CN201315550Y - 基于三极点火开关的高电压脉冲发生器 - Google Patents

基于三极点火开关的高电压脉冲发生器 Download PDF

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基于三极点火开关的高电压脉冲发生器，涉及到一种脉冲发生器。它解决了现有的脉冲发生电路的单个脉冲能量大的问题。它包括用于将输入的220V交流电压转换成30kV的直流电压输出给放电电容的升压电路，用于产生控制高压脉冲的控制脉冲信号输出给放电回路的三极点火开关高压脉冲控制电路，升压电路的直流电压正极输出端连接限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端同时连接放电电容的一端和三极点火开关的实心电极，所述放电电容的另一端连接电源地，所述三极点火开关的空心电极同时连接放电硅堆的阴极和负载的一端，所述放电硅堆的阳极连接电源地，所述负载的另一端连接电源地，所述三极点火开关的触发针连接高压脉冲控制电路的脉冲信号输出端。

Description

基于三极点火开关的高电压脉冲发生器
技术领域
本实用新型涉及到一种脉冲发生器。
背景技术
现有的高电压脉冲发生器一般是由五部分组成，参见说明书附图中的图1，其工作原理图如说明书附图中的图1所示。
直流充电装置(即充电回路)，它由高压变压器T2，调压器T1，高压整流器(例如高压整流硅堆)D，限流电阻(充电电阻)Ro和储能电容C所组成，它的作用是把电网中的电能经过整流装置变成直流电，送到电容器中储存起来。
放电回路是整个装置的核心部分，它由储能电容器C，连接各元件的传输线lo，起开关作用的隔离间隙G及负载F(即液体放电室)等所组成。由触发回路接通放电回路，使已经充满电的电容器对负载放电，使负载获得极大的电流和功率。
触发回路，又称触发装置，它是一个能产生高电压(几十kV)触发脉冲的电压发生器。它是主回路需要放电时，由控制回路送出一个信号去启动触发回路，触发回路再送出一个脉冲电压，使隔离间隙击穿，接通放电回路。
测量装置主要用于测量冲击电流和冲击电压。
控制回路，它的作用主要是控制以上各部分按顺序动作。
隔离间隙在冲击大电流装置中起重要的作用，它可以把充电回路和主放电回路分离开，以保证充电回路能顺利地完成对电容器组的充电。当电容器组充好电以后，又能通过它迅速接通放电回路，以保证电容器组上储存好的能量在很短的时间内(一般在几十ns到几十us之内)泄放出来，在负载上产生很大的冲击电流，以达到预期的目的。
由于冲击大电流装置所产生的电流非常大，一般在几十kA到几MA或更大些，而且电压高(几十kV)，冲击大电流装置要求连续工作，动作比较频繁；通过负载的电流上升陡度的要求很高，一般在几ns到几us的时间内，要求电流达到最大值。这就要求开关时间短，即间隙的放电速度快。因而一般的隔离刀闸和油开关都不能满足以上要求，一般常用的有球间隙(即三电极间隙)、场畸变间隙、薄膜间隙及激光间隙或特殊电子开关等。
在放电回路中常用的开关元件有旋转开关、引燃管、真空开关、固体介质开关等，其中旋转开关机构简单，耐用，但电感大；真空开关可取较高的击穿强度，间隙距离小，电感低，但它需要抽真空系统，使用不方便，而且寿命也不够长；固体介质开关的电极距离小，电感低，但每次放电后必须更换固体介质薄膜，不能用于重复频率的场合。
用电容充放电的方法，单个脉冲的能量比较大，是目前国内取得高电压脉冲的最常用方法，广泛引用在液电成形、海洋火花震源、陆地火花震源、体外冲击波碎石、液电清沙和清垢和高压放电基因枪等各个尖端领域。
但是，对于需要单个脉冲能量比较小的领域，例如：液体产品的灭菌领域，现有的脉冲发生器的输出信号不能够满足需求。
实用新型内容
为了解决现有的脉冲发生器的单个脉冲能量大的问题，本实用新型提供了一种基于三极点火开关的高电压脉冲发生器。
本实用新型的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器包括：
升压电路，用于将输入的220V交流电压转换成高于30kV的直流电压输出给放电电容；
高压脉冲控制电路，用于产生控制高压脉冲的控制脉冲信号输出给放电回路的三级点火开关；
