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微细电化学纳秒脉冲电源的研制及加工特性测试

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微细电化学纳秒脉冲电源的研制及加工特性测试

作者：王少阳合肥工业大学

学位级别：硕士

微细电化学加工(Micro-electrochemical machining,Micro-ECM)是利用金属在电流的作用下发生阳极溶解,从而实现材料去除的一种非接触式特种加工技术。脉冲电源是微细电化学加工重要的组成部分,微细电化学加工专用的高性能脉冲电源的发... 详细信息

微细电化学加工(Micro-electrochemical machining,Micro-ECM)是利用金属在电流的作用下发生阳极溶解,从而实现材料去除的一种非接触式特种加工技术。脉冲电源是微细电化学加工重要的组成部分,微细电化学加工专用的高性能脉冲电源的发展对提高我国微细加工领域技术水平有着重要意义。本文基于微细电化学加工的工艺特点及其对纳秒脉冲电源的需求,研发出一款适用于微细电化学加工的纳秒脉冲电源。主要研究内容如下:1.通过对脉冲电源的前级直流稳压模块的设计实现可调幅值的直流电压输出;基于对斩波电路和其驱动电路的结构设计,实现脉冲参数独立可调的稳定脉冲电压输出;基于单片机对电源功能的数字化控制,对脉冲电源的控制系统进行设计,实现串口通讯、单极性和双极性PWM(Pulse width modulation)信号发生、数据采集等功能。2.提出了一种新的直流电压斩波和驱动电路方案,斩波电路采用多个MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)并联当作主输出回路,同时串联一个辅助MOSFET组成推挽输出电路;驱动电路采用光耦、驱动器和图腾柱电路的结构,有效的提升了驱动能力,并由于具备双路输出驱动信号的能力,解决了多个MOSFET同时驱动和驱动时序不同的问题,极大的提升了输出能力,同时改善了高频输出脉冲的上下沿波形。3.基于加工间隙内复杂的电场环境,设计了使用电阻分压配合差分运算放大的电压采集电路,使用分流器配合电流检测放大器的电流采集电路,解决了高频电压电流难以采集的问题。采集到的电压电流信号传送至单片机的ADC(Analog-to-Digital Converter)模块,单片机的处理程序把检测信号与预设参考值进行比较,在一定范围内实现稳压稳流,当检测到参数异常时关闭电源输出。4.对纳秒脉冲电源样机的输出脉冲波形进行测试,得到了输出波形稳定、上下沿陡峭且脉间电压平滑的脉冲电压波形;利用该电源进行微细电化学工艺特性测试,通过单因素和正交试验分析脉冲参数对加工微孔直径的影响,验证所研制脉冲电源在加工时的输出性能。经试验结果表明,所研制的纳秒脉冲电源达到了预期设计目标,同时能够满足微细电化学加工需要。

关键词：纳秒脉冲电源单片机 MOSFET 加工间隙检测微孔加工

考虑离子风风速反馈的高频高压纳秒脉冲电源研制

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考虑离子风风速反馈的高频高压纳秒脉冲电源研制

作者：朱振宇南京航空航天大学

学位级别：硕士

采用等离子体主动流动控制技术的飞行器,具有飞行阻力小、噪音低、升力大和安全性高等优点,应用前景非常广阔。与传统的交流等离子体激励源相比,纳秒脉冲电源可以进一步提高激励强度,具有更高效的主动流动控制效果。在此背景下,本文以... 详细信息

