等离子体高压脉冲电源
科技成果——高压特种电源技术
科技成果——高压特种电源技术技术开发单位中科院电工研究所项目简介将现代电力电子及控制技术与传统高压特种电源技术相结合，采用新型元件、材料和优化的拓扑结构，研发并形成四个高压特种电源系列：高压变频特种电源、纳秒脉冲特种电源、大电流脉冲电源、充电电源，技术参数如下：1、高频高压特种电源功率等级：2kW及以下；输出形式：1-50kHz交流电压、直流电压；输出电压：高频交流输出高达1-30kV，直流输出高达100kV或更高。
高压变频电源2、纳秒脉冲特种电源功率等级：2kW及以下；输出电流：0.1-1000A；输出电压：5-50kV；脉冲宽度：30ns-几百ns，分档可调。
3、大电流脉冲电源储能：兆焦级及以下；输出电流：百千安级及以下；输出电压：30kV及以下；脉冲宽度：几十微秒-几毫秒，通过叠加技术可以增加宽度。
纳秒脉冲电源大电流脉冲电源4、充电电源功率等级：单机功率1-40kW，采用并联技术，系统功率可达几百千瓦；输出电压：1-30kV，采用倍压技术可达到更高输出电压；输出形式：恒定脉动直流；功率密度：最高2MW/m3。
以上电源均实现了嵌入式数字控制，通过光纤通信实现了远程控制。
充电电源应用范围高压电源在军事、科研、工业、农业、医疗、环境保护等各领域均有应用，主要作为各领域所需的高压电信号（高压直流、高压交流、高压大电流脉冲、高压纳秒脉冲）发生装置使用。
如高压交、直流电源可用于材料处理、高压高频信号发生器、绝缘耐压测试仪等使用，纳秒脉冲电源可用于等离子体放电应用，高压大电流脉冲电源可用于地质勘探、脉冲功率源使用，充电电源主要作为脉冲电源的供电电源，用于给大容量高压电容器快速充电。
项目所处阶段样机研制阶段。
市场前景高压特种电源多年来由于用户量少而发展缓慢，而国外产品早在十几年甚至几十年前就已系列化，国内技术和应用发展均相对滞后。
基于高压脉冲功率技术研究需求，电工所自主研发涵盖多个应用领域的不同输出形式的高压特种电源，不断开展应用研究，不仅用于科研，还大力与工、农、医、环境等各行业接轨，具有较好的经济效益和社会效益。
等离子电源的干扰与抑制
「电力系统」等离子电源的干扰与抑制文/江苏熔盛重工有限公司工务保障部倪振峰造船行业有大量的钢板需切割加工，数控切割机因切割速度快，精度高及切口质量好而被普遍使用。
目前，国内数控等离子切割机使用量最大，其配置的美国HYPRETHERM等离子电源占相当大的比例。
电源具有大电流斩波器及引弧用的高压高频信号，产生的等离子弧是一种高电场强度、高能量的压缩电弧，是一种强干扰源。
H T4400 等离子电源系统组件包括电源、机割炬、阀组、气体操作台、高频操作台和冷却器等。
其中电源里有 4 个 100 A，15 kHz 的斩波器，可生成高达400 A 的恒定直流电输出；高频操作台产生一种高压、高频信号，并将信号接到电极接头和引弧接头。
由此可知，等离子电源工作时的高频信号、大电流及高强度电弧将对控制部分及周围设备产生干扰。
其干扰途径为经公共阻抗的耦合干扰和电磁场的耦合干扰。
如果必须这样使用，应尽力减小公共阻抗，使其达到系统抗干扰容限要求。
图 2 是并联接地方法，并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关，互相之间不会造成耦合干扰。
因此，有效地克服了公共地线阻抗的耦合干扰问题。
接地抗干扰技术接地抗干扰技术的主要内容，其一是避开地环电流的干扰；其二是降低公共地线阻抗的耦合干扰。
“一点接地”有效地避开了地环电流；而在“一点接地”前提下，并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施。
1. 串联接地及并联接地图1 是公共接地线成为公共阻抗的典型例子，2. 等离子电源系统接地包括设备接地和工作台接地良好的接地系统能有效抑制等离子电源产生的公共阻抗的耦合干扰和电磁场耦合干扰。
(1) 设备接地等离子电源系统组件及辅助组件需连接到电源的P E 接头或设备的接地体上，每个组件只能采用“一点接地”，以免形成接地回路，产生地环流干扰。
如果有机壳接地到工作台上，则工作台必须与电源接地相连接。
图 3 为接地连接配置图，通常高频操作台安装在工作台附近，并直接与工作台接地相连，其他组件安装在电源附近，并直接与其接地相连。
等离子体源（plasma
