一種用于液相放電產生等離子體的高壓脈沖電源的制作方法

本發明涉及液相放電技術與高壓電源技術，尤其是涉及一種用于液相放電產生等離子體的高壓脈沖電源。

背景技術：

在國外脈沖源技術的研究很早就已經開始，其中高壓快脈沖技術起源于核物理實驗、雷達、無線電通信技術及計算機技術發展的需要。目前高壓快脈沖源廣泛應用于各個領域。由于應用對象特點不同，對脈沖源的要求不同，例如在激光系統常用的納秒級高壓快脈沖源主要有兩個研究方向：一是電真空器件以二次電子發射管、放電間隙開關、觸發管、氫閘管等為代表，主要研究如何提高電真空器件的開關速度，減小其觸發晃動，研究與其相配的高壓高速驅動電路。二是以雪崩三極管和高壓場效應管等為代表的固體器件，研究大功率高速高壓半導體固體開關及與其相配的高速高壓組陣電路。

其中，二次電子發射管優點是：重復頻率高，觸發延遲和晃動小，但是脈沖輸出電壓幅度較低(僅有幾百伏)，且壽命短、不穩定、噪音大；放電間隙開關如火花隙容易產生較大的脈沖幅度(千伏以上)和較短的上升時間(亞納秒級)，但是重復率低，晃動大；觸發管工作電壓可以達到十幾千伏，缺點是需要較高的觸發脈沖電壓(與其陽極電壓幾乎是一個量級)，且晃動較大；閘流管的工作電壓范圍較大(數百伏道數十千伏)，開關速度快(幾個納秒)，重復頻率較高，其缺點是晃動較大。

隨著半導體技術的發展，50年代半導體開關如雪崩三極管開始進入ns級技術領域。chakera根據實驗發現少數雪崩管電流建立時間很小約為1ns，并據此研制出1ns寬度的脈沖發生器，但半導體開關的局限也很明顯：在于單管工作電壓較低。因此有人從60-70年代就開始雪崩管marx電路研究，用以提高輸出脈沖幅度和加快前沿。如bell等開始研究雪崩管marx電路，70年代已經用雪崩管輸出幾千伏、前沿幾個納秒的高速脈沖，davis等(1979年)用雪崩管做出幅度3.3kv前沿4ns的脈沖源。由于此類固體開關具有重復率高、壽命高、晃動極小等優點，雪崩管脈沖源有了非常大的發展，并在部分領域已經取代電真空管。盡管目前雪崩管脈沖源可以做到幅度幾十千伏、前沿皮秒級、脈寬幾個納秒的高速高壓窄脈沖，但是由于器件本身的特點，其電流驅動能力差，輸出脈沖寬度較窄，這限制了它的應用。進入70年代過后，功率mosfet管的出現，改變了這一現狀，由于其單管功率遠大于雪崩管。目前單管電流(數十安培)、較高的漏源電壓(達千伏)、小的導通電阻(歐姆量級)和較快的導通時間(納秒級)的高壓金屬氧化物功率場效應管，采用雪崩管驅動能讓前沿大大減小到數納秒，串聯和并聯可以加大脈沖幅度和寬度，采用過驅動電路設計后開關速度得到進一步提高。

國內高壓快脈沖源的研究處于開發階段，西安光機所曾用固體雪崩管做過幅度5kv數個納秒的高壓脈沖電源，但脈沖寬度窄且電壓幅度不夠。天津大學用mosfet管驅動電光晶體，制作出脈沖寬度120ns～1200ns，幅度0.6～3kv，前沿5ns，頻率1hz～1000hz的脈沖。

技術實現要素：

本發明的目的在于：針對現有技術存在的問題，提供一種用于液相放電產生等離子體的高壓脈沖電源，解決現有高壓快脈沖源壽命短、不穩定、噪音大、單管工作電壓較低的問題。

本發明的發明目的通過以下技術方案來實現：

一種用于液相放電產生等離子體的高壓脈沖電源，其特征在于，該脈沖電源包括直流高壓發生電路、高壓逆變主電路和高壓逆變控制電路，所述直流高壓發生電路的高壓源輸出端與高壓逆變主電路的電源輸入端連接，所述高壓逆變控制電路與高壓逆變主電路的控制端連接，所述高壓逆變主電路中的功率開關器件由多個功率igbt管串聯構成。

優選的，所述直流高壓發生電路包括依次連接的調壓整流電路、低壓逆變電路和脈沖升壓電路，所述調壓整流電路包括工頻電源和移相器，所述低壓逆變電路包括隔離變壓器、觸發器和晶閘管，所述脈沖升壓電路包括整流輸出電路。

