一種重復頻率高壓方波脈沖電源的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及脈沖高壓電源技術領域，具體而言，涉及一種重復頻率高壓方波脈沖電源。
【背景技術】
[0002]高壓脈沖電源是將脈沖能量在時間尺度上進行壓縮，以獲得在極短的時間內(nèi)的高峰值功率輸出。高壓脈沖電源能夠激勵產(chǎn)生等離子體，主要用于材料表面改性、醫(yī)學殺菌、治理環(huán)境污染以及航空航天等領域。與交流高頻電源相比，高壓脈沖電源激勵產(chǎn)生等離子體區(qū)域大，作用效果強，均勻，發(fā)熱不嚴重。因此，高壓脈沖電源的研制受到了廣泛的關注。開關對于高壓脈沖電源十分重要，其性能將直接影響到輸出脈沖的參數(shù)。傳統(tǒng)的脈沖電源以火花間隙和閘流管等氣體開關為主開關，這種開關重復頻率低，壽命短，成本高，所以逐漸被大功率半導體開關取代，現(xiàn)在研制的重復頻率脈沖電源大多采用半導體器件作為開關。
[0003]大多數(shù)高壓脈沖電源通過脈沖變壓器將電壓提高，輸出波形為類三角波或振蕩波形。高壓方波脈沖電源輸出波形近似方波，波形良好，頻率、電壓幅值和脈寬等多參數(shù)可調(diào)，在等離子體應用領域有著廣闊的應用前景。
[0004]目前脈寬可調(diào)的高壓方波脈沖電源研制方案主要有四種方案:開關與傳輸線配合、開關串聯(lián)、全固態(tài)Marx發(fā)生器、級聯(lián)型電壓疊加。專利CN101745178A中脈沖電源通過人工形成線、脈沖變壓器以及可調(diào)節(jié)負載電阻等技術手段實現(xiàn)輸出方波并且脈寬可調(diào)。Zorngiebel等人通過將45個IGBT串聯(lián)組成耐壓50kV、最大電流500A的開關模塊(Zorngiebel V, Hecquard M, Spahn E, Welleman A, Scharnholz S.Modular 50~kVIGBT switch for pulsed-power applicat1ns[J].1EEE Transact1ns on PlasmaScience, 2011,39(1):364-367.)。復旦大學雷宇等人設計并制作了一種基于MOSFET的全固態(tài)Marx脈沖發(fā)生器(雷宇，邱劍，劉克富.150kV全固態(tài)高壓脈沖發(fā)生器設計[J].強激光與粒子束，2012，24(3):258-262.)。前三種方案脈寬調(diào)節(jié)復雜，技術成本高，電源體積龐大，不易擴展等問題。
[0005]而采用級聯(lián)型電壓疊加方案研制的電源輸出電壓幅值、頻率和寬度均可以方便的調(diào)節(jié)，電源能夠高度模塊化，便于擴展。哈工大鞏春志等人研制的脈沖電源主電路采用級聯(lián)型電壓疊加拓撲，把12組脈沖單元模塊串聯(lián)起來，同步驅(qū)動模塊采用隔離技術沒有公布。其輸出電壓有很大的振蕩，下降沿比上升沿長很多，波形與方波相差較大(鞏春志，田修波，曹珍恩，朱宗濤，楊士勤.1OkV等離子體表面改性高壓脈沖電源[J].強激光與粒子束，2007, 19(11): 1927-1930)。大連理工大學的戚棟等人研制的方波脈沖電源主電路也采用級聯(lián)電壓疊加拓撲，主電路單元模塊數(shù)量可以改變，其IGBT驅(qū)動電路采用光電耦合器和獨立供電電路實現(xiàn)(戚棟，王寧會.一種級聯(lián)型結構的固體開關式高壓脈沖電源的研制[J].電子器件，2006，29 (4): 1081-1084)。中科院電工所李文峰等人之前采用級聯(lián)型電壓疊加方式研制了一臺可以輸出方波和三角波的微秒脈沖電源(李文峰.基于半導體開關的高壓微秒脈沖源研宄[D]，中國科學院大學，碩士論文，2013)。該電源主電路也才采用級聯(lián)型電壓疊加拓撲，驅(qū)動電路采用落木源IGBT驅(qū)動模塊和鋰電池組隔離供電，輸出脈沖上升沿干擾較大，下降沿比上升沿長很多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種結構緊湊、參數(shù)可調(diào)范圍大、輸出脈沖下降沿很短、波形近似方波、可擴展性強的重復頻率高壓方波脈沖電源。
