疊加型高壓重頻微秒脈沖電源研究

摘 要：針對水污染領域的高壓脈沖電源存在的輸出脈沖質量差、輸出脈沖不可調等問題，本文從脈沖電源主電路的整體結構和變壓器磁芯優化2個方面進行改進。首先，結構上，前級Buck電路調節輸出脈沖電壓幅值，后級全橋逆變電路調節輸出脈沖的頻率和脈寬，由5個模塊電路串聯產生高壓脈沖。其次，升壓變壓器選擇高磁導率和高磁通密度的磁芯，保證輸出脈沖質量。研制一臺額定功率為3kW的樣機，對電源進行單觸發和重頻試驗。試驗結果表明，該電源輸出脈沖實現了頻率、脈寬和電壓幅值可調，滿足設計指標。

關鍵詞：疊加型；磁芯選擇；微秒電源；高重復頻率

中圖分類號：TN 710" " " 文獻標志碼：A

在水污染處理領域中，低溫等離子體放電是一種新型的高級氧化技術，電解水產生的·OH、HO2·、·O等活性氧化物質可以無選擇性地降解水中有機污染物，放電產生的紫外線、沖擊波和局部高溫也有利于污染物降解，此外低溫等離子體技術還具有效率高、無二次污染和無須添加化學物質等優點[1-2]。

作為供電單元，脈沖電源要求脈沖幅值可調、脈沖寬度可調和脈沖頻率可調等功能?；诖?，本文提出了疊加型高壓重頻微秒脈沖電源。該電源是利用每級低壓脈沖輸出模塊疊加的方式形成高壓脈沖。本文設計的高壓重頻微秒脈沖電源優勢在于每級脈沖輸出模塊的電壓等級為2000V，降低了脈沖電源所需半導體器件的耐壓等級。

脈沖電源主電路集成在PCB板上，利用PCB板走線，可避免飛線和銅排的應用，降低電磁干擾對整個脈沖電源系統的影響[3]。Buck調壓電路用來調節全橋逆變電路的輸入電壓，從而調節輸出脈沖的電壓幅值。通過人機交互界面，可以設置屏幕中脈沖幅值、脈沖頻率和脈沖寬度等參數，得到想要的脈沖波形。

1 電源系統設計

1.1 電源系統框圖

高壓重頻微秒脈動電源系統框圖如圖1所示，系統包括三相不控整流電路，主要作用是做AC-DC變換，將三相交流電整流成直流電。Buck調壓電路的主要作用是做DC-DC變換，通過調節Buck電路開關管的占空比來改變Buck電路的輸出電壓幅值，從而調節輸出脈沖電壓幅值。全橋逆變電路的主要作用是做DC-AC變換，將直流電轉換為正負級脈沖，再通過升壓變壓器得到想要的脈沖幅值。可以通過改變逆變電路開關管驅動脈沖的頻率和占空比，改變輸出脈沖的頻率和脈寬。輸出電路通過整流電路將負半軸的脈沖翻到正半軸上得到脈沖輸出。在人機交互界面，可以通過設置界面中輸出脈沖幅值、脈沖寬度和脈沖頻率等參數得到想要的輸出脈沖波形，還有驅動電路、控制電路以及保護電路等。

1.2 主電路原理

疊加型高壓重頻脈沖電源設計指標如下：三相輸入線電壓380VAC±10%。輸出脈沖電壓幅值為1kV～10kV可調，輸出脈沖寬度為1μs～50μs可調，輸出脈沖的重復頻率為2.5kHz～10kHz可調，輸出最大功率為3kW。

疊加型高壓重頻脈沖發射端如圖2所示。脈沖電源發射端是由全橋逆變電路將直流電轉換為正負方波脈沖，經升壓變壓器將正負方波脈沖放大到2kV，再經高壓快恢復高頻二極管搭建的整流電路，將正負脈沖方波整流成正脈沖方波。通過控制全橋逆變電路開關管驅動脈沖的頻率和脈寬，從而控制輸出脈沖波形的頻率和買塊，得到想要的脈沖波形。

每級模塊由1個升壓變壓器和4個高壓快恢復高頻二極管組成，五級模塊通過前并、后串的方式連接，相鄰2個模塊間的電位差為2kV。鑒于該電源對輸出脈沖幅值和脈沖寬度的要求，本文的整流二極管選用的是反向耐壓為10kV、反向恢復時間為100ns的高壓快恢復高頻二極管。

前級調壓電路如圖3所示。前級調壓電路由三相不控整流電路和Buck調壓電路組成。三相輸入線電壓為380VAC±10%，經三相不控整流電路將380V±10%交流電整流成483V～591V的直流電。再經Buck調壓電路，通過調節Buck電路開關管的開通和關斷時間來調節Buck電路的輸出電壓，進而調節整個脈沖電源輸出脈沖電壓幅值。

2 升壓變壓器的設計

2.1 變壓器磁芯材質的選取

在高頻脈沖電源中，理論上全橋逆變電路和一橋臂的驅動脈沖是對稱的，在開關期間，相等的正負方波脈沖交替加到升壓變壓器原邊線圈上，將磁芯磁化，然后復位到初始狀態。因此升壓變壓器無須考慮偏磁問題[4]。