等离⼦体源（plasma sources）的原理及应⽤R&R公司同时提供等离⼦体源以及等离⼦体源相关的刻蚀、薄膜沉积设备。
其等离⼦体源主要分成平⾏平板等离⼦体源、微波等离⼦体源以及ICP⾼频等离⼦体源。
平⾏平板等离⼦体源（电容耦合）电容耦合等离⼦体源采⽤直径300mm的两圆型平⾏平板作为上下电极，平板间距离从30mm到100mm可调。
射频电源频率为13.56 MHz，通过配⽹耦合到上下极板上。
样品采⽤电阻式加热，最⾼加热温度600℃，均匀性较好；为了获得更均匀的⽓场，上极板采⽤淋浴头型多孔结构。
微波等离⼦体微波等离⼦体的放电原理与微波离⼦源基本相同，也同样可以利⽤微波电⼦回旋共振(ECR)技术来维持对反应⽓体的辉光放电，对控制薄膜的成分和镀膜内应⼒的较为灵活，它具有运⾏⽓压低(10-1 Pa量级)、等离⼦体密度⾼(1011～1012 cm-3)、电离度⾼(约10%)、反应粒⼦活性⾼、离⼦能量低、⽆⾼能粒⼦损伤、且⽆内电极放电、没有污染、磁场约束、减少等离⼦体与反应室壁的相互作⽤、薄膜杂质含量少等许多其它⼯艺⽆法相⽐的优点，因⽽具有低温下制备均匀、致密、光滑、纯净的⾼品质功能性薄膜的巨⼤潜⼒。
电感耦合(ICP)⾼频等离⼦体利⽤电感耦合⾼频等离⼦体（ICP）装置由⾼频发⽣器和感应圈、辉光放电管和供⽓系统、试样引⼊系统三部分组成。
⾼频发⽣器的作⽤是产⽣⾼频磁场以供给等离⼦体能量。
当有⾼频电流通过线圈时，产⽣轴向磁场，这时若⽤⾼频点⽕装置产⽣放电，形成的离⼦与电⼦在电磁场作⽤下，与原⼦碰撞并使之电离，形成更多的载流⼦，当载流⼦多到⾜以使⽓体有⾜够的导电率时，在垂直于磁场⽅向的截⾯上就会感⽣出流经闭合圆形路径的涡流，强⼤的电流产⽣⾼热⼜将⽓体加热。
感应线圈将能量耦合给等离⼦体，并维持等离⼦辉光放电。
等离⼦体源的应⽤反应离⼦刻蚀RIE反应离⼦刻蚀：这种刻蚀过程同时兼有物理和化学两种作⽤。
Plasma原理介绍
等离子体波仿真。利用粒子模拟法跟 踪带电粒子在电磁场中的运动，模拟 等离子体波的传播和演化过程，研究 等离子体波的激发机制、传播特性等 问题。
03ห้องสมุดไป่ตู้
案例三
等离子体化学反应仿真。通过建立化 学反应动力学模型、设置反应条件和 边界条件等步骤，模拟等离子体中的 化学反应过程，分析反应产物的成分 和性质。
感谢观看
应用领域
金属、陶瓷、塑料等材料的表面改性 ，提高材料的性能和使用寿命。
环保领域中的等离子体处理技术
等离子体环保技术
利用等离子体的高能量密度和活性物种，对 废气、废水中的污染物进行高效处理。
应用领域
工业废气处理、污水处理、固体废弃物处理 等，实现环保和资源的有效利用。
05
Plasma诊断技术与方法
04
Plasma化学性质与应用研 究
等离子体化学反应类型及特点
等离子体化学反应类型
包括分解反应、合成反应、氧化还原反 应等。
VS
等离子体化学反应特点
反应速率快、反应条件温和、反应选择性 高。
材料表面改性技术应用
材料表面改性方法
通过等离子体处理改变材料表面的物 理和化学性质，如提高硬度、耐磨性 、耐腐蚀性等。
Plasma，中文称为“等离子体”，是 由部分电子被剥夺后的原子及原子团 被电离后产生的正负离子组成的离子 化气体状物质。
发Pla展sm历a的程研究起源于19世纪，随着
20世纪物理学的发展，尤其是电磁学 和原子物理学的进步，人们对Plasma 的认识逐渐深入。目前，Plasma技术 已广泛应用于能源、材料、环保、医 学等领域。
间距。
02
反应器设计
反应器的形状、材料和内部结构等参数会影响等离子体的分布和均匀性
【国家自然科学基金】_高压脉冲电源_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
科研热词 介质阻挡放电 重复频率 多脉冲辉光放电 lissajous图形 高压rsd堆 预充电荷 铝电极 重频高压 重频耐受时间 重频ns脉冲 辉光放电 谐振充电 触发电路 触发模型 触发开关 触发反馈信号 螺旋脉冲形成线 苯 脉宽调制控制 脉冲电源 脉冲宽度 脉冲功率技术 磁芯脉冲变压器 放电过程 形成条件 开关电源 并联谐振 多脉冲放电 固体击穿 含油废水 双栅极空气计数管 双极性脉冲高压 参数设计 关断信号 关断保护 催化 低能电子 低温等离子体 低压脉冲电解 串联谐振 ns脉冲电源 co_2选择性
