本實用新型屬于脈沖電源領(lǐng)域，具體屬于快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源裝置。

背景技術(shù)：

脈沖電源技術(shù)基于脈沖功率技術(shù)和現(xiàn)代電源技術(shù)，其電源系統(tǒng)一般由初級電源、中間儲能環(huán)節(jié)及脈沖形成系統(tǒng)等部分組成。高壓脈沖電源中間儲能環(huán)節(jié)按儲能方式不同主要有電容儲能式和電感儲能式兩種方式。電感比電容儲能密度大，但放電波形振蕩大，不易產(chǎn)生長周期、快上升沿的方波脈沖。電容儲能放電波形穩(wěn)定，控制性好且可適用于容性或阻性的負(fù)載。因此脈沖形成部分常常選用電容儲能的方式。

高壓納秒脈沖電源具有極其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，例如在環(huán)保領(lǐng)域利用快脈沖放電離解有機物進(jìn)行污水處理，等離子體脫硫脫確處理煙氣；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域快脈沖產(chǎn)生磁場作用于人體；在材料和精密加工領(lǐng)域快脈沖產(chǎn)生等離子體的化學(xué)活性可以對材料進(jìn)行表面改性；在食品加工領(lǐng)域快脈沖放電逐漸應(yīng)用于食品保鮮和殺菌；在工業(yè)領(lǐng)域則可用于材料的加工等。

變頻電機是采用變頻器驅(qū)動的專用感應(yīng)電機，因具有調(diào)速性能好、易啟動、節(jié)能等優(yōu)點而已得到廣泛應(yīng)用，正逐漸取代傳統(tǒng)交流電機。但是變頻器輸出的波形具有快速上升/下降沿、高重復(fù)頻率及幅值，給變頻條件下的絕緣帶來新的問題，絕緣過早失效時有發(fā)生，降低了變頻電機運行的可靠性。研究表明，當(dāng)逆變器輸出的具有陡上升/下降沿的脈沖電壓在連接電纜與電機處因阻抗不匹配而成的過電壓超過變頻電機絕緣系統(tǒng)的局部放電起始電壓時，PWM脈沖上升/下降沿處產(chǎn)生局部放電，會造成電機絕緣快速裂化，這是變頻電機絕緣失效的主要原因。以往的高壓功率脈沖電源為其它應(yīng)用而設(shè)計，難以完全滿足絕緣材料尤其是絕緣結(jié)構(gòu)加速老化壽命評估試驗的需要。因此，研究滿足標(biāo)準(zhǔn)和使用要求的變頻絕緣檢測裝置是一項迫切的任務(wù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提出一種用于絕緣材料檢測的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源，對已有的脈沖電源的電路進(jìn)行改進(jìn)，使其具有脈沖前沿陡峭、控制精確、重復(fù)頻率高、電磁兼容性好等優(yōu)點。

本實用新型提出一種用于絕緣材料檢測的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源，包括單極性第一脈沖模塊、單極性第二脈沖模塊和開關(guān)管T₁、T₂所組成的H橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

單極性第一脈沖模塊和開關(guān)管T₁串聯(lián)組成的第一支路。

單極性第二脈沖模塊和開關(guān)管T₂串聯(lián)組成的第二支路。

單極性第一脈沖模塊的正極性輸出端與開關(guān)管T₁的漏極連接，開關(guān)管T₁的源極與負(fù)載的一端連接，負(fù)載的另一端與單極性第一脈沖模塊的負(fù)極性輸出端連接。

單極性第二脈沖模塊的正極性輸出端與負(fù)載的一端連接，負(fù)載的另一端與開關(guān)管T₂的漏極連接，開關(guān)管T₂的源極與單極性第一脈沖模塊的負(fù)極性輸出端連接。

其中所述的兩個單極性脈沖電源模塊，每個單極性脈沖電源模塊，包括可調(diào)直流高壓源、上拉電阻R_K，可調(diào)電阻R_P、主儲能電容C_P、開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄、電容C₃、電容C₄、電容C₅、靜態(tài)均壓電阻R₁、靜態(tài)均壓電阻R₂、動態(tài)均壓電阻R_g、動態(tài)均壓二極管D₁、動態(tài)均壓電容C₁、動態(tài)均壓電容C₂、雙向瞬態(tài)電壓抑制器TVS，均壓大電阻R_M。

