防爆高压脉冲电源研究进展*

包涵春

(中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 266104)

0 前言

近年来,高压脉冲技术已成为高新技术研究的重要技术基础之一,在等离子体发生[1,2]、环境保护、材料制备、生物医学、国防军工等领域应用广泛。在高压脉冲技术朝着工业化应用迈进过程中,爆炸性环境中应用的需求越来越大,如石油化工企业爆炸性气体环境下的脉冲等离子体恶臭治理、电除尘等。电气设备的防爆技术有:隔爆型(Exd)、本质安全型(Exi)、正压型(Exp)、增安型、油浸型、充砂型、浇封型、n型、特殊型、粉尘防爆型等,其中本质安全型、正压型和隔爆型应用较为广泛[3-5]。

本质安全型防爆的核心是限制电路能量,将潜在的火花能量限制在气体混合物的点燃温度之下。本安电源的输出功率较小,一般为几瓦到几十瓦,输出电压一般在25 V以下[6,7],在实现较高电压和功率的脉冲输出下,真正实现本质安全型脉冲电源的难度较大。正压型防爆需要设置气路和气密性良好的保护外壳,并保持保护外壳内的压力高于周围爆炸性气体混合物的压力[8,9],维持正常运行的投入过大,一般在其他防爆技术都不满足要求的超大功率场景中应用。对于千瓦级高压电源,目前普遍采用以隔爆型为主的防爆设计[10-12]。郭亚逢,等[13]采用隔爆为主,辅以油浸、增安等多种防爆设计,研发了大功率防爆型等离子体高压交流电源,可应用于爆炸危险场所Ⅰ、Ⅱ区。

在隔爆要求下,电源需要放置于防爆箱体中,温度、体积以及相应的安全控制成为防爆设计时考虑的主要因素。高压电源对环境温度要求高,而防爆箱体内散热条件较差,容易导致电源温度过高;部分高压产生方式造成电源体积较大,导致防爆腔过大,造成空间和成本的浪费。现阶段,高压脉冲产生方式主要有脉冲变压式、Blumlein形成线式、磁压缩式和固态开关式,各自的特点总结见表1[14-21]。脉冲变压式电源结构简单,但体积和发热量不易控制,产生脉冲波形的峰值电压和上升时间往往无法满足应用要求;Blumlein形成线式脉冲电源采用火花开关,不适合在爆炸性环境中应用;磁压缩式脉冲电源运行时控制参数基本固定,不能满足需要参数调节的场景,而且大量磁性元件使电源整体发热量增加,体积也相对较大。固态开关式脉冲电源主要有固态开关串联、直线型变压器驱动源(Linear Transformer Driver, LTD)和固态Marx等几种形式,采用的固态开关一般为MOSFET或IGBT等,开关速度快、可控性好,电源整体结构较紧凑。

表1 各类脉冲产生方式对比

因此,在考虑防爆特性和脉冲电源性能的基础上,本文对性能参数优越、体积小、质量轻且发热量较少的固态开关式脉冲电源的研究进展进行详细介绍。

1 固态开关串联脉冲电源

固态开关串联的方式为直接控制开关串联模块对高压直流输入进行斩波,实现高压脉冲方波的输出。受单个固态开关耐压等级和成本的限制,需要将多个固态开关进行串联分压,典型电路结构如图1所示[22]。

图1 固态开关串联脉冲电源

固态开关串联脉冲电源在工作时,同一串联模块作为一个整体,需做到同一模块内开关器件的同步和均压。如果控制不当,其中一只开关损坏容易造成整个串联模块损坏,所以需要合适的均压电路和缓冲电路来实现电压在串联开关上的均匀分布[23]。

在开关模块设计方面,余琳,等[24]通过RCD缓冲电路实现了开关模块的动态和静态均压,如图2(a)所示。在此基础上研制的固态开关串联脉冲电源输出电压可达30 kV,固态开关模块由64个额定电压为1 200 V的IGBT串联组成,开关管总损耗占输出功率的2.14%,开关串联模块如图2(b)所示。