采用等离子体主动流动控制技术的飞行器,具有飞行阻力小、噪音低、升力大和安全性高等优点,应用前景非常广阔。与传统的交流等离子体激励源相比,纳秒脉冲电源可以进一步提高激励强度,具有更高效的主动流动控制效果。在此背景下,本文以沿面介质阻挡放电(SDBD)的离子风激励器作为负载,研制了一套高频高压纳秒脉冲电源样机,具备离子风风速反馈和控制功能,研究结论如下:采用单极性Marx电路和脉冲变压器相结合的电路拓扑,分析了电路拓扑结构和工作模态,设计了对应的驱动电路、主功率电路和脉冲变压器。充分利用脉冲变压器的电压过冲效应,在样机输入侧直流电压为600 V时,输出侧纳秒脉冲高压可达21 k V,最高频率16 k Hz。当负载为纯电阻并且平均功率在125 W以内时,样机效率高于80%。输出侧的高压脉冲波形脉宽约为250 ns,上升沿小于150 ns。电源样机输出脉冲电压幅值和脉冲重复频率均可调。设计了5种规格的SDBD等离子体激励装置,研究了石英玻璃介质厚度和电极距离对SDBD激励器放电特性的影响。研究发现:当施加的脉冲电压幅值和脉冲重复频率保持不变时,SDBD激励器的放电亮度、放电电流峰值会随着石英玻璃介质厚度和上下电极间距的增加而减小。用更厚(厚度3 mm)的石英介质板做成的SDBD装置,会略微延长脉冲电压的下降时间,而上下电极间距的变化则对脉冲电压波形影响不明显。针对某一规格的SDBD离子风激励器,进一步研究了脉冲电压幅值和脉冲重复频率对诱导离子风风速的影响。结果表明SDBD风速与外施电压和重复频率均呈现正相关,诱导的最大离子风风速超过3 m/s。研究了SDBD在不同水平位置和垂直位置、不同水平角度和竖直角度下的风速变化规律,随着距离上电极水平距离的增大,离子风风速先增大后减小。随着水平和竖直测量角度的增大,离子风风速分别呈现单调减小和先增加后减小趋势。进一步设计了SDBD风速反馈的闭环系统,拟合了离子风风速与输入电压幅值和重复频率之间的关系。搭建了反馈环路中的硬件系统并设计了其软件系统,构建了一套基于PI控制的离子风速反馈样机。通过参数整定,实现了SDBD风速反馈的调频和调压2种控制方式。闭环系统下可以实现离子风风速0.5 m/s～2.5 m/s的自主设定,具备抗外界风速扰动能力。当外界风速扰动不消失时,抗风速干扰能力为0.3 m/s,系统的风速调整和响应时间约为6～8 s。在此基础上,对整个电源样机系统的性能进行了测试。在SDBD负载下,当输入直流电压为400 V时,电源系统消耗总输入功率为47 W,输入功率传输至SDBD负载上的功率约为5 W,该电功率转换为离子风推力的效率约为0.13%。

关键词：纳秒脉冲电源脉冲变压器沿面介质阻挡放电离子风风速反馈 PI控制

纳秒脉冲电源驱动提高KrCl^＊准分子灯辐射效率的实验研究

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照明工程学报 2011年第5期22卷 7-10,17页

作者：陈古源高岚庄晓波张善端刘克富复旦大学电光源研究所上海200433

针对目前准分子灯效率偏低的现状,为了从电源角度提高准分子灯紫外辐射的效率,本文对电源驱动类型(正弦/脉冲)以及脉冲电源参数(极性、电压幅值、频率)对介质阻挡放电激发准分子KrCl*(222nm)紫外辐射的影响进行了实验研究。实验结果表明... 详细信息

针对目前准分子灯效率偏低的现状,为了从电源角度提高准分子灯紫外辐射的效率,本文对电源驱动类型(正弦/脉冲)以及脉冲电源参数(极性、电压幅值、频率)对介质阻挡放电激发准分子KrCl*(222nm)紫外辐射的影响进行了实验研究。实验结果表明:脉冲驱动比正弦电压驱动紫外辐射的效率提升86.5%;电源的极性对灯的工作特性没有显著的影响,单向负脉冲效果略好些;随着电源电压幅值的增加,准分子灯紫外辐射强度增加,但紫外辐射效率下降;频率升高,准分子灯紫外辐射强度提高,效率随频率变化不明显。本文还对实验结果作了简要分析和理论解释。