限流电阻、放电电容和放电回路，
放电回路包括放电硅堆、电感、负载和三极点火开关；
升压电路的直流电压负极输出端为电源地，所述升压电路的直流电压正极输出端连接限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端同时连接放电电容的一端和三极点火开关的实心电极，所述放电电容的另一端连接电源地，所述三极点火开关的空心电极同时连接放电硅堆的阴极和负载的一端，所述放电硅堆的阳极连接电源地，所述负载的另一端连接电源地，所述三极点火开关的触发针连接高压脉冲控制电路的脉冲信号输出端。
本实用新型采用产生30kV以上的直流高压，然后对其进行处理，充电到一个放电电容上，通过三极点火开关实现导通和关断，产生高压脉冲。
本实用新型采用的电容充放电和三极点火开关的方法得到高电压脉冲的方法有以下几点好处：
(1)可以得到最陡的高电压脉冲前沿。通过对充电电容的迅速放电，可以得到极陡的脉冲前沿。在三级点火开关导通的瞬间，脉冲电容器的电压几乎完全施加在负载上，因此放电开关的高导通速度直接决定了脉冲前沿的高陡度。(2)可以控制高电压脉冲的能量。(3)采用三极点火开关作为放电控制开关，具有通流能力大，工作可靠，调节及检修方便，受环境温度影响小等特点。
本实用新型的脉冲发生器能够产生单个脉冲能量适中、脉冲前沿很陡的脉冲信号，尤其适用于对液体食品的灭菌。
附图说明
图1是现有的脉冲发生器的电路结构示意图；图2是本实用新型的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器的电路结构示意图，图3是具体实施方式三所述的高压脉冲控制电路4的电路结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器包括
升压电路1，用于将输入的220V交流电压转换成30kV的直流电压输出给放电电容C12；
高压脉冲控制电路4，用于产生控制高压脉冲的控制脉冲信号输出给放电回路3的三级点火开关；
限流电阻R12、放电电容C12和放电回路3，
放电回路3包括放电硅堆D32、电感L、负载31和三极点火开关；
升压电路1的直流电压负极输出端为电源地，所述升压电路1的直流电压正极输出端连接限流电阻R12的一端，所述限流电阻R12的另一端同时连接放电电容C12的一端和三极点火开关的实心电极A，所述放电电容C12的另一端连接电源地，所述三极点火开关的空心电极B同时连接放电硅堆D32的阴极和负载31的一端，所述放电硅堆D32的阳极连接电源地，所述负载31的另一端连接电源地，所述三极点火开关的触发针Z连接高压脉冲控制电路4的脉冲信号输出端。
本实施方式采升压电路1将交流220V电压转变成高于30kV的直流高压对放电电容C12进行充电，然后通过三极点火开关控制产生高压放电，给负载施加高压脉冲信号。
强制脉冲放电方式的关键元件就是开关元件，本实施方式采用的是三极点火开关(又称为火花隙开关)，三极点火开关比旋转开关电感低，比引燃管价格低、耐压高，比真空开关寿命长，比固体介质开关可连续运行，且重复频率高。
三极点火开关的电流导通能力和上升速度接近高压气体开关，其对称电极结构可通过100％的反向电流，且工作频率可达7kHz，在电流小于20kA时，脉宽小于1μs的工作条件下的寿命能够大于600kC。
对于三极点火开关，它的工作原理是利用电弧的电阻为零的原理，即在两电极瞬间放电的情况下相当于两电极短路。放电开关能在瞬间实现导通和关断。
三极点火开关的工作原理为：三极点火开关的放电间隙的击穿电压特性与电极的几何尺寸、几何形状、气体成份、气压等有关。已有研究结果表明，火花放电过程分为二个阶段：触发脉冲阶段和主放电阶段。触发脉冲阶段对火花放电装置的击穿电压起决定性作用。通过研究开关的击穿电压特性，可进一步研究开关主放电阶段之前的放电机理，进而为研制高耐受电压火花开关提供理论基础。
本实施方式中的三极点火开关的放电间隙为可调，以适应不同直流高电压信号的导通和关断。放电开关的两电极间隙过大，电极在施加高电压后不能放电，电极间隙过小，电极在未施加上足够的电压前就会放电，无法控制直流高电压。
