专利名称：一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高压脉冲产生装置，特别是涉及一种产生双极性纳秒高压窄 脉冲的双极性纳秒高压窄脉冲产生装置。
背景技术：
高压脉冲电源作为能量供给设备在脱硫脱硝、VOCs脱除、材料表面理化特性改变 等领域获得了广泛的应用。研究人员对高压脉冲电源输出的高压脉冲的上升前沿、脉冲宽 度以及脉冲极性等波形参数与被处理对象的处理效果等之间的关系做了深入的研究，获得 了不少研究结论。废水废气中的有害物质种类繁多，有些物质对电晕脉冲的极性较为敏感， 而脉冲宽度越窄，脉冲前沿越陡，越有利于脱除效率的提高，但是单极性脉冲不利于提高有 害物质的脱除效率，而且，单极性脉冲放电使处理装置上积累电荷，如果不释放将形成拖尾 电压，增强后续脉冲所形成的空间电场，造成间歇火花放电，不利于能量的注入。因此，更陡 脉冲前沿、更窄脉冲宽度的双极性纳秒高压窄脉冲产生技术成为脉冲功率技术应用研究领 域的新热点。《高电压技术》2004年发表了题为《脉冲电晕法中的双脉冲电源的研制》的文章， 2009年发表了题为《双极性脉冲电压下介质阻挡放电及其涤纶表面改性》的文章，《中国环 境科学》2006年发表了题为《双极性脉冲高压介质阻挡放电降解氯苯和甲苯》的文章，在这 些文章中都采用了双极性高压脉冲电源作为能量供给设备。这些双极性高压脉冲电源(利 用双极性高压脉冲产生装置的高压脉冲电源称为双极性高压脉冲电源)均由两台高压脉 冲电源构成，这两台高压脉冲电源采用旋转火花开关作为放电主开关，分别产生正负高压 脉冲，通过时序控制直接对处理装置输出双极性高压脉冲。旋转火花开关是机械式开关，不 能产生纳秒级高压窄脉冲，也不能在高重复频率下工作，而且还会造成回路电感大、振荡严 重、拖尾电压很高、峰值不稳定等问题。此外，两台高压脉冲电源和处理装置直接相连，不可 避免地在放电工作过程中相互干扰，导致双极性高压脉冲电源工作稳定性和可靠性降低。 通过对现有文献的调研，对于采用氢闸流管作为主放电开关、利用正负窄脉冲合成的双极 性纳秒高压窄脉冲产生技术未见报道。
实用新型内容本实用新型的目的是解决现有技术中双极性高压脉冲电源工作回路电感大、振荡 严重、拖尾电压很高、峰值不稳定等问题，提供一种采用氢闸流管作为主放电开关、利用正 负窄脉冲合成的双极性纳秒高压窄脉冲产生装置的双极性高压脉冲电源，提高双极性高压 脉冲电源工作效率、产生纳秒级高压窄脉冲以及减小回路电感、降低震荡、消除拖尾电压。为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种双极性纳秒高压窄脉冲装置，包括直流高压电路模块、同步触发控制电路模 块、正脉冲形成电路模块、负脉冲形成电路模块、高压脉冲合成电路模块，同步触发控制电 路模块分别与直流高压电路模块输入端、正脉冲形成电路模块输入端、负脉冲形成电路模块输入端电连接，直流高压电路模块分别与正脉冲形成电路模块输入端、负脉冲形成电路 模块输入端电连接，高压脉冲合成电路模块分别与正脉冲形成电路模块输出端、负脉冲形 成电路模块输出端电连接。所述高压脉冲合成电路模块输出端接负载，所述的等效负载包括电阻RlO电容 Cll,电阻RlO与电容Cll并联。所述直流高压电路模块包括直流高压电源1，所述正脉冲形成电路模块包括第一 储能电缆4、第一氢闸流管开关6、第二充电电阻2，所述的负脉冲形成电路模块包括第二储 能电缆5、第二氢间流管开关7、第三充电电阻3，所述高压脉冲合成电路模块包括第一升压 隔离变压器8、第二升压隔离变压器9，其中直流高压电路模块分别与第二充电电阻R2、第 三充电电阻R3连接，第二充电电阻R2与第二储能电缆5电缆芯连接，第二储能电缆5电缆 芯另一端分别与第二氢闸流管开关7、电阻分压器高压臂电阻R12连接，第二氢闸流管开关 另一端与第一升压隔离变压器8原边一端连接，电阻分压器高压臂电阻R12另一端与电阻 分压器低压臂电阻R13串联，第一升压隔离变压器8副边一端与电阻10与电容11组成的 等效负载并联电路一端连接，电阻分压器低压臂电阻R13另一端、第二储能电缆5电缆皮、 第一升压隔离变压器8原边另一端、第一升压隔离变压器8副边另一端共地；第三充电电阻 R3与第一储能电缆4电缆芯连接，第一储能电缆4电缆芯另一端与第一氢闸流管开关6连 接，第一储能电缆4电缆皮与升第二压隔离变压器9原边一端连接；第二升压隔离变压器9 副边一端与电阻10与电容11组成的等效负载并联电路一端连接，第一储能电缆4电缆皮、 第一氢闸流管开关6另一端、第二升压隔离变压器9原边另一端、第二升压隔离变压器9副 边另一端共地。所述储能电缆还被储能电容代替。从上述本实用新型的结构特征可以看出，其优点是1)利用该技术产生的双极性纳秒高压窄脉冲输出波形对称、稳定、重复性好，有利 于脱除效率和能量利用率的提高；2)采用该技术设计的电源可在高重复频率条件下工作，操作简单、故障率低、维修 方便、可长时间工作，有利于工业化应用。
