用于产生瞬态等离子体的脉冲电源的设计

2019.02设计与研发

用于产生瞬态等离子体的脉冲电源的设计

刘志强，李占贤

(华北理工大学机械工程学院，河北唐山，063210)

摘要：为了更好的进行瞬态等离子体机理的研宄,瞬态等离子体的产生是其实验研宄的关键，为此设计一台可调节高压 方波脉冲电源。该脉冲电源主要有高压直流电源和固态调制器组成，电压调节主要由直流电源完成，固态调制器是基于 单片机为控制中心，信号经过隔离和功率放大，实现固态调制器的控制，由于输出电压较高,单个开关管无法承受耐压，所以采用MOSFET串联分压的方式。

关键词：等离子体；脉冲电源；单片机；Pspice

Modal Analysis of Secondary Reducer Follower Gear Based on

SolidWorks and ANSYS Workbench

Liu Zhiqiang,Li Zhanxian

(Hebei Province Industrial Robot Industry Technology Research Institute,North ChinaUniversity of

Sciencie and Technology,Tangshan Hebei,063210)

Abstract:In order to study the mechanism of transient plasma,the generation of transient plasma is the key to its experimental research.To this end,an adjustable high-voltage square wave pulse power supply is designed.The pulse power supply mainly consists of a high-voltage DC power supply and a solid-state modulator.The voltage regulation is mainly completed by a DC power supply.The solid- state modulator is based on a single-chip microcomputer as a control center.The signal is isolated and power amplified to achieve solid-state modulator control.Since the high output voltage,a single switch tube cannot withstand the voltage,so the MOSFET is connected in series to achieve the purpose of voltage division.

Keywords:plasma;pulse power supply;Solid state modulator;single chip microcomputer

〇引言

纳秒脉冲气体放电在很多方面都有很好的应用,如材料 表面改性、流动控制、点火助燃领域和甲烷转化等领域均得 到了较好的效果[1_2]，因此瞬态等离子体机理[3]的研究是推 动科学技术发展的关键,同时对等离子体产生的电源提出了 很高的要求，要有高电压幅值、高重复频率和纳秒级时间的 上升沿，传统脉冲脉冲变压器和磁压缩的方式是不能满足要 求的，本文以高速MOSFET为开关器件,设计了 一台高压且输 出波形可控的脉冲电源。

1脉冲电源系统设计

1.1脉冲电源的舰

本文设计的脉冲电源总体结构如图1所示，脉冲高压主 电路由直流电源、储能电容、固态调制器和负载组成，辅助电 路由隔离驱动和单片机组成的控制系统。根据瞬态等离子的 产生要求，该脉冲电源设计指标为具有纳秒时间上升沿，峰 值电压为6kV,频率为l-5kHz,占空比可调范围为10-60%。1.2脉冲高压主电路

本文设计的脉冲高压主电路简化框图如图2所示，直流 电源VCC通过充电电阻R1,在一定时间内对储能电容C1进

131M B 行充电，然后通过控制固态调制器S1的快速闭合，把储存的 能量快速释放，在负载电阻R2上得到高压脉冲。固态调制器 采用5个场效应管IXBH40N160串联，单个开关管能承受住电 压1600 V，开关速度40 ns，为了提高固态调制器的稳定性，可以在开关器件上增加缓冲保护电路。

保护电路

直流电源 储能电容 固态调制器 负载

显示界面 单片机 故障检测

按键输入

图1脉冲电源总体结构

该主电路的储能电容C1和充电电阻R1的选择是一个 重点问题，在固态调制器开通之前，储能电容应该充分充电, R C回路的充电常数为r=i?C,电容上的电压为：

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严） (1)

T 越大,充电速度越慢，为保证固态调制器导通前储能

电容能够充满电，需要至少10 T 的充电时间[4],实际电路中

电阻可选用200 fi 的无感线绕电阻，电容可选用0. 1 U F 的低 感高压储能电容。

1.3隔离驱动

常用的驱动电路有两种，即分立器件构成的驱动电路和 采用集成器件构成的驱动电路。若采用分立器件构成的驱动 电路，由于开关管较多，会造成系统设计过于复杂，各路驱动 信号在传输的时间上将会存在较大的差异；现在集成器件的 的生产工艺非常成熟且使用方便，所以本文采用集成器件的 驱动电路。

HCPL -316J 是一款高度集成的控制器件，集成了大功率

开关管栅极驱动电路的所有必要组件，内部具有光耦隔离和 故障保护功能。隔离驱动电路如图3所示，输出的控制信号经 过由三极管Q 1和Q 2组成的推挽电路，最高实现2000 V 的电 压隔离，进一步保护HCPL -316J 。开通电压15 V ,关断电压-5

V ,开通和关断能力强劲。本文设计的高压脉冲电源由5个开

关管构成，因此需要5个这样的隔离驱动。

1.4控制系统

本电源的控制系统采用意法半导体公司生产的

STM 32F 103RBT 6型单片机，属于32位ARM 微控制器，拥有丰

富的外设接口，可实现显示，参数设定，故障检测等功能。本 文用其产生一路PWM 信号，用于隔离驱动电路的同步控制，设 置了四个键盘,进行占空比和频率的调节。

2仿真结果与分析

Pspice 软件[5]被公认为是通用电路模拟程序中最优秀

的软件,因此采用该软件进行电路仿真分析，图4所示为仿真 电路图，主要是进行主电路的原理仿真，用S 1代表固态调制

器，图5所示为负载R 2两段电压仿真波形图,从仿真波形图 上,能得到6k V 的脉冲电压，说明这种方案是可行的。

图4

仿真电路图

3结论

本文采用MOSFET 串联分压的方式的形式，设计了一种 高压方波脉冲电源，并用Pspice 软件进行了仿真分析，得到 了所需脉冲，为今后瞬态等离子体的脉冲电源的设计提供了 借鉴。

参考文献

[1] 邵涛，孙广生，严萍，等.纳秒脉冲气体放电机理研究现状[J ].高电压技术，2004,30(7): 40-42.

[2] 邵涛，章程，王瑞雪，等.大气压脉冲气体放电与等离子

体应用[J ].高电压技术,2016,42⑶：685-705.

[3] Ouaras K ,MagneL,Pasquiers S,et al . OH density

measured by PLIF in a nanosecond atmospheric

pressure diffuse discharge in humid air under steep high voltage pulses [J ] .Plasma Sources Science and Technology , 2018,24⑷:101987.[4] 孟国栋，宋坚瑞，成永红，等.10 k V 重复频率方波脉冲源

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北京：机械工业出版社,2017.

作者简介

刘志强（1992.9-),男，河北唐山人，硕士研究生，研究方向为

机器人技术。

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