本發(fā)明涉及點(diǎn)火裝置，特別是一種用于等離子體點(diǎn)火的納秒脈沖疊加直流電源裝置。

背景技術(shù)：

納秒脈沖放電產(chǎn)生的等離子體含有多種高能粒子，密度大，活性強(qiáng)，能量高，被廣泛應(yīng)用于等離子體點(diǎn)火領(lǐng)域。放電能量高、一體化、體積小的電源裝置對(duì)促進(jìn)等離子體點(diǎn)火的應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用。

現(xiàn)有的等離子體點(diǎn)火裝置受到眾多因素的限制，首先傳統(tǒng)的等離子激勵(lì)電源采用直流或納秒脈沖電源，直流電源放電能量較低，不易點(diǎn)火，納秒脈沖放電雖然瞬時(shí)功率高，但當(dāng)氣流速度較高時(shí)，仍然存在等離子體中高能活性粒子能量較低甚至不足以點(diǎn)火的問題。此外，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了一種脈沖疊加直流的電極裝置，但脈沖電極與直流電極分開垂直放置，增加了裝置的復(fù)雜性?，F(xiàn)有的等離子體點(diǎn)火裝置多為單一電源形式，放電能量較低。少數(shù)多電源形式等離子體點(diǎn)火裝置中，直流電源一般與脈沖電源相互分離，作用于不同的電極上。這就需要龐大的電源結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的線路系統(tǒng)，使裝置的靈活性受限，隨著等離子體點(diǎn)火電源裝置的發(fā)展，有必要在電源內(nèi)部將脈沖電壓與直流電壓疊加然后輸出至負(fù)載，以提高放電能量，減小電極結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，縮小電源體積，促進(jìn)其在工業(yè)和科研領(lǐng)域中的應(yīng)用。

文章文獻(xiàn)1中描述了一種納秒脈沖疊加直流的電極結(jié)構(gòu)，但這種電極結(jié)構(gòu)將直流電極與脈沖電極分隔，增加了裝置的復(fù)雜性；專利文獻(xiàn)1提供了一種采用芯片控制的直流疊加脈沖式的金屬表面處理電源電路，但該裝置采用大量電力電子器件控制電路，在工作時(shí)這些電力電子元器件極易受到電路本身放電產(chǎn)生的電磁干擾的影響，可靠性大大降低。專利文獻(xiàn)2提供了一種基于IGBT串聯(lián)的高壓脈沖疊加直流電場(chǎng)發(fā)生器，但該裝置采用IGBT單管串聯(lián)電路產(chǎn)生高壓脈沖，但I(xiàn)GBT同步觸發(fā)控制電路較為復(fù)雜，且其輸出脈沖高壓電壓最高為10kV，另外其高壓脈沖上升時(shí)間及脈寬均較長(zhǎng)，不適用于高速氣流下點(diǎn)火。以上描述的等離子體發(fā)生裝置要么體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要么穩(wěn)定性低，控制復(fù)雜。

先前技術(shù)文獻(xiàn)

文章文獻(xiàn)

文章文獻(xiàn)1：Nishihara,M.,et al."Development of a Mach 5Nonequilibrium-Flow Wind Tunnel."AIAA journal 50.10(2012):2255-2267.

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：杭州電子科技大學(xué)，專利申請(qǐng)?zhí)?01310301466.0

專利文獻(xiàn)2：重慶大學(xué)，專利申請(qǐng)?zhí)?01310514521.4

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了用于等離子體點(diǎn)火的納秒脈沖疊加直流電源裝置，其目的在于，提供一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、放電能量高、易于工業(yè)化生產(chǎn)的納秒脈沖疊加直流電源，以滿足內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火及超聲速下航天發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火需求。

本發(fā)明提供了一種用于等離子體點(diǎn)火的納秒脈沖疊加直流電源裝置，包括高壓直流電源、納秒脈沖電源和納秒脈沖整合直流電路；

所述高壓直流電源的輸出為第一輸出，所述納秒脈沖電源的輸出為第二輸出，所述第一輸出和所述第二輸出經(jīng)過所述納秒脈沖整合直流電路疊加在一起獲得納秒脈沖疊加直流電源，輸出至負(fù)載；

其中，所述納秒脈沖整合直流電路包括隔離電容Cs、限流電阻Rs、限流電感Ls，所述第一輸出經(jīng)過所述限流電阻Rs、所述限流電感Ls施加到所述負(fù)載上，所述第二輸出經(jīng)過所述隔離電容Cs施加到所述負(fù)載上；