关键词：准分子灯紫外光源介质阻挡放电纳秒脉冲电源

一级Marx压缩的高稳定纳秒脉冲电源的设计

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强激光与粒子束 2023年第6期35卷 97-105页

作者：姚学玲焦梓家孙晋茹谌贝陈景亮西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 北京无线电计量测试研究所北京100854

针对目前缺乏标准纳秒高压脉冲电源的现状,开展高稳定性纳秒高压脉冲电源回路分析、结构设计及性能测试研究。通过建立纳秒脉冲发生器等效电路模型,仿真计算获得5级初级脉冲发生电路参数,以及一级压缩陡化间隙对纳秒脉冲特性的影响规律... 详细信息

针对目前缺乏标准纳秒高压脉冲电源的现状,开展高稳定性纳秒高压脉冲电源回路分析、结构设计及性能测试研究。通过建立纳秒脉冲发生器等效电路模型,仿真计算获得5级初级脉冲发生电路参数,以及一级压缩陡化间隙对纳秒脉冲特性的影响规律。通过纳秒高压脉冲电源结构设计及低抖动电晕稳定开关特性研究,建立高稳定输出的纳秒脉冲电源系统。研制纳秒电阻分压器,建立基于ns及μs量级传递校准测试相结合的刻度因数标定方法,准确获得纳秒电阻分压器的刻度因数。脉冲电源输出特性测试结果表明:纳秒脉冲电源系统可以输出上升时间2.3 ns±0.5 ns、幅值范围10~60 kV的指数纳秒脉冲;输出脉冲电压在全幅值范围内的相对标准偏差不大于±1.5%。

关键词：纳秒脉冲电源电阻分压器分布电容标定方法相对标准偏差

用于激励固体绝缘缺陷的SOS型高压重频纳秒脉冲电源的研制

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高压电器 2018年第11期54卷 165-169页

作者：张彦斌岳永刚张晓萌张永鹏刘成英丁臻捷杨兰均内蒙古超高压供电局呼和浩特010012 西安交通大学西安710048

为了对固体缺陷材料进行局部放电检测,文中研制了一台基于半导体断路开关(semiconductoropening switch)的高压重频纳秒脉冲电源,作为激发固体绝缘缺陷在重频下产生局部放电的激励源。纳秒脉冲电源由初级谐振充电单元、磁脉冲压缩单元... 详细信息

为了对固体缺陷材料进行局部放电检测,文中研制了一台基于半导体断路开关(semiconductoropening switch)的高压重频纳秒脉冲电源,作为激发固体绝缘缺陷在重频下产生局部放电的激励源。纳秒脉冲电源由初级谐振充电单元、磁脉冲压缩单元和半导体断路开关(SOS)三部分构成。介绍了纳秒脉冲电源各部分的设计,给出了纳秒脉冲电源的调试波形。调试结果符合设计要求,在620Ω电阻负载上产生幅值30 kV、前沿30 ns,半高宽110 ns的脉冲电压波形。纳秒脉冲电源连续运行重复频率1 kHz,间隙工作重复频率最大10 kHz。搭建局部放电检测平台,纳秒脉冲电源成功用于试品的局部放电检测,重频下试品放电重复性好。

关键词：纳秒脉冲电源重频谐振充电磁脉冲压缩 SOS 局部放电缺陷检测

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用于放电等离子体的重频固态纳秒脉冲电源

电力电子技术 2021年第10期55卷 8-11页

作者：李帅康黄邦斗章程邵涛中国科学院电工研究所等离子体科学和能源转化北京市国际科技合作基地北京100190 中国科学院大学北京100049

为提高放电功率、产生大面积等离子体,设计了一种高重复频率纳秒脉冲电源,其基本原理是采用高压截断法产生高压脉冲。选用通断速度较快的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)产生纳秒级截断,进而可以大幅提高输出脉冲的重... 详细信息

