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

背景技術(shù)：

在國(guó)外脈沖源技術(shù)的研究很早就已經(jīng)開(kāi)始，其中高壓快脈沖技術(shù)起源于核物理實(shí)驗(yàn)、雷達(dá)、無(wú)線電通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的需要。目前高壓快脈沖源廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)不同，對(duì)脈沖源的要求不同，例如在激光系統(tǒng)常用的納秒級(jí)高壓快脈沖源主要有兩個(gè)研究方向：一是電真空器件以二次電子發(fā)射管、放電間隙開(kāi)關(guān)、觸發(fā)管、氫閘管等為代表，主要研究如何提高電真空器件的開(kāi)關(guān)速度，減小其觸發(fā)晃動(dòng)，研究與其相配的高壓高速驅(qū)動(dòng)電路。二是以雪崩三極管和高壓場(chǎng)效應(yīng)管等為代表的固體器件，研究大功率高速高壓半導(dǎo)體固體開(kāi)關(guān)及與其相配的高速高壓組陣電路。

其中，二次電子發(fā)射管優(yōu)點(diǎn)是：重復(fù)頻率高，觸發(fā)延遲和晃動(dòng)小，但是脈沖輸出電壓幅度較低(僅有幾百伏)，且壽命短、不穩(wěn)定、噪音大；放電間隙開(kāi)關(guān)如火花隙容易產(chǎn)生較大的脈沖幅度(千伏以上)和較短的上升時(shí)間(亞納秒級(jí))，但是重復(fù)率低，晃動(dòng)大；觸發(fā)管工作電壓可以達(dá)到十幾千伏，缺點(diǎn)是需要較高的觸發(fā)脈沖電壓(與其陽(yáng)極電壓幾乎是一個(gè)量級(jí))，且晃動(dòng)較大；閘流管的工作電壓范圍較大(數(shù)百伏道數(shù)十千伏)，開(kāi)關(guān)速度快(幾個(gè)納秒)，重復(fù)頻率較高，其缺點(diǎn)是晃動(dòng)較大。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，50年代半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)如雪崩三極管開(kāi)始進(jìn)入ns級(jí)技術(shù)領(lǐng)域。chakera根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)少數(shù)雪崩管電流建立時(shí)間很小約為1ns，并據(jù)此研制出1ns寬度的脈沖發(fā)生器，但半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)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(kāi)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(kāi)始研究雪崩管marx電路，70年代已經(jīng)用雪崩管輸出幾千伏、前沿幾個(gè)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(kāi)關(guān)具有重復(fù)率高、壽命高、晃動(dòng)極小等優(yōu)點(diǎn)，雪崩管脈沖源有了非常大的發(fā)展，并在部分領(lǐng)域已經(jīng)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(jí)、脈寬幾個(gè)納秒的高速高壓窄脈沖，但是由于器件本身的特點(diǎn)，其電流驅(qū)動(dòng)能力差，輸出脈沖寬度較窄，這限制了它的應(yīng)用。進(jìn)入70年代過(guò)后，功率mosfet管的出現(xiàn)，改變了這一現(xiàn)狀，由于其單管功率遠(yuǎn)大于雪崩管。目前單管電流(數(shù)十安培)、較高的漏源電壓(達(dá)千伏)、小的導(dǎo)通電阻(歐姆量級(jí))和較快的導(dǎo)通時(shí)間(納秒級(jí))的高壓金屬氧化物功率場(chǎng)效應(yīng)管，采用雪崩管驅(qū)動(dòng)能讓前沿大大減小到數(shù)納秒，串聯(lián)和并聯(lián)可以加大脈沖幅度和寬度，采用過(guò)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)后開(kāi)關(guān)速度得到進(jìn)一步提高。

國(guó)內(nèi)高壓快脈沖源的研究處于開(kāi)發(fā)階段，西安光機(jī)所曾用固體雪崩管做過(guò)幅度5kv數(shù)個(gè)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(xué)用mosfet管驅(qū)動(dòng)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種用于液相放電產(chǎn)生等離子體的高壓脈沖電源，解決現(xiàn)有高壓快脈沖源壽命短、不穩(wěn)定、噪音大、單管工作電壓較低的問(wèn)題。

本發(fā)明的發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種用于液相放電產(chǎn)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(fā)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(fā)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(kāi)關(guān)器件由多個(gè)功率igbt管串聯(lián)構(gòu)成。

