，对薄膜电容C7进行储能，在二极管D2输出端输出高压时，控制绝缘栅双极晶体管IGBT2导通，对薄膜电容C7进行对地放电，形成脉宽可控的脉冲电流源；
步骤3：控制脉冲触发源和脉冲电流源的输出时间，使其重叠，进而作用叠加于间隙负载Load，实现电压和频率均可调，电流可调，上升沿小于预设值。
本实施例中，步骤1包括：
电压可调直流电源V1（电压幅值10-500V可调）对薄膜电容C1和薄膜电容C2充电，控制绝缘栅双极晶体管IGBT1的导通时间，进行可控放电，放电的能量经脉冲变压器TX1升压，对薄膜电容C4，第一级磁开关充电；薄膜电容C4的两端电压开始升高，第一级磁开关中的磁通量开始增加，磁芯进入非饱和区，第一级磁开关中的不饱和电感关断；随着薄膜电容C4的两端电压达到最大值，第一级磁开关的磁芯达到饱和，当第一级磁开关饱和后，在ns级时间内对薄膜电容C6和第二级磁开关充电。
本实施例中，步骤1还包括：
薄膜电容C6的两端电压开始升高，第二级磁开关中的磁通量开始增加，磁芯进入非饱和区，第二级磁开关中的不饱和电感关断；随着薄膜电容C6的两端电压达到最大值，第二级磁开关的磁芯达到饱和，当第二级磁开关饱和后，输出纳秒级前沿脉冲高压，击穿间隙负载Load，形成等离子体放电通路。
本实施例中，步骤2包括：
电压可调直流电源V2对薄膜电容C7充电，在间隙负载Load击穿预设时间（可以为前3个微秒）内，控制绝缘栅双极晶体管IGBT2导通，当间隙负载击穿导通时，薄膜电容C7经绝缘栅双极晶体管IGBT2，二极管D3放电，以设定的电流幅值输出，经预设的维持时间，控制绝缘栅双极晶体管IGBT2截止放电回路，输出停止。
本实施例中，按照步骤1和步骤2的控制时序，控制绝缘栅双极晶体管IGBT1和绝缘栅双极晶体管IGBT2的频率，实现电压1-20kV可调，频率1-20kHz可调，电流10-200A可调，上升沿小于100ns。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于大功率高频脉冲等离子体电源的充放电方法，用于工程等离子体流动控制，其特征在于，所述大功率高频脉冲等离子体电源包括脉冲触发源、脉冲电流源和间隙负载Load；脉冲触发源和脉冲电流源的连接公共端连接间隙负载Load；脉冲触发源包括电压可调直流电源V1、薄膜电容C4、薄膜电容C6、绝缘栅双极晶体管IGBT1、二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5、脉冲变压器TX1、第一级磁开关、第二级磁开关、电阻R1；
绝缘栅双极晶体管IGBT1的漏极与电源的正极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT1的源极与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极与电源的负极连接；脉冲变压器TX1的初级绕组的两端分别与二极管D1的两端连接；脉冲变压器TX1的副级绕组的一端与二极管D4的正极连接，另一端通过薄膜电容C4与二极管D4的负极连接；二极管D4的负极通过第一级磁开关与二极管D5的正极连接；二极管D5的负极依次通过第二级磁开关和电阻R1接地，第二级磁开关通过二极管D2与间隙负载Load连接；二极管D5的负极通过薄膜电容C6与电阻R1的接地端连接；
所述脉冲电流源包括绝缘栅双极晶体管IGBT2、二极管D3、薄膜电容C7和电压可调直流电源V2；
薄膜电容C7的两端分别与电压可调直流电源V2的正极和负极连接；绝缘栅双极晶体管IGBT2的漏极与电压可调直流电源V2的正极连接，源极与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与间隙负载Load连接；二极管D3的负极和二极管D2的负极的公共端与间隙负载Load连接；
间隙负载Load通过电感接地；电压可调直流电源V1和电压可调直流电源V2的负极均接地；
脉冲触发源包括陡化电路；所述陡化电路由薄膜电容C4、第一级磁开关、第二级磁开关、二极管D5、薄膜电容C6构成；所述第一级磁开关由若干个串联的磁开关构成；
还包括电感L1、薄膜电容C1和薄膜电容C2；
电压可调直流电源V1的正极和负极分别与薄膜电容C1的两端连接；电感L1的一端与电压可调直流电源V1的正极连接，另一端与薄膜电容C2的一端连接，薄膜电容C2的另一端与电压可调直流电源V1的负极连接；电感L1的另一端还与绝缘栅双极晶体管IGBT1的漏极连接；
所述充放电方法包括：
步骤1：采用电压可调直流电源V1供电，对薄膜电容C1、薄膜电容C2和电感L1进行储能，再控制绝缘栅双极晶体管IGBT1导通，经脉冲变压器TX1放电，形成脉冲方波，经脉冲变压器TX1进行升压，经脉冲陡化电路进行压缩，最终在二极管D2输出端形成幅值和频率均可调的脉冲触发源；
步骤2：由电压可调直流电源V2供电，对薄膜电容C7进行储能，在二极管D2输出端输出高压时，控制绝缘栅双极晶体管IGBT2导通，对薄膜电容C7进行对地放电，形成脉宽可控的脉冲电流源；
步骤3：控制脉冲触发源和脉冲电流源的输出时间，使其重叠，进而作用叠加于间隙负载Load，实现电压和频率均可调，电流可调，上升沿小于预设值。
2.根据权利要求1所述的充放电方法，其特征在于，所述步骤1包括：
电压可调直流电源V1对薄膜电容C1和薄膜电容C2充电，控制绝缘栅双极晶体管IGBT1的导通时间，进行可控放电，放电的能量经脉冲变压器TX1升压，对薄膜电容C4，第一级磁开关充电；薄膜电容C4的两端电压开始升高，第一级磁开关中的磁通量开始增加，磁芯进入非饱和区，第一级磁开关中的不饱和电感关断；随着薄膜电容C4的两端电压达到最大值，第一级磁开关的磁芯达到饱和，当第一级磁开关饱和后，快速对薄膜电容C6和第二级磁开关充电。
3.根据权利要求2所述的充放电方法，其特征在于，所述步骤1还包括：
薄膜电容C6的两端电压开始升高，第二级磁开关中的磁通量开始增加，磁芯进入非饱和区，第二级磁开关中的不饱和电感关断；随着薄膜电容C6的两端电压达到最大值，第二级磁开关的磁芯达到饱和，当第二级磁开关饱和后，输出纳秒级前沿脉冲高压，击穿间隙负载Load，形成等离子体放电通路。
4.根据权利要求1所述的充放电方法，其特征在于，所述步骤2包括：
电压可调直流电源V2对薄膜电容C7充电，在间隙负载Load击穿预设时间内，控制绝缘栅双极晶体管IGBT2导通，当间隙负载击穿导通时，薄膜电容C7经绝缘栅双极晶体管IGBT2，二极管D3放电，以设定的电流幅值输出，经预设的维持时间，控制绝缘栅双极晶体管IGBT2关断，输出停止。
5.根据权利要求1所述的充放电方法，其特征在于，按照步骤1和步骤2的控制时序，控制绝缘栅双极晶体管IGBT1和绝缘栅双极晶体管IGBT2的频率，实现频率可调。
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