为提高放电功率、产生大面积等离子体,设计了一种高重复频率纳秒脉冲电源,其基本原理是采用高压截断法产生高压脉冲。选用通断速度较快的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)产生纳秒级截断,进而可以大幅提高输出脉冲的重复频率;使用8个串联的MOSFET同步工作,以提高输出电压幅值。测试结果表明,该电源输出脉冲的电压幅值可达10 kV,脉冲上升沿约为12 ns,半高宽约为750 ns。负载为5 kΩ无感电阻时,连续运行重复频率可达100 kHz,爆发模式下重复频率可达1 MHz。电源带载能力较强,未击穿时输出电压脉冲波形基本不随电极负载发生改变。该电源可长期稳定工作,产生较大面积等离子体,满足了高重复频率纳秒脉冲放电的需求。

关键词：纳秒脉冲电源放电等离子体

应用Proteus和Keil联调的纳秒脉冲电源的仿真设计

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机械设计与制造 2013年第3期 139-142页

作者：赵忠杜立群大连理工大学辽宁省微纳米及系统重点实验室辽宁大连116024 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室辽宁大连116024

微细加工技术是MEMS器件加工工艺的关键环节,基于阴极生长成型的电沉积技术由于精度高,可控性强被广泛应用。微电铸是MEMS器件成型过程中的关键工艺步骤,脉冲电源是微电铸步骤中所使用的重要实验设备之一。传统的脉冲电源利用开关管斩... 详细信息

微细加工技术是MEMS器件加工工艺的关键环节,基于阴极生长成型的电沉积技术由于精度高,可控性强被广泛应用。微电铸是MEMS器件成型过程中的关键工艺步骤,脉冲电源是微电铸步骤中所使用的重要实验设备之一。传统的脉冲电源利用开关管斩波的方式,控制复杂且成本高,利用DDS芯片制作脉冲电源需要复杂的滤波环节。设计了一款脉冲波形为矩形,脉冲宽度在百纳秒级别的脉冲电源。选择ICL8038芯片作为高频脉冲发生器,利用AT89C51单片机控制数字电位器MAX5413来调节ICL8038芯片所产生的矩形脉冲波频率和占空比等参数,采用液晶显示屏来显示矩形脉冲波的频率和占空比参数的信息。并采用Proteus和Keil软件联调的方式,对电源电路进行了仿真设计。结果表明:波形纯净,脉冲陡峭,控制电路简单,无需复杂的滤波环节,成本较低,适用于微电铸加工。

关键词：微电铸纳秒脉冲电源 Proteus 数字电位器 C51单片机

基于MPC技术的重频高压纳秒脉冲电源的研制

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基于MPC技术的重频高压纳秒脉冲电源的研制

作者：段赛飞华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

GIS中隔离开关、断路器等操作时产生的快速暂态过电压(VFTO)具有波形陡、幅值高和频率范围宽的特点,对绝缘材料和设备造成很大的危害。因此研制一台电压发生装置用来模拟上升沿极陡的脉冲电压进行实验研究具有重要意义。磁脉冲压缩(MPC... 详细信息

