叠加型高压重频微秒脉冲电源研究

摘 要：针对水污染领域的高压脉冲电源存在的输出脉冲质量差、输出脉冲不可调等问题，本文从脉冲电源主电路的整体结构和变压器磁芯优化2个方面进行改进。首先，结构上，前级Buck电路调节输出脉冲电压幅值，后级全桥逆变电路调节输出脉冲的频率和脉宽，由5个模块电路串联产生高压脉冲。其次，升压变压器选择高磁导率和高磁通密度的磁芯，保证输出脉冲质量。研制一台额定功率为3kW的样机，对电源进行单触发和重频试验。试验结果表明，该电源输出脉冲实现了频率、脉宽和电压幅值可调，满足设计指标。

关键词：叠加型；磁芯选择；微秒电源；高重复频率

中图分类号：TN 710" " " 文献标志码：A

在水污染处理领域中，低温等离子体放电是一种新型的高级氧化技术，电解水产生的·OH、HO2·、·O等活性氧化物质可以无选择性地降解水中有机污染物，放电产生的紫外线、冲击波和局部高温也有利于污染物降解，此外低温等离子体技术还具有效率高、无二次污染和无须添加化学物质等优点[1-2]。

作为供电单元，脉冲电源要求脉冲幅值可调、脉冲宽度可调和脉冲频率可调等功能。基于此，本文提出了叠加型高压重频微秒脉冲电源。该电源是利用每级低压脉冲输出模块叠加的方式形成高压脉冲。本文设计的高压重频微秒脉冲电源优势在于每级脉冲输出模块的电压等级为2000V，降低了脉冲电源所需半导体器件的耐压等级。

脉冲电源主电路集成在PCB板上，利用PCB板走线，可避免飞线和铜排的应用，降低电磁干扰对整个脉冲电源系统的影响[3]。Buck调压电路用来调节全桥逆变电路的输入电压，从而调节输出脉冲的电压幅值。通过人机交互界面，可以设置屏幕中脉冲幅值、脉冲频率和脉冲宽度等参数，得到想要的脉冲波形。

1 电源系统设计

1.1 电源系统框图

高压重频微秒脉动电源系统框图如图1所示，系统包括三相不控整流电路，主要作用是做AC-DC变换，将三相交流电整流成直流电。Buck调压电路的主要作用是做DC-DC变换，通过调节Buck电路开关管的占空比来改变Buck电路的输出电压幅值，从而调节输出脉冲电压幅值。全桥逆变电路的主要作用是做DC-AC变换，将直流电转换为正负级脉冲，再通过升压变压器得到想要的脉冲幅值。可以通过改变逆变电路开关管驱动脉冲的频率和占空比，改变输出脉冲的频率和脉宽。输出电路通过整流电路将负半轴的脉冲翻到正半轴上得到脉冲输出。在人机交互界面，可以通过设置界面中输出脉冲幅值、脉冲宽度和脉冲频率等参数得到想要的输出脉冲波形，还有驱动电路、控制电路以及保护电路等。

1.2 主电路原理

叠加型高压重频脉冲电源设计指标如下：三相输入线电压380VAC±10%。输出脉冲电压幅值为1kV～10kV可调，输出脉冲宽度为1μs～50μs可调，输出脉冲的重复频率为2.5kHz～10kHz可调，输出最大功率为3kW。

叠加型高压重频脉冲发射端如图2所示。脉冲电源发射端是由全桥逆变电路将直流电转换为正负方波脉冲，经升压变压器将正负方波脉冲放大到2kV，再经高压快恢复高频二极管搭建的整流电路，将正负脉冲方波整流成正脉冲方波。通过控制全桥逆变电路开关管驱动脉冲的频率和脉宽，从而控制输出脉冲波形的频率和买块，得到想要的脉冲波形。

每级模块由1个升压变压器和4个高压快恢复高频二极管组成，五级模块通过前并、后串的方式连接，相邻2个模块间的电位差为2kV。鉴于该电源对输出脉冲幅值和脉冲宽度的要求，本文的整流二极管选用的是反向耐压为10kV、反向恢复时间为100ns的高压快恢复高频二极管。

前级调压电路如图3所示。前级调压电路由三相不控整流电路和Buck调压电路组成。三相输入线电压为380VAC±10%，经三相不控整流电路将380V±10%交流电整流成483V～591V的直流电。再经Buck调压电路，通过调节Buck电路开关管的开通和关断时间来调节Buck电路的输出电压，进而调节整个脉冲电源输出脉冲电压幅值。

2 升压变压器的设计

2.1 变压器磁芯材质的选取

在高频脉冲电源中，理论上全桥逆变电路和一桥臂的驱动脉冲是对称的，在开关期间，相等的正负方波脉冲交替加到升压变压器原边线圈上，将磁芯磁化，然后复位到初始状态。因此升压变压器无须考虑偏磁问题[4]。