目前常用脈沖變壓器磁芯材料類型分為合金材料磁芯和非合金材料磁芯。對于合金材料磁芯，如鐵基非晶體、超微晶和坡莫合金等具有較高的電阻率，可以用在較高的工作頻率中。一般合金材料的飽和磁通密度較大，由于磁通密度擺幅受渦流損耗限制，因此這一特性就無關緊要，同時價格因素也會影響磁芯材料的選擇。由于脈沖電源一般工作在沖擊和擺幅大的地方，脈沖電源中升壓變壓器的磁芯材料選擇為合金材料，而非鐵氧體等磁芯材料。

通過比較合金材料最大磁導率、飽和磁通密度、工作頻率和居里溫度等磁芯特性，結合脈沖電源工作的一些特性，本文升壓變壓器選取磁芯材料為鐵基非晶體。

2.2 變壓器參數的計算

在本次高壓重頻微秒脈沖電源研制中，升壓變壓器磁芯的規格尺寸選用的是規格50mm×32mm×20mm的環形鐵基非晶體磁芯（即d0、d1、h的數值分別為50mm、32mm和20mm）。

根據中小型變壓器的設計方法，高頻脈沖變壓器原邊匝數為N1，如公式（1）所示。

（1）

式中：Du為升壓變壓器中的脈沖波形的占空比；U1為變壓器原邊輸入電壓；f為輸出脈沖頻率；Ae為變壓器磁芯有效截面積；Bw為磁感應強度[5-6]。

將占空比Du為0.50、升壓變壓器原邊輸入電壓U1為500V、輸出脈沖頻率f為10kHz、變壓器有效截面積Ae為1.80cm2、變壓器磁感應強度Bw為0.8T代入公式（1）可得N1≈43.4匝，因此N1取為44匝。單個模塊輸出脈沖電壓幅值U2為2kV，由此可推出升壓變壓器匝比n為4，即升壓變壓器副邊匝數為176匝。

高頻升壓變壓器原邊脈沖電流I1和副邊脈沖電流I2如公式（2）所示。

（2）

式中：P0為輸出功率；η為功率因數；U0為輸出脈沖電壓幅值。

原邊脈沖電流與副邊脈沖電流有效值如公式（3）所示。

（3）

式中：td為脈沖寬度。

原副邊繞組的導線直徑如公式（4）所示。

（4）

式中：J為每平方毫米電流密度（這里取6A/mm2）；D為繞組直徑；I為脈沖電流有效值。

將原副邊脈沖電流的有效值I1e、I2e分別代入公式（4）中，即可求出變壓器原副邊繞組的直徑D1、D2分別為1mm、0.25mm。為了增加變壓器繞組間的絕緣等級并減少變壓器的漏感，變壓器原副邊繞組采用直徑為1mm和0.3mm的三層絕緣線繞制。

3 試驗結果分析

根據上述原理，本文搭建了一臺高壓重頻微秒脈沖電源樣機。將高壓重頻微秒脈沖電源輸出端連接33kΩ的無感電阻負載，并對該電源進行單次觸發試驗和重頻觸發試驗。

對高壓重頻微秒脈沖電源進行單次觸發試驗測得的輸出脈沖電壓波形分別如圖4、圖5所示。圖4是在重復頻率為5kHz、輸出脈沖電壓幅值為10kV且觸發脈寬為10μs、20μs、50μs下測得的輸出脈沖電壓波形。圖5是在10μs觸發脈寬下，將Buck調壓電路的輸出電壓幅值改為100V、200V、400V和500V，與之對應的輸出脈沖電壓幅值分別為2kV、4kV、8kV和10kV。

根據圖5可知，輸出脈沖電壓的上升時間很短，實測＜200ns。輸出脈沖電壓的上升時間與半導體開關管的開關特性、變壓器特性有關。觀察圖4和圖5的輸出脈沖電壓波形可以發現，輸出脈沖波形的下降時間比上升時間長，原因可能是升壓變壓器繞制的特性不好，導致變壓器中的雜散電感和雜散電容比較大，影響了輸出波形的質量。

同一脈沖幅值、脈沖寬度，不同重頻條件下的純阻性負載輸出脈沖電壓波形如圖6所示。根據圖6可知，不同頻率下的輸出脈沖波形的下降時間比上升時間長。對脈沖電源進行重頻試驗，脈沖電源工作0.5h，示波器顯示的輸出脈沖波形穩定，電源輸出功率為3kW，整機效率為93%，符合研究要求。

4 結論

脈沖電源主電路繪制在一塊PCB板上，利用PCB走線可減少飛線和銅排連接帶來的電磁干擾問題。加入Buck調壓電路，可以改變Buck電路開關管的占空比，調節輸出電壓。每級模塊耐壓等級低，器件尺寸小，易于集成。電源采用5個升壓變壓器前并、后串的方式，降低升壓變壓器的升壓等級，保證了輸出脈沖波形的質量。

本文設計的疊加型高壓重頻微秒脈沖電源體積小、結構緊湊且功率密度大，還可通過前級Buck電路和后級全橋逆變電路來調節輸出脈沖的幅值、頻率和脈寬，滿足不同的輸出脈沖要求。

參考文獻

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