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
科研热词 高压驱动电路 高压隔离驱动电源 高压隔离电源 高压脉冲电源 陡脉冲 降解 脉冲高压 脉冲电晕 肿瘤细胞 纳秒脉冲电场 等离子体离子注入 碳氧化物选择性 电磁送能 电源 甲硫醚 混合vocs去除 注入均匀性 发生器 动力学 凋亡 lc网络
plasma原理
干涉测量（Interferometry）
利用光的干涉现象测量等离子体的电子密度分布和折射率变化，从而得到等离子体的密 度和形状。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电学诊断技术
静电探针（Langmuir Probe）
通过测量插入等离子体中的静电探针上的电流和电压特性，可以推断出等离子体的电子 密度、电子温度和等离子体电位等参数。
。因为粒子运动形成电流，而电流又产生磁场并反过来影响粒子运动。
等离子体分类与特点
高温等离子体
低温等离子体
温度相当于108~109K完全电离的等离子体 ，如太阳、受控热核聚变等离子体。
指部分电离的，整体保持电中性的气体， 其温度一般略高于或接近常温。
燃烧等离子体
辉光放电等离子体
温度为102~105K，适当浓度的燃料和氧化 剂混合并点燃后，高温燃烧产生的包含大 量正负带电粒子和中性粒子的体系。
plasma原理
汇报人：XX
目 录
• 等离子体基本概念与性质 • Plasma产生方法与设备 • Plasma物理过程与机制 • Plasma化学过程与反应机制 • Plasma诊断技术与方法 • Plasma应用领域及前景展望
01
等离子体基本概念与性质
等离子体定义及组成
等离子体定义
等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成 的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动行为 主要由电磁力支配，并表现出显著的集体行为。
03
Plasma物理过程与机制
粒子间相互作用力
库仑力
带电粒子之间的相互作用力，遵 循库仑定律，同种电荷相互排斥 ，异种电荷相互吸引。
等离子体发生器高压放电特性研究.
第9卷第3期强激光与粒子束V o l. 9, N o . 31997年8月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM SA ug . , 1997等离子体发生器高压放电特性研究Ξ陈林周之奎孙承纬(中国工程物理研究院流体物理研究所, 成都523信箱58分箱, 610003摘要从实验和理论两个方面研究了等离子体发生器随毛细管的几何尺寸和PFN 网络的初始充电电压等参数变化的放电规律, 结果将有助于改进等离子体发生器的设计和提高放电的效能。
关键词PFN 网络等离子体发生器定态等温模型放电特性ABSTRACT In th is paper , the dependence of discharge character of p las m a generato r on the geom etric scale of cap illary and the in itial charge vo ltage of PFN has been studied in exper 2i m en ts and the resu lts w ill con tribu te to i m p rove the design of p las m a generato r and increase it’sdischarge efficiency .KEY WOR D S PFN , p las m a generato r , iso therm al and steady model , discharge charac 2ter .等离子体发生器的放电过程:随着PFN 网络放电而形成的脉冲大电流通过金属箔, 金属箔经历固态加热、熔化、汽化、电爆炸以至电离的过程, 形成毛细管内的初始电弧, 烧蚀聚乙烯管壁, 形成等离子体。
随着温度和压力的升高, 等离子体在管口形成喷射, 一段时间后, 形成以当地声速的稳定喷射。
低温等离子体消毒灭菌设备电源的研究与设计