本实施方式的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器的工作过程为：当放电电容器C12上充上一定的电压后，也就是当施加在开关电极A和B的电压很高，但又不至于引起放电的情况下，高压脉冲控制电路4发出一个高压触发脉冲给三极点火开关的触发针Z，在三极点火开关的间隙产生火花，进而引起放电开关实心主电极A和放电开关有触发针的空心电极B之间击穿而接通电路，存放在放电电容C12中的电能向负载放电。
本实施方式输出的单个脉冲的能量不是和脉冲的频率成正比的。更适用于对液体食品施加高电压脉冲进行杀菌，因为如果单个脉冲的能量过大会在液体食品中产生放电现象，严重破坏液体食品的成分。因此灭菌用高电压脉冲发生器所产生的脉冲在能给液体食品施加很高的电压前提下应尽量减少单个脉冲释放的能量。
同时，本实施方式输出的脉冲信号的频率能够达到从0-50Hz。这样能够达到快速灭菌的效果。
本实施方式中的放电电容C12采用多个电容串联形成。更适合于容性负载。
当负载的特性是电容的时候，高频率的脉冲充放电会很容易使电容发生损坏。本实施方式中的放电电容采用多个小电容串联，并采用电阻分压，这样，即使串联在一起的一个和几个小电容损坏，也不会影响整个放电电容的充放电。同时，若干小电容串联后的电容值减小，电容储能减少，放电速度也相应被提高，即放电脉冲的前沿会很陡。
例如，本实施方式中的放电电容C12采用100个小瓷片电容器串联组成，所述瓷片电容是适用于快速放电的典型电容。当每个瓷片电容的电容值为1000pf时，放电电容C12的电容值为：C＝1000pf/100＝10pf。
本实施方式的放电回路3中的电感L，能够起到加速放电电容的放电的效果。放电回路3中增加了电感L，这样放电电容通过RC回路加速放电，以获得最短的高电压脉冲，在高电压脉冲发生器输出端得到最短的脉冲前沿。此时输出端虽然可获得极陡的脉冲前沿，由于RC回路会产生频率很高、时间较长的振荡，输出的脉冲波形由于振荡的产生，会加长脉冲的宽度。这样所产生的脉冲就具有极陡的脉冲前沿和最短的脉冲宽度。在振荡情况下，除振荡的第一个周期是理想的脉冲部分，其余部分就是应该滤掉的干扰。本实施方式中的放电硅堆D32能够消除RC回路产生的振荡。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器的区别在于，所述升压电路1包括调压器11、升压变压器12、保护电阻R11、整流硅堆D11和主电容C11；调压器11的两个电源输出端分别连接升压变压器12初级绕组的两端，所述升压变压器12的次级线圈的一端为直流电压的负极输出端，即电源地，所述次级线圈的另一端连接保护电阻R11的一端，所述保护电阻R11的另一端连接整流硅堆D11的阳极，主电容C11的两端分别连接所述整流硅堆D11的阴极和电源地，所述整流硅堆D11的阴极是升压电路1的直流电压的正极输出端。
本实施方式的升压电路1采用调压器11、升压变压器12和整流硅堆D11将交流220V转换成高压直流信号输出。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二所述的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器的区别在于，所述高压脉冲控制电路4包括整流电路41、电阻R41、整流电容C41、可控硅D41、隔离变压器T和脉冲信号发生电路42，整流电路41，用于将交流220V电压整流成直流信号输出，所述整流电路41的直流信号正极输出端连接电阻R41的一端，所述电阻R41的另一端同时连接整流电容C41的一端和可控硅D41的阴极，所述整流电容C41的另一端连接整流电路41直流信号负极输出端，所述直流信号负极输出端即为电源地，可控硅D41的阳极连接隔离变压器T初级线圈的一端，所述初级线圈的另一端连接电源地，隔离变压器T的次级线圈的两端输出高压脉冲信号，所述次级线圈的一端连接三极点火开关的空心电极B，所述次级线圈的另一端连接三级点火开关的触发针，脉冲信号发生电路，用于产生控制脉冲信号，脉冲信号发生电路42的脉冲信号输出端连接可控硅D41的控制端。