本实用新型将通过附图比较以及结合实例的方式说明图1双极性纳秒高压窄脉冲产生装置原理框图；图2本实用新型的双极性纳秒高压窄脉冲产生电路图；图3是市电经过本实用新型装置处理后在等效负载上得到的波形图
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，
以下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本 实用新型，并不用于限定本实用新型。技术方案本实用新型提供一种采用氢闸流管作为主放电开关，利用正负脉冲合 成的双极性纳秒高压窄脉冲产生技术。通过对市电进行升压整流以后得到直流高电压为脉冲形成电路模块提供初级能源，脉冲形成电路模块形成正负纳秒高压窄脉冲，高压脉冲合 成电路模块将正负纳秒高压窄脉冲进一步升压合成，最后在处理设备输入端得到双极性纳 秒高压窄脉冲。该技术方案包括直流高压电路模块、同步触发控制电路模块、直流高压电路模块、 正负脉冲形成电路模块、同步触发控制电路模块、高压脉冲合成电路模块。正负脉冲形成电 路模块、高压脉冲合成电路模块为本设计的核心。直流高压电路模块是市电经过升压整流 后产生直流高电压。正负脉冲形成电路模块是本技术方案的核心，其功能是产生纳秒极高 压窄脉冲，为了提高输出脉冲的波形质量、提高电源工作频率，必须采用氢闸流管作为主开 关。同步触发控制电路模块主要输出控制信号对直流高压电路模块进行控制，并且产生两 路具有一定时间间隔的触发信号控制氢间流管闭合导通。高压脉冲合成电路模块也是本技 术方案的重要组成部分，其功能是将正负脉冲进行合成后输出到处理设备，为了消除正负 脉冲之间的相互干扰，提高高压脉冲电源的稳定性和可靠性，必须采用脉冲升压隔离变压 器对正负脉冲进行升压和隔离。电路框图如图1所示，包括直流高压电路模块、同步触发控制电路模块、直流高压 电路模块、正负脉冲形成电路模块、同步触发控制电路模块、高压脉冲合成电路模块。直流 高压电路模块包括直流高压电源1，其中同步触发控制电路模块分别与直流高压电路模块 输入端、正脉冲形成电路模块输入端、负脉冲形成电路模块输入端电连接，直流高压电路模 块分别与正脉冲形成电路模块输入端、负脉冲形成电路模块输入端电连接，高压脉冲合成 电路模块分别与正脉冲形成电路模块输出端、负脉冲形成电路模块输出端电连接。直流高 压电路模块是本技术方案的输入端，其功能是将市电经整流升压得到直流高电压；正负脉 冲形成电路模块的功能是分别产生设计所需的正负纳秒高压窄脉冲；高压脉冲合成电路模 块是本技术方案的输出端，直接和后端处理设备相连，其功能是将正负纳秒高压窄脉冲进 一步升压合成为双极性纳秒高压窄脉冲，将正负脉冲隔离，消除相互之间的干扰；同步触发 控制电路模块输出触发控制信号，分别对正负脉冲形成电路模块、直流高压电路模块进行 触发控制。具体电路设计如图2所示，直流高压电路模块包括直流高压电源1，正脉冲形成电 路模块包括第一储能电缆4、第一氢间流管开关6、第二充电电阻2，负脉冲形成电路模块包 括第二储能电缆5、第二氢间流管开关7、第三充电电阻3，高压脉冲合成电路模块包括第 一升压隔离变压器8、第二升压隔离变压器9，其中直流高压电路模块分别与第二充电电阻 R2、第三充电电阻R3连接，第二充电电阻R2与第二储能电缆5电缆芯连接，第二储能电缆5 电缆芯另一端分别与第二氢闸流管开关7、电阻分压器高压臂电阻R12连接，第二氢闸流管 开关另一端与第一升压隔离变压器8原边一端连接，电阻分压器高压臂电阻R12另一端与 电阻分压器低压臂电阻R13串联，第一升压隔离变压器8副边一端与电阻10与电容11组 成的等效负载并联电路一端连接，电阻分压器低压臂电阻R13另一端、第二储能电缆5电缆 皮、第一升压隔离变压器8原边另一端、第一升压隔离变压器8副边另一端共地；第三充电 电阻R3与第一储能电缆4电缆芯连接，第一储能电缆4电缆芯另一端与第一氢闸流管开关 6连接，第一储能电缆4电缆皮与升第二压隔离变压器9原边一端连接；第二升压隔离变压 器9副边一端与电阻10与电容11组成的等效负载并联电路一端连接，第一储能电缆4电缆 皮、第一氢闸流管开关6另一端、第二升压隔离变压器9原边另一端、第二升压隔离变压器9副边另一端共地。