優選的，所述低壓逆變電路為全橋逆變電路，該全橋逆變電路通過兩組相位相反的驅動脈沖分別控制兩對開關管。

優選的，所述全橋逆變電路包括電阻r1、電阻r2、開關管v1、開關管v2、開關管v3和開關管v4，所述電阻r1依次串聯開關管v1、開關管v2和電阻r2，所述開關管v3的一端連接在電阻r1與開關管v1之間、另一端串聯開關管v4后連接在電阻r2與開關管v2之間。

優選的，所述高壓逆變主電路包括多級充放電的串聯功率開關管輸出電路，該多級充放電的串聯功率開關管輸出電路包括電阻r1、電阻r2、電阻r3、電阻r4、電阻r5、電阻r6、電容c1、電容c2、電容c3、電容c4、電容c5、電容c6和多個功率igbt管；所述電阻r5與電容c5、電容c6、電阻r6串聯；所述電阻r3的一端連接在電阻r5與電容c5之間、另一端依次連接電容c3、電容c4、電阻r4，電阻r4的另一端連接在電容c6與電阻r6之間；所述電阻r1的一端連接在電阻r3與電容c3之間、另一端依次連接電容c1、電容c2、電阻r2，電阻r2的另一端連接在電容c4與電阻r4之間；所述多個功率igbt管依次串聯后，一端連接在電阻r1與電容c1之間、另一端連接在電容c2與電阻r2之間。

優選的，各功率igbt管的門極均引出抽頭。

優選的，所述抽頭串連有熔斷器。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1、低壓逆變電路選用全橋式逆變電路作為低壓逆變的主要形式，全橋式電路的優點是功率開關管穩態時其上最高施加電壓即為輸入電壓，能夠有效提高輸出電壓幅度。

2、低壓逆變電路選用功率igbt作為開關管，即絕緣性雙極型晶體管。它是一種單極性的電壓控制器件，具有開關速度快，高頻性能好，輸入阻抗高，驅動電路簡單，熱穩定性優良，無二次擊穿問題，安全工作區寬和跨導線性能高等顯著特點。目前功率igbt開關管的工作電壓已經能達到3kv，完全能滿足此直流300v電壓的逆變電路。

3、脈沖升壓變壓器是整個高壓脈沖電源不可缺少的關鍵部件，不僅要起到低壓到高壓之間的轉換與隔離作用，而且要保證高壓逆變主電路中各串聯igbt的同步運行。脈沖升壓變壓器中實現磁耦合的磁路不是普通變壓器的硅鋼片，采用磁導率較高的鐵鎳軟磁合金材料，以獲得更大的勵磁電感，提高能量傳輸效率。

4、高壓逆變控制電路獨立制作一套并聯諧振變換器控制器。該控制器包括過載保護功能、隔離器、脈沖發生器、死區調整電路及驅動電路組成。該控制器完成的主要功能是：隔離高低壓電路，完成超低壓對高壓電路的控制，并設置過載保護功能；設置死區調節功能；跟蹤諧振頻率，保證最大功率輸出。

附圖說明

圖1為液相放電等離子體的高壓脈沖電源的整體結構圖；

圖2為液相放電等離子體的高壓脈沖電源的全橋逆變電路原理圖；

圖3為液相放電等離子體的高壓脈沖電源的多級充放電的串聯功率開關管輸出電路；

圖4為液相放電等離子體的高壓脈沖電源的高壓控制回路驅動電路。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

本發明提供一種用于液相放電產生等離子體的高壓脈沖電源，如圖1所示，該脈沖電源主要包括三大部分：

第一部分，直流高壓發生電路，這部分主要包括調壓整流電路、低壓逆變電路和脈沖升壓電路三部分電路組成，其主要功能是給整個系統提供可調的高壓源。調壓整流電路包括工頻電源和移相器，低壓逆變電路包括隔離變壓器、觸發器和晶閘管，脈沖升壓電路包括整流輸出電路。直流高壓發生電路的調壓電路中可控硅是核心部件，使用可變電阻改變可控硅的導通角，可以實現對輸入正弦波電壓的調節。

第二部分，高壓逆變主電路，電源主電路的重點環節，其結構及器件選擇對整個高壓脈沖電源的技術指標和性能有直接影響。高壓逆變主電路中的功率開關器件選用性能良好的功率igbt管，并且采用串聯形式。使用瞬態電壓抑制器(tvs)，一種二極管形式的高效能保護器件。

第三部分，高壓逆變控制電路，這部分主要由pwm控制電路和脈沖變壓器隔離驅動組成。直流高壓發生電路的高壓源輸出端與高壓逆變主電路的電源輸入端連接，高壓逆變控制電路與高壓逆變主電路的控制端連接。