图2 开关模块和均压电路

为解决回路杂散参数、布线电感以及导线电感造成开关速度减慢的问题,施阳杰,等[25]提出一种新的脉冲陡化电路(图3)。通过增设放电回路辅以纳秒量级的短路时序控制,实现了更短的上升时间,电源输出上升沿可达50 ns,下降沿可达70 ns。李鑫,等[26]建立了杂散参数和不均流度的数学模型,通过迭代优化降低并联IGBT的不均流度,提升设计效率的同时降低了成本,研制的开关串联型双极性脉冲电源能够输出幅值0～±4 kV,上升沿58 ns,脉宽10 ns～100 μs可调的高压脉冲。

图3 高压陡脉冲电路拓扑

李帅康,等[27]采用IGBT串联的方式产生脉冲波形,再经过脉冲变压器及磁压缩方式进行脉冲升压与陡化,研制的脉冲电源输出电压幅值可达25 kV,其IGBT模块温度最终稳定在约28 ℃,温升较小。

固态开关串联脉冲电源原理简单,电路中大容量电容、电感比较少,需要控制短路电火花产生的点更少,与脉冲变压器式或磁压缩式等类型的脉冲电源相比发热量更小。但需要高电压等级的直流电源与其配合,输出电压幅值依赖于前级直流电源。固态开关串联脉冲电源中,开关模块控制的可靠性是设计的关键,在防爆应用时可以结合安全控制进行整体设计。

2 LTD脉冲电源

LTD脉冲电源采用磁感应叠加原理[28],将多模块通过1∶1的变压器串联起来,每个模块由多个储能电容并联构成,实现大电压、大电流的输出,典型原理如图4所示[29]。

图4 LTD方式脉冲电源典型原理

在减小电源体积方面,杨景红,等[30]提出圆柱形同轴结构的紧凑型设计,可减小电路中的漏感、分布电感和分布电容,提升了脉冲上升沿速度,将15个输出670 V/50 A的模块串联叠加,得到10 kV/50 A的高压脉冲。江伟华,等[31]设计了由30个模块构成的LTD系统,如图5(b)所示,单个模块如图5(a)所示,在120 Ω阻性负载下输出29 kV高压,最大输出电流为240 A,脉冲宽度在50～170 ns。程显,等[32]研制了LTD脉冲电源样机,输出电压幅值0～15 kV可调,重复频率1～10 kHz可调,采用模块化设计,可以通过增加模块数量方便地提高最大输出电压。

图5 LTD模块和由30模块构成的LTD系统

为实现双极性脉冲输出,唐潇,等[33]在每个子模块上设计了相同数量的反极性储能电容(图6),励磁电流在磁芯上正负交变,从原理上取消了磁通复位电路,同时也具备根据需要串联叠加的优点,研制的样机输出电压幅值0～±2 kV,脉冲电流80 A,上升时间达17 ns。

图6 全固态双极性LTD电路拓扑

LTD脉冲电源采用多个小脉冲变压器并联叠加的方式,相较于脉冲变压器和磁压缩式脉冲电源能更好的控制体积和发热量。相较于另外两种固态开关式脉冲电源,大量变压器结构使其温升较高。LTD脉冲电源解决了高电压输出的隔离难题,提高了输出电压、电流的上限,具备升级扩展的潜力,但是在防爆要求下,系统升级通常涉及防爆箱更换,进行拓展的价值不高。

3 固态Marx脉冲电源

目前固态Marx脉冲电源应用较为成熟,采用电压叠加原理在固定时间内将多段能量进行叠加,从而实现短时高能量的脉冲输出,典型原理如图7所示。高压脉冲产生的基本原理是电容并联充电、串联放电[20,34-35]。

图7 固态Marx脉冲电源拓扑

饶俊峰,等[36]提出一种自触发驱动的17级正极性固态Marx脉冲电源,进一步减小了电源体积,降低成本,电路拓扑如图8所示。通过简化驱动电路避免了开关动态、静态均压的问题,实现了10 kΩ阻性负载上10 kV、上升沿328 ns的正极性脉冲高压脉冲输出。