本实施方式所述的脉冲信号发生电路42采用现有的555集成电路。555集成时基电路是一种数字电路，模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名为555电路。

Claims (7)

1、基于三极点火开关的高电压脉冲发生器，它包括：
升压电路(1)，用于将输入的220V交流电压转换成30kV的直流电压输出给放电电容(C12)；
高压脉冲控制电路(4)，用于产生控制高压脉冲的控制脉冲信号输出给放电回路(3)的三级点火开关；
限流电阻(R12)、放电电容(C12)和放电回路(3)，
其特征在于，所述放电回路(3)包括放电硅堆(D32)、电感(L)、负载(31)和三极点火开关；升压电路(1)的直流电压负极输出端为电源地，所述升压电路(1)的直流电压正极输出端连接限流电阻(R12)的一端，所述限流电阻(R12)的另一端同时连接放电电容(C12)的一端和三极点火开关的实心电极(A)，所述放电电容(C12)的另一端连接电源地，所述三极点火开关的空心电极(B)同时连接放电硅堆(D32)的阴极和负载(31)的一端，所述放电硅堆(D32)的阳极连接电源地，所述负载(31)的另一端连接电源地，所述三极点火开关的触发针(Z)连接高压脉冲控制电路(4)的脉冲信号输出端。
2、根据权利要求1所述的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器，其特征在于所述三极点火开关的放电间隙为可调。
3、根据权利要求1所述的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器，其特征在于，所述高压脉冲控制电路(4)输出的控制脉冲信号的频率为大于0Hz，小于等于50Hz。
4、根据权利要求1所述的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器，其特征在于，所述放电电容(C12)由多个电容串联组成。
5、根据权利要求1至4任一权利要求所述的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器，其特征在于，所述升压电路(1)包括调压器(11)、升压变压器(12)、保护电阻(R11)、整流硅堆(D11)和主电容(C11)；调压器(11)的两个电源输出端分别连接升压变压器(12)初级绕组的两端，所述升压变压器(12)的次级线圈的一端为直流电压的负极输出端，即电源地，所述次级线圈的另一端连接保护电阻(R11)的一端，所述保护电阻(R11)的另一端连接整流硅堆(D11)的阳极，主电容(C11)的两端分别连接所述整流硅堆(D11)的阴极和电源地，所述整流硅堆(D11)的阴极是升压电路(1)的直流电压的正极输出端。
6、根据权利要求1至4任一权利要求所述的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器，其特征在于，所述高压脉冲控制电路(4)包括整流电路(41)、电阻(R41)、整流电容(C41)、可控硅(D41)、隔离变压器(T)和脉冲信号发生电路(42)，整流电路(41)，用于将交流220V电压整流成直流信号输出，所述整流电路(41)的直流信号正极输出端连接电阻(R41)的一端，所述电阻(R41)的另一端同时连接整流电容(C41)的一端和可控硅(D41)的阴极，所述整流电容(C41)的另一端连接整流电路(41)直流信号负极输出端，所述直流信号负极输出端即为电源地，可控硅(D41)的阳极连接隔离变压器(T)初级线圈的一端，所述初级线圈的另一端连接电源地，隔离变压器(T)的次级线圈的两端输出高压脉冲信号，所述次级线圈的一端连接三极点火开关的空心电极(B)，所述次级线圈的另一端连接三级点火开关的触发针，脉冲信号发生电路，用于产生控制脉冲信号，脉冲信号发生电路(42)的脉冲信号输出端连接可控硅(D41)的控制端。
7、根据权利要求6所述的基于三极点火开关的高电压脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲信号发生电路(42)采用555集成电路。
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