在该发明技术中，将市电升压整流后得到直流电压以及同步触发控制电 路模块均是成熟技术，所以图2中未将这两部分做详细描述，同步触发控制电路模块在图2 中采用带输入输出信号线的同步触发控制电路模块框图表示，将直流高压电路模块1对应 图1中的直流高压电路模块；图中CTRl控制直流高压电路模块对储能电缆进行充电，Sigl 电阻分压器也就是C点的输出信号，TrigU Trig2分别是同步触发控制电路模块产生的触 发信号，分别触发氢闸流管开关6和7。本技术方案的工作过程为首先，直流高压电路模块1将市电进行升压整流得到 直流高电压；其次，同步触发控制电路模块输出的控制信号Ctrl控制直流高压电路模块将 得到的直流高电压通过第二充电电阻2、第三充电电阻3分别对第一储能电缆4和第二储 能电缆5充电，当通过由电阻分压器高压臂电阻12、电阻分压器低压臂电阻13构成的电阻 分压器检测到储能电缆充电电压达到设定值时，返回信号Sigl到同步触发控制电路模块； 此时，同步触发控制电路模块输出触发脉冲Trigl触发使作为主放电开关的第一氢闸流管 开关6闭合，此时第一储能电缆4对第二升压隔离变压器9的原边放电产生正高压窄脉冲， 第一储能电缆4放电完毕后，同步触发控制电路模块输出触发脉冲Trig2触发使作为主放 电开关的氢闸流管开关7闭合，此时储能电缆5对升压隔离变压器8的原边放电产生负高 压窄脉冲；最后，通过第一升压隔离变压器8、第二升压隔离变压器9合成以后，在处理设备 等效负载10、11两端A、B两点产生具有一定相位差的双极性纳秒高压窄脉冲。通过同步触 发控制电路模块控制第一氢间流管开关6、第二氢间流管开关7反复闭合，就能在处理设备 负载上产生重复频率的双极性纳秒高压窄脉冲。这个相位差值与设定的Trigl、Trig2之间 的时间间隔相等。为了确定这个相位差值，在工作过程中，可以在储能电缆充电完毕以后， 通过同步触发控制电路模块设定只给出触发信号Trigl，此时在A、B两点只产生正高压窄 脉冲，通过测量该脉冲的宽度，可以得到两路触发信号同时工作时的时间间隔值，即为相位 差值。在具体实施过程中，也可以采用高压开关电源替代高压直流电源部分，此时充电电阻 2、3不需要；储能电缆也可以根据需要换成储能电容等储能器件；作为主放电开关的氢闸 流管，根据具体方案选择适当的参数；根据需要，可以将第一升压隔离变压器8、第二升压 隔离变压器9绕制成一个变压器。无论采用哪种方案，主电路的工作流程和电气信号流向 始终不变。如果要在A、B两点之间产生幅值50kV，脉宽200ns的双极性纳秒高压窄脉冲，其参 数选择和工作流程为第一储能电缆4、第二储能电缆5的绝缘耐压为20kV，长度为40米， 选择氢闸流管开关的工作电压为10kV，第一升压隔离变压器8、第二升压隔离变压器9的变 比为1 5，如图2构成以后，开始工作。通过同步触发控制电路模块设定充电电压为10kV， 设定两路触发信号时间间隔为200ns，当经过直流高压电路模块1升压整流的直流高电压 将储能电缆4、5充电到IOkV以后，通过C点将信号返回到同步触发控制电路模块，同步触 发控制电路模块输出触发信号Trigl触发第一氢间流管开关6闭合，第一储能电缆4对第 二升压隔离变压器9原边放电，在升压隔离变压器副边产生50kV的正高压窄脉冲；200ns 后，第一储能电缆4放电完毕，同步触发控制电路模块输出触发信号Trig2，触发第二氢闸 流管开关7闭合，第二储能电缆5对第一升压隔离变压器8原边放电，在升压隔离变压器副 边产生50kV的负高压窄脉冲。此时，从A、B两点来看，在负载上就输出了对称的双极性纳 秒高压窄脉冲，其波形图如图3所示。理论上，根据实际需求，通过本技术方案，可以产生任意电压幅值，任意脉冲宽度、任意相位差的双极性高压窄脉冲，实际上，最高电压幅值受 到关键器件氢闸流管开关和升压隔离变压器的限制。目前，常用的氢闸流管最高工作电压 约70kV左右，如果单纯通过增加升压隔离变压器的变比来提高电压，最终将影响到输出脉 冲的上升前沿，导致无法输出纳秒级上升前沿的高压窄脉冲。而且，在相关领域的工业应用 中，更高的工作电压，意味着更高甚至难以承受的成本增加。因此，本技术方案在500kV以 下工作电压范围，具有较大的成本优势，对输出更高电压的需要，必然导致成本增加。图3是市电经过本实用新型装置处理后在等效负载上得到的波形图。其中横轴为 200ns/格，纵轴为20kV/格。本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙 述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只 是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