高壓脈沖電源的原理為：220v工頻交流電輸入到調壓電路，調壓后的交流電源經整流電路整流成直流后又送入到全橋式低壓逆變電路中，通過控制功率開關管的導通和關斷，將輸出的脈沖電壓送到脈沖升壓變壓器。脈沖升壓變壓器副邊得到的高壓脈沖整流成直流高壓再送入到高壓半橋逆變電路，經過功率開關管的交替逆變作用轉變成為所需的中頻陡前沿脈沖高壓。

涉及的部件具體說明如下：

全橋逆變電路

全橋逆變電路如圖2所示，包括電阻r1、電阻r2、開關管v1、開關管v2、開關管v3和開關管v4。電阻r1依次串聯開關管v1、開關管v2和電阻r2。開關管v3的一端連接在電阻r1與開關管v1之間、另一端串聯開關管v4后連接在電阻r2與開關管v2之間。本發明全橋逆變電路的工作需要兩組相位相反的驅動脈沖分別控制兩對開關管，具體就是v1和v4同時通斷，v2和v3同時通斷。當v1和v4同時導通時，v2和v3截止，脈沖升壓變壓器的原邊電壓為左正右負的ud；反之，當v2和v3同時導通時，v1和v4截止，脈沖升壓變壓器的原邊電壓為右正左負的ud。在四只開關管都截止在死區時間內，開關管端電壓和電壓尖峰和半橋電路相似。開關管剛導通時的電流尖峰也同半橋電路相似。全橋式逆變電路的優點是功率開關管穩態時其上最高施加電壓即為輸入電壓。

多級充放電的串聯功率開關電路

如圖3所示，多級充放電的串聯功率開關管輸出電路包括電阻r1、電阻r2、電阻r3、電阻r4、電阻r5、電阻r6、電容c1、電容c2、電容c3、電容c4、電容c5、電容c6和多個功率igbt管。電阻r5與電容c5、電容c6、電阻r6串聯。電阻r3的一端連接在電阻r5與電容c5之間、另一端依次連接電容c3、電容c4、電阻r4，電阻r4的另一端連接在電容c6與電阻r6之間。電阻r1的一端連接在電阻r3與電容c3之間、另一端依次連接電容c1、電容c2、電阻r2，電阻r2的另一端連接在電容c4與電阻r4之間。多個功率igbt管依次串聯后，一端連接在電阻r1與電容c1之間、另一端連接在電容c2與電阻r2之間。本發明功率開關器件igbt開關選用高速型mg400q1us41，即為絕緣柵雙極型晶體管，是由bjt(雙極型三極管)和mos(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有mosfet的高輸入阻抗和gtr的低導通壓降兩方面的優點。gtr飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；mosfet驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。igbt綜合了兩者的優點，驅動功率小而飽和壓降低。igbt擊穿電壓可達1200v，集電極飽和電流可達1500a，工作頻率可達到20khz。

工作過程中采用多級電容充放電形式，起到多層保護。其中功率開關器件采用串聯形式得到所需的高電壓，并采用多抽頭形式，得到多級可調的電壓，使該發明適應各種水質的處理。抽頭串連有熔斷器。

高壓控制回路驅動電路

如圖4所示，高壓控制電路脈沖調制器選用mc33066，是由mororoca公司生產的高性能諧振式變換器控制芯片。該ic集成可變頻率振蕩器、欠壓鎖定、故障關斷、軟啟動、單次脈沖發生器、5v基準發生器和高性能運算放大器等。且充電電源的控制分為外部遙控和充電機內部本控兩部分，充電機的外部控制由一臺西門子的plc完成，充電機內部控制板主要圍繞集成電路mc33066而設計，由于充電電源的頻率是固定的，vfo工作頻率可以通過調整電位器rp1來改變mc33066內部運放的輸出電壓而確定。mc33066的脈沖輸出有無則是通過控制mc33066的9腳(in⁺)電位高低來完成。當9腳電壓為高時，mc33066有輸出，當9腳電壓為低時，mc33066無輸出。

系統調試與分析過程中：首先在調壓整流電路中，進行數據采集分析，控制移相觸發器和開關器件獲得穩定的正弦波形，為下一步做準備；其次，對igbt控制電路進行調試，控制電路提供的信號的好壞直接影響高壓電路中的脈沖調制器的輸出效果，將輸出頻率設置在10khz，調試脈沖波形；當輸出幅值在30kv時，脈沖頻率在10khz時，高壓脈沖上升沿達到100ns，達到液相放電產生等離子體的最低要求。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，應當指出的是，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。