所述第一輸出為高壓直流輸出，所述第二輸出為納秒脈沖輸出。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述高壓直流電源的輸入為交流電源，所述第一輸出作為所述納秒脈沖電源的輸入。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述納秒脈沖電源為雙傳輸線型納秒脈沖發(fā)生器，包括充電電阻R1、第一同軸電纜、第二同軸電纜、閉合開關(guān)K、負(fù)載電阻R2；

所述第一輸出經(jīng)所述充電電阻R1、所述第一同軸電纜的中心銅線、所述第一同軸電纜的中心銅線連接、所述閉合開關(guān)K接地；所述第一同軸電纜的網(wǎng)狀屏蔽層的A端、所述第二同軸電纜的網(wǎng)狀屏蔽層的C端、所述第二同軸電纜的網(wǎng)狀屏蔽層的D端共同接地；所述第一同軸電纜的網(wǎng)狀屏蔽層的B端作為所述第二輸出并經(jīng)所述負(fù)載電阻R2接地。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述納秒脈沖電源為開關(guān)切斷式納秒脈沖發(fā)生器，包括充電電阻R7、電容C3、開關(guān)、輸出電阻R8；

所述第一輸出的正極經(jīng)所述充電電阻R7、所述開關(guān)、所述輸出電阻R8連接于所述第二輸出的正極，所述充電電阻R7與所述開關(guān)的連接端經(jīng)所述電容C3接地。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述高壓直流電源的輸入和所述納秒脈沖電源的輸入為交流電源。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述納秒脈沖電源為級(jí)聯(lián)式納秒脈沖發(fā)生器，包括變壓器T2、整流二級(jí)管D6、整流二級(jí)管D7、整流二級(jí)管D8、整流二級(jí)管D9、整流二級(jí)管D10、整流二級(jí)管D11、整流二級(jí)管D12、整流二級(jí)管D13、限流電阻R9、限流電阻R10、電容C4、電容C5、IGBT1、IGBT2、二級(jí)管D14、二級(jí)管D15、匹配電阻R11；

級(jí)聯(lián)式輸入為交流電源的交流電源輸出；

所述交流電源輸出與所述變壓器T2的原邊相連，所述整流二級(jí)管D6正極、所述整流二級(jí)管D7負(fù)極、所述變壓器T2第一組繞組副邊的一端相連，所述整流二級(jí)管D8正極、所述整流二級(jí)管D9負(fù)極、所述變壓器T2所述第一組繞組副邊的另一端相連；所述整流二級(jí)管D6負(fù)極、所述整流二級(jí)管D8負(fù)極、所述限流電阻R9的一端相連，所述整流二級(jí)管D7正極、所述整流二級(jí)管D9正極相連作為第一組脈沖輸出的負(fù)極；所述電容C4的一端與所述限流電阻R9的另一端相連，所述電容C4另一端接于所述第一組脈沖輸出的負(fù)極；所述IGBT1的集電極接于所述限流電阻R9與所述電容C4相連處，所述IGBT1的發(fā)射極與所述二級(jí)管D14負(fù)極相連，并作為所述第一組脈沖輸出的正極，所述二級(jí)管D14正極與所述第一組脈沖輸出端的負(fù)極相連；

所述整流二級(jí)管D10正極、所述整流二級(jí)管D11負(fù)極、所述變壓器T2第二組繞組副邊的一端相連，所述整流二級(jí)管D12正極、所述整流二級(jí)管D13負(fù)極、所述變壓器T2第二組繞組副邊的另一端相連；所述整流二級(jí)管D10負(fù)極、所述整流二級(jí)管D12負(fù)極、所述限流電阻R10的一端相連，所述整流二級(jí)管D11正極、所述整流二級(jí)管D13正極相連作為第二組脈沖輸出的負(fù)極；所述電容C5一端與所述限流電阻R10的一端相連，所述電容C5另一端接于所述第二組脈沖輸出的負(fù)極；所述IGBT2的集電極接于所述限流電阻R10與所述電容C5相連處，所述IGBT2的發(fā)射極與所述二級(jí)管D15的負(fù)極相連，并作為所述第二組脈沖輸出的正極，與所述第一組脈沖輸出端的負(fù)極相連，所述二級(jí)管D15正極與所述第二組脈沖輸出端的負(fù)極相連；

