一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统

本发明属于脉冲电源，尤其涉及一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、目前，高压纳秒脉冲电源在等离子体高能点火、表面处理、催化裂解等领域有十分广泛的应用。

3、脉冲电源作为激励源时的能量利用率更高，产生的等离子体更加均匀稳定。而在单极性脉冲电源基础上发展而来的双极性脉冲电源比前者的性能更优越。纳秒脉冲具有多种放电形式，其中，介质阻挡放电(di e l ectr i c barr i er di scharge，dbd)在获取低温等离子体进行点火方面表现比较优异，非平衡等离子体点火需要较窄的脉宽、较快的上升沿、较高的电压幅值以及更高的重复频率，且要求脉冲电源长时间工作，而传统的微秒级脉冲电源已无法满足该要求。

4、综上所述，传统的纳秒脉冲电源无法同时满足高重复频率、高电压幅值、快上升沿、双极性脉冲的输出要求，且瞬时功率不足，实验装置复杂，无法长时间稳定工作。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，其能够在高重复频率工作模式下输出高压纳秒级单/双极性脉冲，脉冲重复频率可达20khz，输出电压幅值可达10kv，单双极性可进行转换，并提出一种满足单双极性脉冲需要的双螺旋式介质阻挡放电电极，延长流注的发展距离。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，包括：

4、驱动模块、i gbt逆变电路、滤波输入电路、zvs谐振电路、脉冲变压器、磁压缩电路、单双极性转换模块、双极性脉冲电极；

5、所述i gbt逆变电路在接收到驱动模块输出的i gbt逆变电路控制信号后依次正向、逆向接通，滤波输入电路经i gbt逆变电路、zvs谐振电路及脉冲变压器升压后向磁压缩电路输入电能，经磁压缩电路缩短脉冲上升沿及脉宽并经单双极性转换模块后输出高压单/双极性纳秒脉冲至双极性脉冲电极产生放电。

6、作为一种实施方式，所述驱动模块包括pwm波调制模块、方波转换模块、栅极电阻、限流电阻、第一续流二极管和第二续流二极管；

7、其中，pwm波调制模块接收外部触发信号输出频率、占空比、死区时间可调整的互补四路方波，经方波转换模块后，作为i gbt逆变电路控制信号输出到i gbt逆变电路；

8、所述方波转换模块输出端正极与所述栅极电阻相连，所述限流电阻一端与栅极电阻相连，一端与方波转换模块输出端负极相连，所述第一续流二极管与第二续流二极管反向串联后并联在限流电阻两端。

9、作为一种实施方式，所述i gbt逆变电路包括i gbt、第一吸收电容、超快恢复二极管、功率电阻、第二吸收电容、第三吸收电容、泄压电阻；

10、第一吸收电容与超快恢复二极管串联后并联在i gbt的栅极和发射极两端，第一吸收电容与超快恢复二极管相连处同时与功率电阻一端相连，功率电阻r3另一端接地，第一吸收电容、超快恢复二极管和功率电阻共同组成放电阻止型缓冲吸收电路；第二吸收电容、泄压电阻和第三吸收电容串联组成crc峰值吸收电路并联于脉冲变压器两端。

11、作为一种实施方式，所述zvs谐振电路包括第一谐振电容、谐振电感和第二谐振电容，所述脉冲变压器包含可饱和环形磁芯、初级绕组和次级绕组；

12、其中，第一谐振电容依次与谐振电感和第二谐振电容串联，且第二谐振电容与脉冲变压器初级绕组并联，初级绕组一端与zvs谐振电路相连，另一端与i gbt逆变电路相连。

13、作为一种实施方式，所述电源放电系统还包括电源模块，所述电源模块包括第一直流电源和第二直流电源，所述第一直流电源和第二直流电源分别用于为所述i gbt逆变电路和驱动模块提供不同直流电压。

14、作为一种实施方式，所述滤波输入电路包括限流电感、泄放电阻和极性电容；其中，限流电感一端连接在第一直流电源输出正极端，泄放电阻和极性电容并联后一端连接限流电感，另一端连接在第一直流电源输出负极端，并且极性电容负极接地。

15、作为一种实施方式，所述磁压缩电路包含第一储能电容、第二储能电容和第一可饱和磁开关；其中，第二储能电容与脉冲变压器的次级绕组并联，同时依次与第一储能电容和第一可饱和磁开关串联，且第二储能电容与单双极性转换模块连接处接地。

16、作为一种实施方式，所述单双极性转换模块包括单刀双掷开关、第二可饱和磁开关、高压二极管、第三可饱和磁开关、第二泄放电阻r6和第三泄放电阻r7；

17、当单刀双掷开关切换至状态一，单刀双掷开关、第二可饱和磁开关和第二泄放电阻串联后，并联于磁压缩电路两端，将双极性高压脉冲上升沿进行压缩；

18、当单刀双掷开关切换至状态二，单刀双掷开关、第三可饱和磁开关、高压二极管和第三泄放电阻串联后，并联于磁压缩电路两端，将高压双极性纳秒脉冲转换为高压单极性纳秒脉冲。