[0007]本發(fā)明提供了一種重復頻率高壓方波脈沖電源，包括控制電路、主電路、供電系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)；
[0008]所述控制電路提供所述主電路的IGBT開關和切尾IGBT開關的驅(qū)動信號，并控制所述IGBT開關和所述切尾IGBT開關的開通時刻和開通持續(xù)時間；
[0009]所述主電路通過控制所述主電路的IGBT開關的開通與關斷將整流得到的直流電開斷為脈沖疊加輸出，并且提供續(xù)流通道；
[0010]所述供電系統(tǒng)為所述控制電路、所述主電路和所述輔助系統(tǒng)供電，提供不同幅值的、隔離的電壓；
[0011]所述輔助系統(tǒng)對所述主電路進行測量和保護，顯示所述供電系統(tǒng)的輸入電壓，并在負載過流時切斷電源輸出。
[0012]作為本發(fā)明進一步的改進，所述控制電路包括光電轉換模塊、保護擴展模塊、信號處理模塊、開關橋模塊和驅(qū)動脈沖輸出模塊；
[0013]所述光電轉換模塊的輸出端與所述保護擴展模塊的輸入端相連，所述保護擴展模塊的輸出端與所述信號處理模塊的輸入端相連，所述信號處理模塊的輸出端與所述開關橋模塊的輸入端相連，所述開關橋模塊的輸出端與所述驅(qū)動脈沖輸出模塊的輸入端相連。
[0014]作為本發(fā)明進一步的改進，所述光電轉換模塊用于將輸入的光纖信號轉換成同步的電信號，包括光電轉換器、第一限流電阻、第一濾波電容、第一發(fā)光二極管和第一儲能電容；
[0015]所述光電轉換器的I腳與所述光電轉換器的9腳、所述第一濾波電容的一端和所述第一儲能電容一端連接，所述第一濾波電容的另一端與所述第一儲能電容的另一端、所述光電轉換器的5腳、所述光電轉換器的6腳和所述第一發(fā)光二極管的正極連接，所述第一發(fā)光二極管的負極與所述第一限流電阻的一端連接，所述第一限流電阻的另一端與所述光電轉換器的4腳連接。
[0016]作為本發(fā)明進一步的改進，所述保護擴展模塊用于將所述光電轉換模塊傳輸來的電信號轉換成能夠驅(qū)動信號處理模塊的同步電信號，并且為控制電路提供擴展，包括CD4082BE芯片和第一 IXDN604芯片；
[0017]所述第一 IXDN604芯片的3腳與所述CD4082BE芯片的7腳連接，所述第一 IXDN604芯片的6腳與所述CD4082BE芯片的14腳和所述保護擴展模塊的輸出端子4連接，所述第一 IXDN604芯片的7腳與所述CD4082BE芯片的9腳和所述CD4082BE芯片2腳連接，所述⑶4082BE芯片的3腳與所述⑶4082BE芯片的12腳和所述保護擴展模塊的輸出端子I連接，所述⑶4082BE芯片的4腳與所述⑶4082BE芯片的11腳和所述保護擴展模塊的輸出端子2連接，所述⑶4082BE芯片的5腳與所述⑶4082BE芯片的10腳和所述保護擴展模塊的輸出端子3連接。
[0018]作為本發(fā)明進一步的改進，所述信號處理模塊用于將所述保護擴展模塊傳輸來的電信號轉換成能驅(qū)動開關橋模塊的同步電信號和由同步電信號下降沿觸發(fā)的延時電信號，包括CD4098BE芯片、參數(shù)調(diào)節(jié)電阻、參數(shù)調(diào)節(jié)電容、第二 IXDN604芯片、第三IXDN604芯片、第一輸出限流電阻和第二輸出限流電阻；