優(yōu)選的，所述直流高壓發(fā)生電路包括依次連接的調(diào)壓整流電路、低壓逆變電路和脈沖升壓電路，所述調(diào)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(fā)器和晶閘管，所述脈沖升壓電路包括整流輸出電路。

優(yōu)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(guò)兩組相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制兩對(duì)開(kāi)關(guān)管。

優(yōu)選的，所述全橋逆變電路包括電阻r1、電阻r2、開(kāi)關(guān)管v1、開(kāi)關(guān)管v2、開(kāi)關(guān)管v3和開(kāi)關(guān)管v4，所述電阻r1依次串聯(lián)開(kāi)關(guān)管v1、開(kāi)關(guān)管v2和電阻r2，所述開(kāi)關(guān)管v3的一端連接在電阻r1與開(kāi)關(guān)管v1之間、另一端串聯(lián)開(kāi)關(guān)管v4后連接在電阻r2與開(kāi)關(guān)管v2之間。

優(yōu)選的，所述高壓逆變主電路包括多級(jí)充放電的串聯(lián)功率開(kāi)關(guān)管輸出電路，該多級(jí)充放電的串聯(lián)功率開(kāi)關(guān)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(gè)功率igbt管；所述電阻r5與電容c5、電容c6、電阻r6串聯(lián)；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(gè)功率igbt管依次串聯(lián)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(yōu)選的，各功率igbt管的門(mén)極均引出抽頭。

優(yōu)選的，所述抽頭串連有熔斷器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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(yōu)點(diǎn)是功率開(kāi)關(guān)管穩(wěn)態(tài)時(shí)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)速度快，高頻性能好，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，熱穩(wěn)定性優(yōu)良，無(wú)二次擊穿問(wèn)題，安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性能高等顯著特點(diǎn)。目前功率igbt開(kāi)關(guān)管的工作電壓已經(jīng)能達(dá)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(gè)高壓脈沖電源不可缺少的關(guān)鍵部件，不僅要起到低壓到高壓之間的轉(zhuǎn)換與隔離作用，而且要保證高壓逆變主電路中各串聯(lián)igbt的同步運(yùn)行。脈沖升壓變壓器中實(shí)現(xiàn)磁耦合的磁路不是普通變壓器的硅鋼片，采用磁導(dǎo)率較高的鐵鎳軟磁合金材料，以獲得更大的勵(lì)磁電感，提高能量傳輸效率。

4、高壓逆變控制電路獨(dú)立制作一套并聯(lián)諧振變換器控制器。該控制器包括過(guò)載保護(hù)功能、隔離器、脈沖發(fā)生器、死區(qū)調(diào)整電路及驅(qū)動(dòng)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(duì)高壓電路的控制，并設(shè)置過(guò)載保護(hù)功能；設(shè)置死區(qū)調(diào)節(jié)功能；跟蹤諧振頻率，保證最大功率輸出。

附圖說(shuō)明

圖1為液相放電等離子體的高壓脈沖電源的整體結(jié)構(gòu)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(jí)充放電的串聯(lián)功率開(kāi)關(guān)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(qū)動(dòng)電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例

本發(fā)明提供一種用于液相放電產(chǎn)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(fā)生電路，這部分主要包括調(diào)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(gè)系統(tǒng)提供可調(diào)的高壓源。調(diào)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(fā)器和晶閘管，脈沖升壓電路包括整流輸出電路。直流高壓發(fā)生電路的調(diào)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(dǎo)通角，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入正弦波電壓的調(diào)節(jié)。

第二部分，高壓逆變主電路，電源主電路的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)及器件選擇對(duì)整個(gè)高壓脈沖電源的技術(shù)指標(biāo)和性能有直接影響。高壓逆變主電路中的功率開(kāi)關(guān)器件選用性能良好的功率igbt管，并且采用串聯(lián)形式。使用瞬態(tài)電壓抑制器(tvs)，一種二極管形式的高效能保護(hù)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(qū)動(dòng)組成。直流高壓發(fā)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(diào)壓電路，調(diào)壓后的交流電源經(jīng)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(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)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(jīng)過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的交替逆變作用轉(zhuǎn)變成為所需的中頻陡前沿脈沖高壓。