图8 正极性自触发Marx拓扑

为实现脉冲波形的双极性,Liu,等[37]提出的改进型Marx脉冲电源拓扑可以产生正极性或负极性脉冲,优化了开关控制时序,实现电压0～±15 kV、上升沿50～500 ns、脉宽0～1 ms的方波或三角波脉冲输出。卞伟杰,等[38]提出了结合单极性固态Marx和全桥电路的双极性脉冲电源拓扑,提出提前主动截尾控制策略,将下降沿时间控制在20 ns以内,验证了容性负载下,带截尾控制比不带截尾控制放电强度和能量利用效率显著提高,为脉冲驱动等离子体等容性负载的应用提供了参考。

上述脉冲电源输出均为电压脉冲波形,为产生电流脉冲波形,史昊正,等[39]提出了一种基于固态Marx叠加器的脉冲电流源设计(图9),采用电感作为储能元件,实现了方波电流输出,在负载为1.2 kΩ时输出电流幅值10 A,上升沿700 ns。相较于Blumlein形成线方式制成的高压脉冲电流源,体积更小且参数可调,为脉冲电流源研制提供参考。

固态Marx脉冲电源具有如下优势:无变压器结构,能更好地控制体积和发热量;通过调节各支路开关的动作时序调控脉冲波形,效率高、响应快;能够根据输出电压的要求增减储能电容的级数进行模块化设计,有着广泛的适用范围。相较于固态开关串联方式,其峰值电压可设计范围广,波形调制更为灵活;相较于LTD方式,其脉冲宽度可调范围大但存在高压隔离的难题。

4 其他固态开关式脉冲电源

除了上述3种典型固态开关式脉冲电源外,也有学者开展了其他形式的应用研究。米彦,等[40]结合模块化多电平变换器(Modular Multilevel,MMC)相关技术,研发了一种基于辅助充电支路的MMC高频纳秒脉冲电源,电路拓扑与实物如图10所示,该电源在充电时无需开关动作,消除了开关导通损耗,提高了电源稳定性,输出上升沿可达20 ns,下降沿30 ns,频率最高1 MHz,电压幅值0～4 kV,相比于不加辅助充电支路MMC的尾切开关温升减少约30%。

图10 基于辅助充电支路的模块化

脉冲发生方式的选取往往是多种方式的组合。因目前固态开关器件价格较高,考虑成本因素,可以结合脉冲变压器和磁开关等方式进行脉冲升压和波形陡化处理,但需要对散热进行良好的设计,必要时采用油冷或增加散热管等方式实现散热要求。

5 结论

本文结合防爆要求将各类脉冲电源进行对比。与脉冲变压器式、Blumlein形成线式、磁压缩式等类型的脉冲电源相比,固态开关式脉冲电源具有结构紧凑、发热量低、可操控性好的优点,更适应于防爆场景下的应用。

a) 固态开关串联脉冲电源原理简单,整体结构紧凑、发热量较小,但输出电压幅值依赖于前级高压直流电源。其设计的关键在于同一模块内串联开关器件的同步和均压,在防爆应用时可以结合安全控制进行整体设计。

b) LTD脉冲电源降低了对高压直流电源电压等级的要求,也降低了隔离要求和电源成本,可根据需要对子模块进行串并联,输出参数设计上限高,可拓展性好,但在防爆要求下,要更换防爆箱,进行拓展的价值不高。此外,相较于另两种固态开关式脉冲电源,LTD脉冲电源采用大量变压器结构,发热量较大。

c) 固态Marx脉冲电源无变压器结构,在体积和发热量方面更具优势,效率高、响应快、波形调制灵活,能够进行模块化设计,但存在高压隔离的难题。

d) 各类脉冲电源均有各自的优势和缺点,需要考虑具体应用场景进行设计。在性能、发热量要求更为严格的防爆环境下,固态开关串联脉冲电源和固态Marx脉冲电源的应用前景更好。