源 的设计 中，研制 了一款 原理简单 、控 制和调节性 能好 ， 有消 除谐 波、调节和稳定输 出电压等诸 多特 点的单相输 出电压 可 具 调、频率连续可调的新型等离子体 高压 电源 。
【 关键 词】低温等离子体；ＳＶＶ ＰＣ［ ２脉宽调制；逆变电 路
１引 言 ．
技术上 具有 极高 的潜在应 用价 值 。
周期 比Ｋ 个脉冲 电压 的平均值：
Ｕ ／ ｃＵｍ ｉ （／ｃ 由Ｕ （Ｖ ｄ Ｔ＝ｒ ｓｎＩ Ｕｍ ｏＡ） Ｔ ）
＝ Ｏ （ｃ ＞ ｒ ￣Ｍ Ｕ ｍ Ｕ ｍ Ｕ １ Ｆ ＞ Ｆ ） － ｒ ／ ｃ ，瞬 时
值 ：Ｕ ＩＵ ／ ｃＵ ＊ｒ／ｃ ＊ｉ ｋ Ｏ＝ ｄ Ｔ： ｄＵｍＵ ｍ ｓｎ Ｔ Ｑ
在系 统主 电路 中，单相交 流 电 Ｖ ，输 出电压ｕ＝ ４ ０ 。 ｕ 晶闸管刚触 发导通 时 ， 由于 电
等离子体高压 电 经低 频半 控桥式整 流之 后进行 大 电
源则起到关键作用 。它的性能在很大 容滤 波 ，得 到较平 滑 的且 电压 大小 感元 件产 生阻碍 电流变 化 的感应 电 程度上影响等离子体发生器 的性能。 传统的高压电源因体积和重量都大， 可调 的直流输 出电压 ，经Ｈ 电压型 动 势 ，电路 中的 电流不 能跃 变 ，将 桥 逆 变 电路 以及低 通滤 波器 ，转换成 由零逐渐 上升 。 当电流到达 最大值
＝ Ｕｒ ｍｌ ｎ Ｑ ｋ＝Ｕｄ ： Ｍ Ｕ ＝ Ｂ Ｓｎ ｔ ｎ １３ ５ ｏ ｎ ｉＮａ ＝ ．． …… ＴＣ Ｕｄ木 ｍ／ＵＣ ：ｓｉ ｃ ）
电压 脉冲 宽度和 周期 以达到变 压 目 的或 者控制 电压 脉冲 宽度和脉 冲列
ａ Ｂ ＝／ ｎ ２ Ⅱ，０ Ｕ Ｓ ｎ （ｔ （） ） ｓｎ 。可 以看出输 出电压 的频率相 Ⅱ ｏ ｉＮ Ｉ ｄ （ｔ ） ＾ ｉ ｋ ＝Ｕ ／ ｃ ｓ ２ ｄＮｎ（ｏ Ｎｏ卜ｃ ｓ ２ ｏ Ｎ ｏ 位就是 由正弦波调制信号来调控 的。 本设计采用ＰＭ ｗ 控Ｎ／ 驱动器Ｉ芯 ｃ
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第５Ｏ卷第１１期 ２０１６年１１月 电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖ０１．５０．Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２Ｏｌ６
等离子体高压脉冲电源 孙 柯 ，嵇保健 ，洪 峰 ，虞超群 （１．南京工业大学，电气工程与控制科学学院，江苏南京２１１８１６； ２．南京航空航天大学，电子信息工程学院，江苏南京２１００１６）
摘要：研制了一种基于Ｍａｒｘ发生器用于工业废水处理的高压脉冲电源，介绍了其工作原理、同步驱动电路及 主要参数。Ｍａｒｘ发生器共３２级使用固态绝缘栅型双极晶体管（ＩＧＢＴ）和快恢复二极管为发生器的结构元件。聚 丙烯（ＣＢＢ）电容为储能元件。结构上采用顺／逆时针分部的紧凑型拓扑，降低了回路电感，实现了电源体积小型 化；为防止ＩＧＢＴ因负载短路而损坏，驱动电路中加入无源保护电路。实验表明其在处理工业废水中效果优良。 关键词：脉冲电源；发生器；无源保护；同步驱动 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１６）１１－００８５—０３
Ｐｌａｓｍａ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ＳＵＮ Ｋｅ ，ＪＩ Ｂａｏ－ｊｉａｎ ，ＨＯＮＧ Ｆｅｎｇ￣，ＹＵ Ｃｈａｏ—ｑｕｎ （１．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓ ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１８１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｓｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｕｌｓｅ ｐｏｗｅｒ ｗｉｔｈ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｒｘ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ Ｍａｒｘ ｇｅｎｅｍ￣ｒ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ３２ ｓｔａｇｅｓ．