可調(diào)直流高壓源正極性端與上拉電阻R_K的一端連接，上拉電阻R_K另一端與可調(diào)電阻R_P的一端連接，可調(diào)電阻R_P的另一端和主儲能電容C_P的一端連接，主儲能電容C_P的另一端與接地端連接；同時上拉電阻R_K另一端與開關(guān)管M₄的漏極連接，開關(guān)管M₄的源極與開關(guān)管M₃的漏極連接，開關(guān)管M₃的源極與開關(guān)管M₂的漏極連接，開關(guān)管M₂的源極與開關(guān)管M₁的漏極連接，開關(guān)管M₁的源極與接地端連接。

為保證開關(guān)管的靜態(tài)均壓效果，每個開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄左側(cè)的柵漏極并聯(lián)阻值相同的靜態(tài)均壓電阻R₁和電容值相同的動態(tài)均壓電容C₁；每個開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄左側(cè)的柵源極并聯(lián)阻值相同的靜態(tài)均壓電阻R₂、電容值相同的動態(tài)均壓電容C₂和相同型號的雙向瞬態(tài)電壓抑制器TVS。

為了保證開關(guān)管的動態(tài)均壓效果以及提高開關(guān)管驅(qū)動信號的同步性，開關(guān)管M₁柵極與動態(tài)均壓電阻R_g的一端連接，動態(tài)均壓電阻R_g的另一端與動態(tài)均壓二極管D₁的陰極連接，動態(tài)均壓二極管D₁的陽極與驅(qū)動信號連接；開關(guān)管M₂柵極與動態(tài)均壓電阻R_g的一端連接，動態(tài)均壓電阻R_g的另一端與動態(tài)均壓二極管D₁的陰極連接，動態(tài)均壓二極管D₁的陽極與電容C₃的一端連接，電容C₃的另一端與接地端連接；開關(guān)管M₃柵極與動態(tài)均壓電阻R_g的一端連接，動態(tài)均壓電阻R_g的另一端與動態(tài)均壓二極管D₁的陰極連接，動態(tài)均壓二極管D₁的陽極與電容C₄的一端連接，電容C₄的另一端與接地端連接；開關(guān)管M₄柵極與動態(tài)均壓電阻R_g的一端連接，動態(tài)均壓電阻R_g的另一端與動態(tài)均壓二極管D₁的陰極連接，動態(tài)均壓二極管D₁的陽極與電容C₅的一端連接，電容C₅的另一端與接地端連接。

每個開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄右側(cè)的漏源極之間都并聯(lián)相同阻值的均壓大電阻R_M。

本實用新型提出一種用于絕緣材料檢測的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源，其特點是，首先設(shè)計出單極性的脈沖源，為提高開關(guān)管的耐壓等級，采用開關(guān)管MOSFET采用串聯(lián)方式，為解決均壓問題采用柵極動態(tài)RCD均壓技術(shù)，并通過一管控制多管的驅(qū)動方式提高開關(guān)管驅(qū)動信號的同步性。

其次將其單極性脈沖源模塊化處理，做出兩個模塊，并利用和兩個開關(guān)管所組成的H橋的形式輸出快前沿的雙極性脈沖方波。這款電源滿足了絕緣材料尤其是絕緣結(jié)構(gòu)加速老化壽命評估試驗的需要。

附圖說明

圖1為單極性脈沖模塊電路結(jié)構(gòu)圖。

圖2為快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源電路原理圖。

具體實施方式

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本實用新型的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本實用新型中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體可以是機械連接，也可以是電連接可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本實用新型中的具體含義。

在本實用新型中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

下面詳細(xì)描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

變頻器輸出波形具有快速上升/下降沿、高重復(fù)頻率及幅值，給變頻條件下的絕緣帶來新的問題，絕緣早期失效時有發(fā)生，降低了變頻電機的可靠性。以往的高壓功率脈沖電源為其它應(yīng)用而設(shè)計，難以完全滿足絕緣材料尤其是絕緣結(jié)構(gòu)加速老化壽命評估試驗的需要。因此，基于此本實用新型設(shè)計了為滿足標(biāo)準(zhǔn)和使用要求的變頻絕緣檢測的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源裝置。