涉及的部件具體說(shuō)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(kāi)關(guān)管v1、開(kāi)關(guān)管v2、開(kāi)關(guān)管v3和開(kāi)關(guān)管v4。電阻r1依次串聯(lián)開(kāi)關(guān)管v1、開(kāi)關(guān)管v2和電阻r2。開(kāi)關(guān)管v3的一端連接在電阻r1與開(kāi)關(guān)管v1之間、另一端串聯(lián)開(kāi)關(guān)管v4后連接在電阻r2與開(kāi)關(guān)管v2之間。本發(fā)明全橋逆變電路的工作需要兩組相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制兩對(duì)開(kāi)關(guān)管，具體就是v1和v4同時(shí)通斷，v2和v3同時(shí)通斷。當(dāng)v1和v4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，v2和v3截止，脈沖升壓變壓器的原邊電壓為左正右負(fù)的ud；反之，當(dāng)v2和v3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，v1和v4截止，脈沖升壓變壓器的原邊電壓為右正左負(fù)的ud。在四只開(kāi)關(guān)管都截止在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，開(kāi)關(guān)管端電壓和電壓尖峰和半橋電路相似。開(kāi)關(guān)管剛導(dǎo)通時(shí)的電流尖峰也同半橋電路相似。全橋式逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是功率開(kāi)關(guān)管穩(wěn)態(tài)時(shí)其上最高施加電壓即為輸入電壓。

多級(jí)充放電的串聯(lián)功率開(kāi)關(guān)電路

如圖3所示，多級(jí)充放電的串聯(lián)功率開(kāi)關(guān)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(gè)功率igbt管。電阻r5與電容c5、電容c6、電阻r6串聯(lián)。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(gè)功率igbt管依次串聯(lián)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(fā)明功率開(kāi)關(guān)器件igbt開(kāi)關(guān)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(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,兼有mosfet的高輸入阻抗和gtr的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。gtr飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；mosfet驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。igbt綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。igbt擊穿電壓可達(dá)1200v，集電極飽和電流可達(dá)1500a，工作頻率可達(dá)到20khz。

工作過(guò)程中采用多級(jí)電容充放電形式，起到多層保護(hù)。其中功率開(kāi)關(guān)器件采用串聯(lián)形式得到所需的高電壓，并采用多抽頭形式，得到多級(jí)可調(diào)的電壓，使該發(fā)明適應(yīng)各種水質(zhì)的處理。抽頭串連有熔斷器。

高壓控制回路驅(qū)動(dòng)電路

如圖4所示，高壓控制電路脈沖調(diào)制器選用mc33066，是由mororoca公司生產(chǎn)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(guān)斷、軟啟動(dòng)、單次脈沖發(fā)生器、5v基準(zhǔn)發(fā)生器和高性能運(yùn)算放大器等。且充電電源的控制分為外部遙控和充電機(jī)內(nèi)部本控兩部分，充電機(jī)的外部控制由一臺(tái)西門(mén)子的plc完成，充電機(jī)內(nèi)部控制板主要圍繞集成電路mc33066而設(shè)計(jì)，由于充電電源的頻率是固定的，vfo工作頻率可以通過(guò)調(diào)整電位器rp1來(lái)改變mc33066內(nèi)部運(yùn)放的輸出電壓而確定。mc33066的脈沖輸出有無(wú)則是通過(guò)控制mc33066的9腳(in⁺)電位高低來(lái)完成。當(dāng)9腳電壓為高時(shí)，mc33066有輸出，當(dāng)9腳電壓為低時(shí)，mc33066無(wú)輸出。

系統(tǒng)調(diào)試與分析過(guò)程中：首先在調(diào)壓整流電路中，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，控制移相觸發(fā)器和開(kāi)關(guān)器件獲得穩(wěn)定的正弦波形，為下一步做準(zhǔn)備；其次，對(duì)igbt控制電路進(jìn)行調(diào)試，控制電路提供的信號(hào)的好壞直接影響高壓電路中的脈沖調(diào)制器的輸出效果，將輸出頻率設(shè)置在10khz，調(diào)試脈沖波形；當(dāng)輸出幅值在30kv時(shí)，脈沖頻率在10khz時(shí)，高壓脈沖上升沿達(dá)到100ns，達(dá)到液相放電產(chǎn)生等離子體的最低要求。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出的是，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。