[0019]所述⑶4098BE芯片的I腳與所述參數(shù)調(diào)節(jié)電容的一端連接，所述參數(shù)調(diào)節(jié)電容的另一端與所述參數(shù)調(diào)節(jié)電阻的一端連接，所述參數(shù)調(diào)節(jié)電阻的另一端與所述CD4098BE芯片的2腳、所述第二 IXDN604芯片的6腳和所述第三IXDN604芯片的6腳連接，所述CD4098BE芯片的4腳與所述CD4098BE芯片的8腳、所述第二 IXDN604芯片的3腳和所述第三IXDN604芯片的3腳連接，所述CD4098BE芯片的6腳與所述第三IXDN604芯片的2腳連接，所述第二 IXDN604芯片的7腳與所述第一輸出限流電阻的一端連接，所述第一輸出限流電阻的另一端與所述信號處理模塊的輸出端子I連接，所述第三IXDN604芯片的7腳與所述第二輸出限流電阻的一端連接，所述第二輸出限流電阻的另一端與所述信號處理模塊的輸出端子2連接。
[0020]作為本發(fā)明進一步的改進，所述開關橋模塊根據(jù)所述信號處理模塊傳輸來的同步電信號控制IGBT開關的開通與關斷，產(chǎn)生具有驅(qū)動能力和反向關斷功能的驅(qū)動信號，包括第一整流橋、第一充電電阻、指示電路限流電阻、第二發(fā)光二極管、第二儲能電容、第二限流電阻、第二濾波電容、第三限流電阻、第一 HCPL3120光耦、第一穩(wěn)壓濾波電容、第一柵極電阻、第一柵射極間電阻、第一 IGBT開關、第一開關保護電阻、第一開關保護電容、第三濾波電容、第二 HCPL3120光耦、第二穩(wěn)壓濾波電容、第二柵極電阻、第二 IGBT開關、第二柵射極間電阻、第二開關保護電阻、第二開關保護電容、第三HCPL3120光耦、輸出穩(wěn)定電阻、第三穩(wěn)壓濾波電容、第三柵極電阻、第三IGBT開關、第三柵射極間電阻、第三開關保護電阻、第三開關保護電容、第四HCPL3120光耦、第四穩(wěn)壓濾波電容、第四柵極電阻、第四IGBT開關、第四柵射極間電阻、第四開關保護電阻和第四開關保護電容；
[0021]所述第一整流橋的兩個交流輸入端分別接所述開關橋模塊的輸入端子I和所述開關橋模塊的輸入端子2，所述第一整流橋的正極輸出端與所述第一充電電阻的一端連接，所述第一充電電阻的另一端與所述指示電路限流電阻的一端、所述第二儲能電容的一端、所述第二限流電阻的一端和所述第三限流電阻的一端連接，所述指示電路限流電阻的另一端與所述第二發(fā)光二極管的正極連接，所述第二發(fā)光二極管的負極與所述第一整流橋的負極輸出端、所述第二儲能電容的另一端、所述第二濾波電容的一端、所述第二穩(wěn)壓濾波電容的一端、所述第二 HCPL3120光耦的5腳、所述第二柵射極間電阻的一端、所述第二 IGBT開關的發(fā)射極、所述第二開關保護電容的一端、所述第三濾波電容的一端、所述第四穩(wěn)壓濾波電容的一端、所述第四HCPL3120光耦的5腳、所述第四柵射極間電阻的一端、所述第四IGBT開關的發(fā)射極和所述第四開關保護電容的一端連接，所述第二濾波電容的另一端與所述第二限流電阻的另一端、所述第三IGBT開關的集電極和所述第三開關保護電阻的一端連接，所述第三限流電阻的另一端與所述第一 IGBT開關的集電極、所述第一開關保護電阻的一端和所述第三濾波電容的一端連接，所述第一 HCPL3120光耦的3腳與所述第四HCPL3120光耦的2腳連接，所述第一 IGBT開關的發(fā)射極與所述第一開關保護電容的一端、所述第二IGBT開關的集電極、所述第二開關保護電阻的一端、所述第一柵射極間電阻的一端、所述第一 HCPL3120光親的5腳、所述第一穩(wěn)壓濾波電容的一端、所述輸出穩(wěn)定電阻的一端和所述開關橋模塊的輸出端子3連接，所述第一 HCPL3120光耦的6腳與所述第一 HCPL3120光耦的7腳和所述第一柵極電阻的一端連接，所述第一 HCPL3120光耦的8腳與所述第一穩(wěn)壓濾波電容的另一端、所述第一柵極電阻的另一端、所述第一柵射極間電阻的另一端和所述第一IGBT開關的柵極連接，所述第一開關保護電阻的另一端與所述第一開關保護電容的另一端連接，所述第二 HCPL3120光耦的2腳與所述第三HCPL3120光耦的3腳連接，所述第二HCPL3120光耦的8腳與所述第二穩(wěn)壓濾波電容的另一端連接，所述第二 HCPL3120光耦的6腳與所述第二 HCPL3120光耦的7腳和所述第二柵極電阻的一端連接，所述第二柵極電阻的另一端與所述第二 IGBT開關的柵極和所述第二柵射極間