所述匹配電阻R11一端與所述第一組脈沖輸出的正極相連，并作為所述第二輸出的正極，所述匹配電阻R11另一端與所述第二組脈沖輸出的負(fù)極相連，并作為所述第二輸出的負(fù)極。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述高壓直流電源包括調(diào)壓器T1、整流橋、限流電阻R1、限流電阻R2、吸收電阻R3，吸收電阻R4、二極管D1、二極管D2、鉗位二極管D3、鉗位二極管D4、扼流電感L1、開關(guān)管MOSFET M1、開關(guān)管MOSFETM2、諧振電容C1、變壓器PT、整流二極管D5、電容C2；

所述高壓直流電源的輸入為所述交流電源；

所述交流電源的兩端與所述調(diào)壓器T1的原邊相連，所述調(diào)壓器T1的副邊與所述整流橋的輸入端相連；所述扼流電感L1的一端與所述整流橋的正極相連，所述扼流電感L1的另一端與所述變壓器PT的原邊的中間抽頭b相連；所述開關(guān)管MOSFET M1的源極、所述開關(guān)管MOSFET M2的源極、所述鉗位二極管D3的正極、所述鉗位二極管D4的正極與所述整流橋的負(fù)極相連；所述開關(guān)管MOSFETM1的柵極經(jīng)所述限流電阻R1連接于所述整流橋的正極、所述開關(guān)管MOSFET M2的柵極經(jīng)所述限流電阻R2連接于所述整流橋的正極；所述開關(guān)管MOSFET M1的漏極接于所述變壓器PT的a端、所述開關(guān)管MOSFET M2的漏極接于所述變壓器PT的c端；所述二極管D1的正極與所述開關(guān)管MOSFET M1的柵極相連，所述二極管D1的負(fù)極接于所述變壓器PT的a端，所述二極管D2的正極與所述開關(guān)管MOSFET M1的柵極相連，所述二極管D2的負(fù)極接于所述變壓器PT的c端；所述諧振電容C1的兩端分別與所述變壓器PT的a端、c端相連；所述變壓器PT的副邊經(jīng)所述整流二極管D5輸出，所述電容C2一端與所述整流二極管D5的負(fù)極相連，所述電容C2的另一端連接于所述變壓器PT的副邊。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述負(fù)載為多針陣列-板式電極結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述多針陣列-板式電極結(jié)構(gòu)為針與針間距0.5mm，4根針垂直于板并列放置。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，所述閉合開關(guān)K的電極結(jié)構(gòu)為球隙結(jié)構(gòu)或棒板結(jié)構(gòu)或棒棒結(jié)構(gòu)或板板結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益效果：用于等離子體點(diǎn)火的納秒脈沖疊加直流的電源，其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，高壓直流電源與納秒脈沖電源一體化設(shè)計(jì)，具有放電能量高和裝置小型化的優(yōu)勢(shì)，方便使用。在實(shí)際應(yīng)用中，可以應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火及超聲速下航天發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火等方面。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種用于等離子體點(diǎn)火的納秒脈沖疊加直流電源裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例、第二實(shí)施例所述的一種用于等離子體點(diǎn)火的納秒脈沖疊加直流電源裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例所述的一種用于等離子體點(diǎn)火的納秒脈沖疊加直流電源裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為第一實(shí)施例中納秒脈沖電源原理圖；

圖5為第二實(shí)施例中納秒脈沖電源原理圖；

圖6為第三實(shí)施例中納秒脈沖電源原理圖；

圖7為圖2，圖3中的高壓直流電源原理圖。

圖中，

1、高壓直流電源；2、納秒脈沖整合直流電路；3、負(fù)載；4、交流電源；5、調(diào)壓器T1；6、整流橋；7、限流電阻R1；8、限流電阻R2；9、吸收電阻R3；10、吸收電阻R4；11、二極管D1；12、二極管D2；13、鉗位二極管D3；14、鉗位二極管D4；15、扼流電感L1；16、開關(guān)管MOSFET M1；17、開關(guān)管MOSFET M2；18、諧振電容C1；19、變壓器PT；20、整流二極管D5；21、電容C2；22、充電電阻R1；23、第一同軸電纜；24、第二同軸電纜；25、閉合開關(guān)K；26、負(fù)載電阻R2；27、限流電阻Rs；28、限流電感Ls；29、隔離電容Cs；30、交流電源輸出；31、第一輸出；32、第二輸出；33、充電電阻R7；34、電容C3；35開關(guān)；36、輸出電阻R8；37、變壓器T2；38、整流二級(jí)管D6；39、整流二級(jí)管D7；40、整流二級(jí)管D8；41、整流二級(jí)管D9；42、整流二級(jí)管D10；43、整流二級(jí)管D11；44、整流二級(jí)管D12；45、整流二級(jí)管D13；46、限流電阻R9；47、限流電阻R10；48、電容C4；49、電容C5；50、IGBT1；51、IGBT2；52、二級(jí)管D14；53、二級(jí)管D15；54、匹配電阻R11。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，及具體實(shí)話例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