本實用新型提出一種用于絕緣材料檢測的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。包括由單極性第一脈沖模塊、單極性第二脈沖模塊和開關(guān)管T₁、T₂所組成的H橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單極性第一脈沖模塊和開關(guān)管T₁串聯(lián)組成的第一支路；單極性第二脈沖模塊和開關(guān)管T₂串聯(lián)組成的第二支路。單極性第一脈沖模塊的正極性輸出端與開關(guān)管T₁的漏極連接，開關(guān)管T₁的源極與負(fù)載的一端連接，負(fù)載的另一端與單極性第一脈沖模塊的負(fù)極性輸出端連接；單極性第二脈沖模塊的正極性輸出端與負(fù)載的一端連接，負(fù)載的另一端與開關(guān)管T₂的漏極連接，開關(guān)管T₂的源極與單極性第一脈沖模塊的負(fù)極性輸出端連接。

通過控制H橋臂上的T₁管和T₂管的導(dǎo)通情況，可以實現(xiàn)雙極性脈沖的輸出。

選擇合適的驅(qū)動策略，即實現(xiàn)T₁管和T₂管在脈沖來臨之前開通，在脈沖消失之后關(guān)斷，避免開關(guān)管T₁、T₂承受高壓而導(dǎo)致的器件損壞。要求單極性第一脈沖模塊、單極性第二脈沖模塊的脈沖輸出間隔為半個周期。

以下結(jié)合附圖1，詳細(xì)介紹本實用新型提出的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源的工作過程，可以分為兩個工作階段。

第一階段，負(fù)脈沖產(chǎn)生階段。

當(dāng)單極性第一脈沖模塊產(chǎn)生的納秒高壓脈沖來臨之前，給開關(guān)管T₁觸發(fā)脈沖，將開關(guān)管T₁觸發(fā)開通，實現(xiàn)負(fù)極性脈沖輸出，脈沖輸出結(jié)束之后，關(guān)斷T₁管，準(zhǔn)備開啟T₂管，為正極性脈沖輸出做準(zhǔn)備。

第二階段，正脈沖產(chǎn)生階段。

當(dāng)單極性第二脈沖模塊產(chǎn)生的納秒高壓脈沖來臨之前，給開關(guān)管T₂觸發(fā)脈沖，將開關(guān)管T₁觸發(fā)開通，實現(xiàn)正極性脈沖輸出，脈沖輸出結(jié)束之后，關(guān)斷T₂管，準(zhǔn)備開啟T₁管，為負(fù)極性脈沖輸出做準(zhǔn)備。

上述的單極性第一脈沖模塊、單極性第二脈沖模塊，其中每個模塊電路原理圖如圖2所示。包括可調(diào)直流高壓源、上拉電阻R_K，可調(diào)電阻R_P、主儲能電容C_P、開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄、電容C₃、電容C₄、電容C₅、靜態(tài)均壓電阻R₁、靜態(tài)均壓電阻R₂、動態(tài)均壓電阻R_g、動態(tài)均壓二極管D₁、動態(tài)均壓電容C₁、動態(tài)均壓電容C₂、雙向瞬態(tài)電壓抑制器TVS，均壓大電阻R_M。

可調(diào)直流高壓源正極性端與上拉電阻R_K的一端連接，上拉電阻R_K另一端與可調(diào)電阻R_P的一端連接，可調(diào)電阻R_P的另一端和主儲能電容C_P的一端連接，主儲能電容C_P的另一端與接地端連接；同時上拉電阻R_K另一端與開關(guān)管M₄的漏極連接，開關(guān)管M₄的源極與開關(guān)管M₃的漏極連接，開關(guān)管M₃的源極與開關(guān)管M₂的漏極連接，開關(guān)管M₂的源極與開關(guān)管M₁的漏極連接，開關(guān)管M₁的源極與接地端連接。