目前常用脉冲变压器磁芯材料类型分为合金材料磁芯和非合金材料磁芯。对于合金材料磁芯，如铁基非晶体、超微晶和坡莫合金等具有较高的电阻率，可以用在较高的工作频率中。一般合金材料的饱和磁通密度较大，由于磁通密度摆幅受涡流损耗限制，因此这一特性就无关紧要，同时价格因素也会影响磁芯材料的选择。由于脉冲电源一般工作在冲击和摆幅大的地方，脉冲电源中升压变压器的磁芯材料选择为合金材料，而非铁氧体等磁芯材料。

通过比较合金材料最大磁导率、饱和磁通密度、工作频率和居里温度等磁芯特性，结合脉冲电源工作的一些特性，本文升压变压器选取磁芯材料为铁基非晶体。

2.2 变压器参数的计算

在本次高压重频微秒脉冲电源研制中，升压变压器磁芯的规格尺寸选用的是规格50mm×32mm×20mm的环形铁基非晶体磁芯（即d0、d1、h的数值分别为50mm、32mm和20mm）。

根据中小型变压器的设计方法，高频脉冲变压器原边匝数为N1，如公式（1）所示。

（1）

式中：Du为升压变压器中的脉冲波形的占空比；U1为变压器原边输入电压；f为输出脉冲频率；Ae为变压器磁芯有效截面积；Bw为磁感应强度[5-6]。

将占空比Du为0.50、升压变压器原边输入电压U1为500V、输出脉冲频率f为10kHz、变压器有效截面积Ae为1.80cm2、变压器磁感应强度Bw为0.8T代入公式（1）可得N1≈43.4匝，因此N1取为44匝。单个模块输出脉冲电压幅值U2为2kV，由此可推出升压变压器匝比n为4，即升压变压器副边匝数为176匝。

高频升压变压器原边脉冲电流I1和副边脉冲电流I2如公式（2）所示。

（2）

式中：P0为输出功率；η为功率因数；U0为输出脉冲电压幅值。

原边脉冲电流与副边脉冲电流有效值如公式（3）所示。

（3）

式中：td为脉冲宽度。

原副边绕组的导线直径如公式（4）所示。

（4）

式中：J为每平方毫米电流密度（这里取6A/mm2）；D为绕组直径；I为脉冲电流有效值。

将原副边脉冲电流的有效值I1e、I2e分别代入公式（4）中，即可求出变压器原副边绕组的直径D1、D2分别为1mm、0.25mm。为了增加变压器绕组间的绝缘等级并减少变压器的漏感，变压器原副边绕组采用直径为1mm和0.3mm的三层绝缘线绕制。

3 试验结果分析

根据上述原理，本文搭建了一台高压重频微秒脉冲电源样机。将高压重频微秒脉冲电源输出端连接33kΩ的无感电阻负载，并对该电源进行单次触发试验和重频触发试验。

对高压重频微秒脉冲电源进行单次触发试验测得的输出脉冲电压波形分别如图4、图5所示。图4是在重复频率为5kHz、输出脉冲电压幅值为10kV且触发脉宽为10μs、20μs、50μs下测得的输出脉冲电压波形。图5是在10μs触发脉宽下，将Buck调压电路的输出电压幅值改为100V、200V、400V和500V，与之对应的输出脉冲电压幅值分别为2kV、4kV、8kV和10kV。

根据图5可知，输出脉冲电压的上升时间很短，实测＜200ns。输出脉冲电压的上升时间与半导体开关管的开关特性、变压器特性有关。观察图4和图5的输出脉冲电压波形可以发现，输出脉冲波形的下降时间比上升时间长，原因可能是升压变压器绕制的特性不好，导致变压器中的杂散电感和杂散电容比较大，影响了输出波形的质量。

同一脉冲幅值、脉冲宽度，不同重频条件下的纯阻性负载输出脉冲电压波形如图6所示。根据图6可知，不同频率下的输出脉冲波形的下降时间比上升时间长。对脉冲电源进行重频试验，脉冲电源工作0.5h，示波器显示的输出脉冲波形稳定，电源输出功率为3kW，整机效率为93%，符合研究要求。

4 结论

脉冲电源主电路绘制在一块PCB板上，利用PCB走线可减少飞线和铜排连接带来的电磁干扰问题。加入Buck调压电路，可以改变Buck电路开关管的占空比，调节输出电压。每级模块耐压等级低，器件尺寸小，易于集成。电源采用5个升压变压器前并、后串的方式，降低升压变压器的升压等级，保证了输出脉冲波形的质量。

本文设计的叠加型高压重频微秒脉冲电源体积小、结构紧凑且功率密度大，还可通过前级Buck电路和后级全桥逆变电路来调节输出脉冲的幅值、频率和脉宽，满足不同的输出脉冲要求。

参考文献

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