19、作为一种实施方式，所述双极性脉冲电极包括双螺旋式电极和螺旋式中间介质；其中，螺旋式中间介质可插入双螺旋式电极或拆卸，并且长度长于双螺旋式电极；

20、双螺旋式电极包括多个成对金属尖端，可单独尖端放电或夹持螺旋式中间介质形成介质阻挡放电，尾端装有球形绝缘物质，顶端包覆绝缘物质。

21、作为一种实施方式，所述驱动模块设置有接地的金属外壳。

22、本发明的有益效果是：

23、1、本发明可使得高压纳秒脉冲进行单/双极性转换，有利于进行实验对比，适用范围更广，能够在高重复频率工作模式下输出高压纳秒级单/双极性脉冲，脉冲重复频率可达20khz，输出电压幅值可达10kv，单/双极性可进行转换，并提出一种满足单/双极性脉冲需要的双螺旋式介质阻挡放电电极，延长流注的发展距离。

24、2、本发明采用双极性脉冲输入脉冲变压器，能够快速清除单次脉冲结束时脉冲变压器磁芯剩磁，保证在高重复频率下单/双极性高压纳秒脉冲电源每次输出的高压纳秒脉冲电压幅值相等；

25、3、本发明采用zvs谐振电路及放电阻止型缓冲吸收电路，能够显著提高脉冲重复频率，脉冲频率大于20khz，结构紧凑、能量损耗小、寿命长；

26、4、本发明将驱动模块、i gbt逆变电路及磁压缩电路进行分体设计，并将驱动模块置于接地的金属外壳中，有效防止i gbt驱动信号受到高压纳秒脉冲的电磁干扰，使输出高压纳秒脉冲更加稳定，保证单/双极性纳秒脉冲电源长时间稳定工作。

27、5、本发明可产生螺旋式介质阻挡放电形态，流注发展距离更长，有利于火核发展。

28、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，其特征在于，包括：驱动模块、igbt逆变电路、滤波输入电路、zvs谐振电路、脉冲变压器、磁压缩电路、单双极性转换模块、双极性脉冲电极；

2.如权利要求1所述的一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，

3.如权利要求1所述的一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，其特征在于，所述igbt逆变电路包括igbt、第一吸收电容、超快恢复二极管、功率电阻、第二吸收电容、第三吸收电容、泄压电阻；

4.如权利要求1所述的一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，其特征在于，所述zvs谐振电路包括第一谐振电容、谐振电感和第二谐振电容，所述脉冲变压器包含可饱和环形磁芯、初级绕组和次级绕组；

5.如权利要求4所述的一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，其特征在于，所述磁压缩电路包含第一储能电容、第二储能电容和第一可饱和磁开关；其中，第二储能电容与脉冲变压器的次级绕组并联，同时依次与第一储能电容和第一可饱和磁开关串联，且第二储能电容与单双极性转换模块连接处接地。

6.如权利要求1所述的一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，其特征在于，所述电源放电系统还包括电源模块，所述电源模块包括第一直流电源和第二直流电源，所述第一直流电源和第二直流电源分别用于为所述igbt逆变电路和驱动模块提供不同直流电压。

7.如权利要求6所述的一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，其特征在于，所述滤波输入电路包括限流电感、泄放电阻和极性电容；其中，限流电感一端连接在第一直流电源输出正极端，泄放电阻和极性电容并联后一端连接限流电感，另一端连接在第一直流电源输出负极端，并且极性电容负极接地。

8.如权利要求1所述的一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，所述单双极性转换模块包括单刀双掷开关、第二可饱和磁开关、高压二极管、第三可饱和磁开关、第二泄放电阻和第三泄放电阻；

9.如权利要求1所述的一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，其特征在于，所述双极性脉冲电极包括双螺旋式电极和螺旋式中间介质；其中，螺旋式中间介质可插入双螺旋式电极或拆卸，并且长度长于双螺旋式电极；双螺旋式电极包括多个成对金属尖端，可单独尖端放电或夹持螺旋式中间介质形成介质阻挡放电，尾端装有球形绝缘物质，顶端包覆绝缘物质。

10.如权利要求1所述的一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，其特征在于，所述驱动模块设置有接地的金属外壳。

技术总结
本发明属于脉冲电源技术领域，提供了一种基于单双极性纳秒脉冲可转换的电源放电系统，解决了传统的纳秒脉冲电源无法同时满足高重复频率、高电压幅值、快上升沿、单/双极性脉冲模式切换的输出要求，该系统包括驱动模块、IGBT逆变电路、滤波输入电路、ZVS谐振电路、脉冲变压器、磁压缩电路、单双极性转换模块、双极性脉冲电极；所述IGBT逆变电路接收到IGBT逆变电路控制信号后依次正向、逆向接通，滤波输入电路经IGBT逆变电路、ZVS谐振电路及脉冲变压器升压后向磁压缩电路输入电能，经磁压缩电路缩短脉冲上升沿及脉宽并经单双极性转换模块后输出高压单/双极性纳秒脉冲至双极性脉冲电极产生放电，其能够在高重复频率工作模式下输出高压纳秒级单/双极性脉冲。

技术研发人员：于文斌,孙傲,赵霏阳,胡勇
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12