Ｅａｃｈ ｓｔａｇｅ ｕｓｅｓ ｓｗｉｔｃｈ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ），ｆａｓｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｄｉｏｄｅ ａｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｔｈｅ ＣＢＢ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｉｓ ｓｔｏｒａｇｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ａ ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ／ｃｏｕｎｔｅｒ－ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ ｒｉｎｇ— ｓｈａｐｅｄ ｃｏｍｐａｃｔ ｃｏｎｆｉｇｎｒａｔｉｏｎ ｉｓ ａｐｐｈｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｌｏｏｐ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ｔｈｅ ＩＧＢＴ ａｔ ｔｈｅ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏａｄ ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ，ａ ｐａｓｓｉｖｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｓｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｐａｓｓｉｖｅ ｐｒｏ￣ｃｆｉｏｎ；ｄｒｉｖｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｓｅｄ ｂｙ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｙｏｕｔｈ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．ＢＫ２０１４０９４４）
１ 引 言 目前，高频脉冲电源分为两种：①通过脉宽调 制技术直接获取的各种高频高压脉冲波形的形变 电源：②通过高频直流与高频交流叠加形成的交直 流电源［１】。形变电源中Ｍａｒｘ发生器应用广泛。许多 传统Ｍａｒｘ发生器以火花隙和闸流管等气体开关 作为主开关。不过气体开关存在寿命短、重复率低 等问题［２］。废水处理中要求经济实用性好、输出脉 冲前沿迅速及重复率高，为实现这些要求，采用 ＩＧＢＴ做主开关。借鉴国内外经验。研制出一台快 前沿高重复率的紧凑型Ｍａｒｘ发生器。
２ Ｍａｒｘ发生器 ２．１ 主电路及工作原理 图１为３０ ｋＶ高压脉冲电源电路。Ｍａｒｘ发生
基金项目：江苏省自然科学青年基金（ＢＫ２Ｏ１４ｏ９４４） 定稿日期：２０１６—０５—０４ 作者简介：孙 柯（１９９１一），男，江苏如皋人，硕士，研究方 向为新能源并网及脉冲功率技术。
器实际共３２个单元，采用顺／逆时针分部的方式可 降低回路电感实现电源体积小型化【３】。为方便，图１ 只表示４个Ｍａｒｘ单元。每个单元电路由１个ＩＧＢＴ、 １个电容及２个快恢复二极管组成。Ｍａｒｘ发生器采 用全桥直流变换器为充电电源．对Ｍａｒｘ发生器充 电时，电路中ＩＧＢＴ关断，电容Ｃ并联通过大电感 和二极管获得相等电压。当驱动信号送达ＩＧＢＴ ｆ－ｊ 极。开关管同时导通，Ｃ通过ＩＧＢＴ串联在负载端 形成高压脉冲。使用二极管代替充电电阻或电感 既可减少功率损耗．又可在ＩＧＢＴ发生故障时自动 隔离本单元开关管直接给下一个单元电容充电。 此处使用大电感有助于充电时提高充电速度．起 限流作用保护二极管，在电容串联放电时电感会 承受大部分负载上的高电压，保护充电电源【４】。
