高重复频率纳秒级陡脉冲电源的研制

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1绪 论
非热等离子体在环境保护、灭菌消毒、表面改性、气体激光及国防领域具有广 泛的潜在应用前景。其技术优势在于大部分能量被用来加速电子，产生活性粒子而 等离子体整体温度接近室温。为了防止脉冲放电时等离子体中除电子以外的粒子不 必要的加速，防止放电状态由辉光放电向弧光放电转化，希望提供的脉冲电源具有 快速上升陡度（～1000V/ns）、相对窄的脉冲宽度（～100ns）和相对高的重复频率 （～1kHz）。因此，为了得到非热等离子体，迫切需要一种能够产生高压、高重复 频率和纳秒级上升前沿脉冲的高功率脉冲电源。
该电源经过了测试，达到了预期的指标，运行稳定可靠，并成功用于介质阻挡 放电试验。最后也对该电源的优化设计方案进行了展望。
关键词：脉冲功率 非热等离子体 介质阻挡放电 Blumlein 传输线
高重复频率 ns 级陡脉冲
I
Abstract
Nonthermal plasma will be widely used in pollution abatement, disinfections, surface modification, biogascleaning, thus, it activates many people’s interest. The main advantage is that most of the energy is used to accelerate the electrons to produce active particles, however, the temperature of the plasma is on the order of room temperature. In order to avoid accelerating the particles, except electrons, and to avoid the glow discharge transferring to plasma arc, the pulsed power supply system should provide pulses with great voltage gradient ( ～1000V/ns), narrow pulse duration (～100ns), and high repetition rate (～1kHz).
The dissertation introduces the principles of the high repetition rate nanosecond pulse generator. Fast charging for energy storage, two steps of charge and discharge, drive and protection of SCR, high repetition pulse transformer, gas spark switch, and Blumlein transmission line are analyzed in detail. The PSpice simulation model has been established, and the simulation is completed. The input-output characteristics of every partials of the circuit of the pulse generator are analyzed by experiments. The results of the simulation and the experiment are compared. At last, simulations and experiments of pulse DBD are completed, and the waveforms from simulations and experiments are similar.
华中科技大学 硕士学位论文 高重复频率纳秒级陡脉冲电源的研制 姓名：胡琼 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：刘克富
20060323
摘要
非热等离子体在环境保护、灭菌消毒、表面改性、气体激光及国防领域具有广 泛的潜在应用前景。其技术优势在于大部分能量被用来加速电子，产生活性粒子而 等离子体整体温度接近室温。为了防止脉冲放电时等离子体中除电子以外的粒子不 必要的加速，防止放电状态由辉光放电向弧光放电转化，希望提供的脉冲电源具有 快速上升陡度（～1000V/ns）、相对窄的脉冲宽度（～100ns）和相对高的重复频率（～ 1kHz）。
为了适应脉冲功率技术的发展，1976 年在美国举行了第一届电气与电子工程师 协会（IEEE）脉冲功率技术国际会议，交流了研究工作的进展和成果，会上“脉冲
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功率”这一术语被认同。在 1979 年举行了第二届国际会议。之后，这类国际会议每 两年举行一次，直到现在。从那时起，由单级动作产生大功率的脉冲功率装置的研
After the testing of the pulse power supply, we reached the expected goal and succeed in using the power supply in the experiments of pulse DBD, and it was running
1.1 脉冲功率技术概述
脉冲功率技术是指将“慢”存储起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩、 转换或直接在很短的时间释放能量给负载的电物理技术。脉冲功率技术大多数涉及 高电压、大电流及高速脉冲放电，它广泛应用于等离子体物理与受控核聚变的研究、 核爆炸模拟、闪光 X 射线照相、高功率激光、大功率微波、电磁脉冲、电磁发射、 粒子束武器等方面，在环境、宇宙、生物医学、电子学、新材料、精密加工、食品 加工、粉碎等领域也都有广泛的应用。表 1.1 比较详细地介绍了脉冲功率技术的主要 应用领域。
II
stably. The pulse power supply should have certain improvements in order to reach the higher demand of applications. Thus, the dissertation gives some proposals and expectations in the end. Keywords: pulse power nonthermal plasma DBD Blumlein transmission line
本课题在电容储能的基础上，利用晶闸管控制电容放电完成了脉冲从 ms 到 µs 的压缩，利用 Blumlein 传输线和自击穿气体开关完成了脉冲从 µs 到 ns 的压缩，研 制成一台高重复频率 ns 级陡脉冲高压电源，应用于介质阻挡放电产生高能高密度的 非热等离子体，为飞机隐身机理研究提供主要技术支撑。本章简要介绍脉冲功率技 术、等离子体、脉冲电源研制的意义、国内外研究状况、设计难点、脉冲电源设计 方案等。
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本设计结合了电力电子技术和脉冲功率技术， 提出了一种实现高压高重复频率 纳秒级陡脉冲电源的方法，分两步来实现。首先利用晶闸管控制电容放电完成了脉 冲从 ms 到 µs 的压缩，然后利用 Blumlein 传输线和自击穿气体开关完成了脉冲从 µs 到 ns 的压缩。其应用于介质阻挡放电产生高能高密度的非热等离子体，为飞机隐身 机理研究提供主要能源。该电源输出脉冲电压峰值 0～20kV，可调；重复频率 0～ 2kHz，可调；脉冲上升前沿 20ns，脉宽 100ns。
本文对这种高功率脉冲电源的工作原理，设计方法做了详细的介绍；对电路各 部分如储能电容充电、两级充放电回路、晶闸管驱动和保护、高频脉冲变压器、自 击穿气体开关、Blumlein 传输线等的原理和设计都做了详细的分析；建立了电路的 PSpice 仿真模型，进行了仿真计算；对电源电路系统各个部分的输入输出特性做了 系统的试验研究和分析，给出了试验数据和波形；对仿真结果和试验结果作了比较 分析，找出了电路的运行规律。对脉冲介质阻挡放电进行了仿真和试验，试验结果 与仿真结果基本吻合。
准分子激光器
强脉冲X射线技术 大功率微波源 激光聚变 电磁脉冲技术[4][5] 粒子束武器[6] 电磁轨道炮[7]
high repetition nanosecond pulse
III
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经表明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式表明。本人完全意 识到，本声明的法律结果由本人承担。
究开始盛行起来。以美国和俄罗斯为中心，人们对其进行军事上的应用研究，并投
入了巨额的费用。以后，随着冷战的结束，积累起来的脉冲功率技术在产业方面的
Baidu Nhomakorabea
应用逐步深入。
表1.1 脉冲功率技术的应用一览表
近 代 科 学 研 究
军事 应用
工业 应用
医学 应用 环境 保护
其他
应用领域 粒子束惯性约束核聚变[2] 相对论电子束加速器[3]
We present a new method to develop a high voltage and high repetition rate nanosecond pulse generator by combining power electronics and pulsed power technology. The required target of the power supply is realized by two stapes. First, the capacitor discharges controlled by SCR complete the pulses compression from millisecond to microsecond. Secondly, the pulses compression from microsecond to nanosecond is completed by Blumlein transmission lines and gas spark switch. The pulse generator can be used in Dielectric Barrier Discharge to generate high density and nonthermal plasma. It is the main energy supply for the research of hidden airplane. Voltage pulses of 0-20kV with a rise time of 20ns, a pulse dutation of 100ns, a pulse repetition rate of 0-2kHz, an energy per pulse of 0.5-1J, and the average power up to 0.5-1 kW have been achieved with total energy conversion efficiency of 90%.