開關(guān)管M₁柵極與動態(tài)均壓電阻R_g的一端連接，動態(tài)均壓電阻R_g的另一端與動態(tài)均壓二極管D₁的陰極連接，動態(tài)均壓二極管D₁的陽極與驅(qū)動信號連接；開關(guān)管M₂柵極與動態(tài)均壓電阻R_g的一端連接，動態(tài)均壓電阻R_g的另一端與動態(tài)均壓二極管D₁的陰極連接，動態(tài)均壓二極管D₁的陽極與電容C₃的一端連接，電容C₃的另一端與接地端連接；開關(guān)管M₃柵極與動態(tài)均壓電阻R_g的一端連接，動態(tài)均壓電阻R_g的另一端與動態(tài)均壓二極管D₁的陰極連接，動態(tài)均壓二極管D₁的陽極與電容C₄的一端連接，電容C₄的另一端與接地端連接；開關(guān)管M₄柵極與動態(tài)均壓電阻R_g的一端連接，動態(tài)均壓電阻R_g的另一端與動態(tài)均壓二極管D₁的陰極連接，動態(tài)均壓二極管D₁的陽極與電容C₅的一端連接，電容C₅的另一端與接地端連接。

每個開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄左側(cè)的柵漏極并聯(lián)相同阻值的靜態(tài)均壓電阻R₁和相同電容量的動態(tài)均壓電容C₁；每個開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄左側(cè)的柵源極之間都并聯(lián)相同阻值的靜態(tài)均壓電阻R₂、相同電容量的動態(tài)均壓電容C₂和雙向瞬態(tài)電壓抑制器TVS；每個開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄右側(cè)的漏源極之間都并聯(lián)相同阻值的均壓大電阻R_M。

以下結(jié)合附圖2，詳細(xì)介紹本實用新型提出的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源單極性脈沖電源模塊電路的工作過程，可以分為三個工作階段。

第一階段，主儲能電容C_P充電階段。

當(dāng)開關(guān)管M₁無觸發(fā)脈沖時，開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄處于關(guān)斷狀態(tài)。直流高壓源對主儲能電容C_P進(jìn)行充電。

第二階段，脈沖產(chǎn)生階段。

當(dāng)給開關(guān)管M₁驅(qū)動脈沖時，開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄全部開通，實現(xiàn)一管驅(qū)動多管。

選取電容C₃、電容C₄、電容C₅的合理參數(shù)值，保證了一管驅(qū)動多管的同步性。

主儲能電容C_P通過可調(diào)電阻R_P、開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄形成放電回路，對可調(diào)電阻R_P進(jìn)行放電，作用于負(fù)載，形成脈沖輸出。

第三階段，脈沖結(jié)束階段。

當(dāng)關(guān)斷開關(guān)管M₁驅(qū)動脈沖時，開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄全部斷開，實現(xiàn)一管關(guān)斷多管。

主儲能電容C_P通過可調(diào)電阻R_P、開關(guān)管M₁、開關(guān)管M₂、開關(guān)管M₃、開關(guān)管M₄形成的放電回路結(jié)束放電，脈沖輸出結(jié)束。

在本實用新型的一個實施例的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源裝置實現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)中，可調(diào)直流高壓源的電壓可以達(dá)到4KV。

在本實用新型的一個實施例的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源裝置實現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)中，主儲能電容的耐受電壓可以達(dá)到4KV。

在本實用新型的一個實施例的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源裝置實現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)中，脈沖輸出的峰峰值電壓可以達(dá)到8KV。

在本實用新型的一個實施例的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源裝置實現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)中，上升時間應(yīng)小于200ns。

在本實用新型的一個實施例的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源裝置實現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)中，脈沖寬度可在0.08-25μs范圍之內(nèi)。

在本實用新型的一個實施例的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源裝置實現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)中，重復(fù)頻率可實現(xiàn)1-20KHz可調(diào)。

根據(jù)本實用新型的快前沿雙極性納秒高壓脈沖電源裝置在上升時間、脈沖寬度、重復(fù)頻率等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)，是以往的雙極性脈沖電源所不能具有的。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本實用新型的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實用新型的范圍內(nèi)可以對上述實施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。