图１ ３０ ｋＶ高压脉冲发生器电路结构 Ｆｉｇ．１ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ３０ ｋＶ ｈｉ【ｓｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ８５ 第５Ｏ卷第１１期 ２Ｏ１６年１１月 电力电子技术
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．５０，Ｎｏ．１１
Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０ｌ６
２．２驱动电路 传统驱动电路采用驱动变压器次级多路输出 ＩＧＢＴ实现驱动同步【５］。但在一定电压等级下输出 脉宽受到磁芯伏秒积的限制。输出脉冲的上升沿 也会受到变压器漏感的影响而不能实现快前沿的 要求［６３。这里电源驱动电路的设计具有更好的同步 性和良好的电气绝缘性。此处设计的Ｍａｒｘ发生器 中包含４个模块共用到３２个ＩＧＢＴ，即每个模块使 用８个ＩＧＢＴ。每个模块驱动电路使用２个有源驱 动和７个无源驱动（驱动电路如图２），驱动电路 中包含一个ＲＣＤ电路。其既有驱动开关管门极的 作用又有缓冲电路的作用。 Ｒ４ Ｉ； Ｖｍｌ 凡 Ｃ Ｖ—ＤｏｎＶｓ ＩＩ ＿【 Ｒ３重ｖ 图２ ＩＧＢＴ驱动电路 Ｆｉｇ．２ ＩＧＢＴ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ 假设在开关管Ｖ 打开之前，ＲＣＤ回路中的 电容通过主电路电压分压充上电。当驱动信号１ 送达Ｖ。，门极，Ｖ 导通，Ｖ。，集电极和发射极之间 电压降低使得ＲＣＤ回路导通。此时，ＲＣＤ回路中的 电容ｃ２放电通过电阻 和二极管ＶＤ 将驱动电 压传输到开关管Ｖ 上。Ｖ 的集电极和发射极之 间电压开始降低，同理，Ｖ 两极之间电压的降低 使得ＲＣＤ回路中的 放电再通过电阻Ｒ 和ＶＤ 将能量传输到下一个开关管Ｖ 。该模块中的所有 开关管Ｖ Ｖ 通过这种方式同时导通。当驱动信 号２通过二极管ＶＤ 送达场效应管Ｖ 。～Ｖ柚，Ｖ。。～ Ｖ醴门极电压降低，所有开关管同时关断。使用两 个有源驱动信号使得每一单元中的开关管关断同 步性得到了很大提高。ＩＧＢＴ需要隔离的驱动电源 信号。此处使用两个磁环进行磁隔离且两个有源 驱动使用５０ ｋＶ绝缘线做初次级绕组。 大多数半导体开关管具有很大的耐过流能力 但耐过压能力却不足。因此ＩＧＢＴ串联应用时均压 措施非常重要。ＩＧＢＴ关断时，靠开关管与电阻并 联实现均压．而在ＩＧＢＴ导通瞬间依靠ＲＣＤ电路 实现均压，此时ＲＣＤ回路起缓冲器作用。 ２．３驱动保护电路 高压脉冲电源的负载是容性负载，在废水处 理时．负载容易发生短路导致流过ＩＧＢＴ中的电流 突增造成ＩＧＢＴ损坏。快速保护是脉冲功率电源的 重要组成部分。为防止ＩＧＢＴ因短路而损坏，设计 中在每个ＩＧＢＴ上加上一个无源保护电路，无源保 护电路如图３所示。
： 图３无源保护电路 Ｆｉｇ．３ Ｐａｓｓｉｖｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ
当负载发生短路时流过康铜丝电阻Ｒ 中的 电流快速增大。致使电阻两端的电压随之变大。 ＩＧＢＴ的门极和发射极之间电压降低。根据ＩＧＢＴ 伏安特性，当驱动电压即集射极间电压降到一定 值．ＩＧＢＴ的工作特性进入饱和区，此时ＩＧＢＴ仍处 于导通状态。但集电极和发射极之间的电压增大， 使通过ＩＧＢＴ的最大电流受到限制。防止了开关管 的损坏。图３中的三极管Ｖ 是为了在负载短路时 ＩＧＢＴ可实现软关断。
３参数设计与器件选取 ３．１ 电感参数计算 电感在Ｍａｒｘ发生器中起限制回路充电电流及 隔离放电时高电压的作用。电感参数选取对Ｍａｒｘ 发生器的稳定性非常重要。首先电感耐压值应大 于Ｍａｒｘ发生器输出脉冲最大值３０ ｋＶ，设计中，电 感耐压值选为４０ ｋＶ。放电回路中 为隔离电感， 为减少旁路放电损失及提高同步性。 应满足： ＋ ≤１Ｔ、／ Ｃ ／２ （１） 式中： 为放电建立时间； 为输出脉宽时间；Ｌ为电感； 为Ｍａｒｘ发生器总电容之和。 为了限制最大电感电流不超过ＩＧＢＴ的最大 电流值， 还应满足： ≥ 既／ （２） 式中： 为最大电感电压； 为最大脉冲宽度； 为 流过电感Ｌ的最大电流。 为满足上述条件，设计Ｌ＝２００ Ｈ。电感中灌 入绝缘树脂，并在电感两端加上高压瓷瓶绝缘端 子提高电感的绝缘性和耐压值。 ３．２ 电容参数计算 当开关管打开时．电容通过开关管串联在负载