GIS中隔离开关、断路器等操作时产生的快速暂态过电压(VFTO)具有波形陡、幅值高和频率范围宽的特点,对绝缘材料和设备造成很大的危害。因此研制一台电压发生装置用来模拟上升沿极陡的脉冲电压进行实验研究具有重要意义。磁脉冲压缩(MPC)技术在脉冲功率系统中得到广泛应用,本文基于磁脉冲压缩技术研制了一台高压重频纳秒脉冲电源用来模拟陡脉冲电压应力。磁脉冲压缩技术的核心器件是可饱和脉冲变压器与磁开关,针对这两种脉冲磁元件的设计是研制过程的核心工作。本文首先针对脉冲电源的工作过程进行了描述,分析了脉冲电压形成过程以及可饱和脉冲变压器的充、放电过程,对回路中的整流模块、快速恢复二极管、IGBT以及高压续流元件等重要器件进行了选择,设计了 IGBT触发回路。然后根据可饱和脉冲变压器与磁开关的性能需求以及磁芯材料的选取原则,测试了几种常用磁芯材料固有性能参数以及在直流、交流电压下的磁滞特性,并利用Comsol Multiphysics软件针对重频工作时的温升特性进行了研究,经过综合性能比对,选择铁基纳米晶1K107与Mn-Zn铁氧体材料作为可饱和脉冲变压器与磁开关磁芯材料,设计了它们的几何结构,测试了它们在脉冲电压下的磁滞特性;随后研究了铁基纳米晶1K107与Mn-Zn铁氧体磁芯在25℃-150℃范围内的脉冲磁化特性,结果表明磁芯温度每升高25℃,1K107磁芯的饱和磁感应强度下降约4%,Mn-Zn铁氧体磁芯磁感应强度下降约11%,基本满足设计需求。根据所测试的磁芯在脉冲条件下的磁化特性,运用Pspice仿真软件搭建了脉冲电源主回路仿真模型,获得了脉冲电源的理论波形参数,与实测波形参数相比对,并从波形参数影响因素的角度出发,分析了实测波形与理论波形之间存在误差的原因。对研制的脉冲电源进行输出测试,输出脉冲电压幅值在-27 kV内可调,频率在10 kHz内可调,上升沿为95 ns,半高宽为130 ns,脉宽为240 ns,经过调节可输出相同波形参数的正极性脉冲电压。

关键词：纳秒脉冲电源重复频率磁脉冲压缩技术脉冲变压器磁开关

基于SiC MOSFET的纳秒级脉冲电源研制

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基于SiC MOSFET的纳秒级脉冲电源研制

作者：谢涛大连理工大学

学位级别：硕士

脉冲功率技术广泛应用于军事、环境保护、生物技术等领域,比如脱硫脱硝、脉冲杀菌、激光管驱动、阴极射线管扫描电路等。传统脉冲电源的主放电开关主要以真空弧光放电管、氢闸流管、火花隙为主,存在成本高、寿命短、外围电路复杂等缺点... 详细信息

脉冲功率技术广泛应用于军事、环境保护、生物技术等领域,比如脱硫脱硝、脉冲杀菌、激光管驱动、阴极射线管扫描电路等。传统脉冲电源的主放电开关主要以真空弧光放电管、氢闸流管、火花隙为主,存在成本高、寿命短、外围电路复杂等缺点。随着电力电子技术的发展,功率MOSFET和IGBT的性能越来越高,众多研究学者利用MOSFET或IGBT串并联组成高压固态开关替代传统放电开关,进而设计出纳秒级上升沿的高重复频率脉冲发生器。本文以SiC MOSFET为核心功率器件,设计了一台纳秒级脉冲电源,电源主要技术指标为:输出脉冲峰值可调范围为0～30kV,脉冲重复频率为10HzkHz可调,最大输出电流为80A,脉冲上升时间小于100ns。本论文的主要工作如下:设计了纳秒脉冲电源的拓扑结构,主电路采用三级Marx发生器结构,研究了SiC MOSFET串联开关的静态和动态电压不均衡机制,给出了影响SiC MOSFET串联均压的关键因素。针对静态均压电路的特性,明确了均压电阻的设计方法,对于动态均压电路,采用负载侧RCD电路作为均压措施,并确定了相应参数的选取依据。对比分析了正激式驱动、半桥驱动、反激驱动三种驱动方式的优缺点,确定采用半桥驱动的方式作为SiC MOSFET的串联驱动电路,该电路的隔离强度高、驱动电路设计方便,其驱动变压器的原边和副边绕组匝数均为1匝,可减少其分布参数的影响。通过实验测试了驱动电路的同步性,其驱动的延迟时间差异小于10ns,同步性良好。采用Microchip公司的dsPIC33FJl28MC706作为主控制芯片,整个控制系统可以实现频率可调、脉冲幅值可调、过压和过流保护等,最终完成了实验样机的制作和调试,利用针-板反应器负载对电源的性能进行测试,实验结果表明电源满足了设计指标且基本性能良好。

关键词：纳秒脉冲电源半桥驱动电路均压电路针-板反应器