實(shí)施例1，如圖1和2所示，本發(fā)明第一實(shí)施例用于等離子體點(diǎn)火的納秒脈沖疊加直流電源裝置，包括高壓直流電源1、納秒脈沖電源2和納秒脈沖整合直流電路。

高壓直流電源1的輸入為交流電源4，高壓直流電源1的輸出為第一輸出31，第一輸出31作為納秒脈沖電源2的輸入，納秒脈沖電源2的輸出為第二輸出32，第一輸出31和第二輸出32經(jīng)過納秒脈沖整合直流電路疊加在一起獲得納秒脈沖疊加直流電源，輸出至負(fù)載3；

第一輸出31為高壓直流輸出，直流電壓幅值6kV-20kV連續(xù)可調(diào)；

第二輸出32為納秒脈沖輸出，納秒脈沖電壓上升沿20ns，半高寬100ns，頻率20Hz，幅值6kV-20kV連續(xù)可調(diào)；

交流電壓4為220V交流電源；

納秒脈沖整合直流電路包括隔離電容Cs 29、限流電阻Rs 27、限流電感Ls 28，第一輸出31經(jīng)過限流電阻Rs 27、限流電感Ls 28施加到負(fù)載3上，第二輸出32經(jīng)過隔離電容Cs 29施加到負(fù)載3上；

由于隔離電容Cs 29的隔絕作用，經(jīng)由限流電阻Rs 27和限流電感Ls 28輸出的直流電壓與納秒脈沖電源2的輸出端隔絕；由于限流電感Ls 28對(duì)電流的抑制作用，又可將納秒脈沖電源2輸出的納秒脈沖與高壓直流電源1輸出端隔絕；這樣，經(jīng)由限流電阻Rs 27和限流電感Ls 28以及隔離電容Cs 29組成的納秒脈沖整合直流電路，納秒脈沖輸出與直流高壓輸出互相隔絕并一同輸出至負(fù)載端。

如圖4所示，納秒脈沖電源2為雙傳輸線型納秒脈沖發(fā)生器，包括充電電阻R1 22、第一同軸電纜23、第二同軸電纜24、閉合開關(guān)K 25、負(fù)載電阻R2 26；

其中，

閉合開關(guān)K 25的電極結(jié)構(gòu)為球隙結(jié)構(gòu)或棒板結(jié)構(gòu)或棒棒結(jié)構(gòu)或板板結(jié)構(gòu)，優(yōu)選球隙結(jié)構(gòu)，球隙間距為0.2-1cm連續(xù)可調(diào)，對(duì)應(yīng)放電電壓峰值6-20kV，優(yōu)選1cm，對(duì)應(yīng)放電電壓20kV；閉合開關(guān)K 25的材料為黃銅或鎳鋼合金或鎢銅合金，優(yōu)選黃銅；

充電電阻R1 22為玻璃釉電阻，具有體積小、重量輕、耐濕、耐溫、穩(wěn)定性好、噪聲小、高頻特性好等優(yōu)點(diǎn)；

第一同軸電纜23和第二同軸電纜24是特征阻抗Z為50Ω、長(zhǎng)度L為10m的電纜；

負(fù)載電阻R2 26為阻值100Ω的無(wú)感電阻，其電感小、雜散參數(shù)小，削弱了電路雜散參數(shù)的影響，有利于減小納秒脈沖電源2輸出脈沖上升沿。

第一輸出31經(jīng)充電電阻R1 22、第一同軸電纜23的中心銅線、第一同軸電纜23的中心銅線連接、閉合開關(guān)K 25接地；第一同軸電纜23的網(wǎng)狀屏蔽層的A端、第二同軸電纜24的網(wǎng)狀屏蔽層的C端、第二同軸電纜24的網(wǎng)狀屏蔽層的D端共同接地；第一同軸電纜23的網(wǎng)狀屏蔽層的B端作為第二輸出32并經(jīng)負(fù)載電阻R2 26接地。