权利要求1.一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置，包括直流高压电路模块、同步触发控制电路 模块，其特征在于还包括正脉冲形成电路模块、负脉冲形成电路模块、高压脉冲合成电路模 块，同步触发控制电路模块分别与直流高压电路模块输入端、正脉冲形成电路模块输入端、 负脉冲形成电路模块输入端电连接，直流高压电路模块分别与正脉冲形成电路模块输入 端、负脉冲形成电路模块输入端电连接，高压脉冲合成电路模块分别与正脉冲形成电路模 块输出端、负脉冲形成电路模块输出端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置，其特征在于所述高压 脉冲合成电路模块输出端接负载，所述的等效负载包括电阻(R10)、电容(C11)，电阻(RlO) 与电容(Cll)并联。
3.根据权利要求1所述的一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置，其特征在于所述直 流高压电路模块包括直流高压电源(1)，所述正脉冲形成电路模块包括第一储能电缆G)、 第一氢闸流管开关(6)、第二充电电阻0)，所述的负脉冲形成电路模块包括第二储能电 缆(5)、第二氢闸流管开关(7)、第三充电电阻(3)，所述高压脉冲合成电路模块包括第一升 压隔离变压器(8)、第二升压隔离变压器(9)，其中直流高压电路模块分别与第二充电电阻 (R2)、第三充电电阻(R3)连接，第二充电电阻(R2)与第二储能电缆(5)电缆芯连接，第二 储能电缆(5)电缆芯另一端分别与第二氢闸流管开关(7)、电阻分压器高压臂电阻(R12)连 接，第二氢闸流管开关(7)另一端与第一升压隔离变压器(8)原边一端连接，电阻分压器高 压臂电阻(R12)另一端与电阻分压器低压臂电阻(R13)串联，第一升压隔离变压器(8)副 边一端与电阻(10)与电容(11)组成的等效负载并联电路一端连接，电阻分压器低压臂电 阻(R13)另一端、第二储能电缆(5)电缆皮、第一升压隔离变压器(8)原边另一端、第一升 压隔离变压器(8)副边另一端共地；第三充电电阻(R3)与第一储能电缆电缆芯连接， 第一储能电缆电缆芯另一端与第一氢闸流管开关(6)连接，第一储能电缆电缆皮 与升第二压隔离变压器(9)原边一端连接；第二升压隔离变压器(9)副边一端与电阻(10) 与电容(11)组成的等效负载并联电路一端连接，第一储能电缆电缆皮、第一氢闸流管 开关(6)另一端、第二升压隔离变压器(9)原边另一端、第二升压隔离变压器(9)副边另一 端共地。
4.根据权利要求3所述的一种双极性纳秒高压窄脉冲产生装置，其特征在于所述储能 电缆还被储能电容代替。
专利摘要本实用新型涉及一种高压脉冲产生装置，特别是涉及一种产生双极性纳秒高压窄脉冲的装置。解决现有技术的双极性高压脉冲电源工作回路电感大、振荡严重、拖尾电压很高、峰值不稳定的问题。技术方案包括直流高压电路模块、同步触发控制电路模块、正脉冲形成电路模块、负脉冲形成电路模块、高压脉冲合成电路模块。应用于脱硫脱硝、VOCs脱除、材料表面改性等领域的高压窄脉冲电源设计电路中。
文档编号H02M9/02GK201904738SQ20102063531
公开日2011年7月20日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者丁明军, 于治国, 代刚, 任青毅, 冯宗明, 冯莉, 叶超, 吴红光, 张振涛, 曹宁翔, 曹科峰, 李亚维, 李巨, 李晏敏, 李玺钦, 梁川, 王卫, 王浩, 谢敏, 贾兴, 赵娟, 邓明海, 邓维军, 马军, 马勋, 马成刚, 黄斌, 黄雷, 龙燕 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所