高壓直流電源1的輸出同時(shí)作為納秒脈沖電源2的輸入；當(dāng)?shù)谝煌S電纜23和第二同軸電纜24的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)，且特征阻抗均為Z，負(fù)載電阻R2 26的阻值等于2Z時(shí)，高壓直流電源1的輸出，經(jīng)由充電電阻R1 22給第一同軸電纜23和第二同軸電纜24充電；充電完成后，兩傳輸線均充滿U₀的電壓，線上電流為零；

時(shí)間t以閉合開關(guān)K 25閉合時(shí)刻為起點(diǎn)，此時(shí)t＝0，第二同軸電纜24的D端的中心銅線與網(wǎng)狀屏蔽層短路，由于邊界條件的改變，在接地端產(chǎn)生電壓U_i1＝-U₀的入射電壓波，以保持接地端電壓為零，同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)i_i＝-U₀/Z的入射電流波；兩入射波從D端向負(fù)載電阻R2 26傳播，在t＝L/v時(shí)，v為電磁波在電纜中的傳播速度，傳播到負(fù)載電阻R2 26并發(fā)生折射和反射，形成折射波U_z＝-1.5U₀和反射波U_r1＝-0.5U₀，折射波經(jīng)過負(fù)載電阻R2 26和第一同軸電纜23分壓，形成負(fù)載電壓U_R2＝-U₀和第一同軸電纜23的入射波U_i1，當(dāng)t＝2L/v時(shí)，同軸電纜24的第一次反射波U_r1到達(dá)第二同軸電纜24的D端，由于D端短路，電壓發(fā)生負(fù)全反射，形成第二次反射波U_r2＝0.5U₀，此時(shí)第一同軸電纜23入射波U_i1到達(dá)第一同軸電纜23的A端，由于第一同軸電纜23的A端相當(dāng)于開路，電壓發(fā)生全反射，形成第二次反射波U_r2＝-0.5U₀。

當(dāng)t＝3L/v時(shí)，兩個(gè)大小相等，方向相反的二次反射波達(dá)到負(fù)載電阻R2 26，負(fù)載電阻R2 26處的反射和折射相互抵消，負(fù)載電阻R2 26電壓為零，傳輸線上的波過程結(jié)束；在負(fù)載電阻R2 26上產(chǎn)生的電壓幅值為充電電壓U₀，脈寬等于電磁波沿單根傳輸線傳播時(shí)間兩倍的脈沖，脈寬為2L/v。

如圖7所示，高壓直流電源1包括調(diào)壓器T1 5、整流橋6、限流電阻R1 7、限流電阻R2 8、吸收電阻R3 9，吸收電阻R4 10、二極管D1 11、二極管D2 12、鉗位二極管D3 13、鉗位二極管D4 14、扼流電感L1 15、開關(guān)管MOSFET M1 16、開關(guān)管MOSFET M2 17、諧振電容C1 18、變壓器PT 19、整流二極管D5 20、電容C2 21；

其中，調(diào)壓器T 5的額定功率為200W，整流橋6為小型單相整流橋，開關(guān)管MOSFET M1 16、開關(guān)管MOSFET M2 17為金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，變壓器PT 19原邊的c端與變壓器PT 19副邊的e端為同名端。

交流電源4的兩端與調(diào)壓器T1 5的原邊相連，調(diào)壓器T1 5的副邊與整流橋6的輸入端相連；扼流電感L1 15的一端與整流橋6的正極相連，扼流電感L1 15的另一端與變壓器PT 19的原邊的中間抽頭b相連；開關(guān)管MOSFET M1 16的源極、開關(guān)管MOSFET M2 17的源極、鉗位二極管D3 13的正極、鉗位二極管D4 14的正極與整流橋6的負(fù)極相連；開關(guān)管MOSFET M1 16的柵極經(jīng)限流電阻R1 7連接于整流橋6的正極、開關(guān)管MOSFET M2 17的柵極經(jīng)限流電阻R2 8連接于整流橋6的正極；開關(guān)管MOSFET M1 16的漏極接于變壓器PT 19的a端、開關(guān)管MOSFET M2 17的漏極接于變壓器PT 19的c端；二極管D1 11的正極與開關(guān)管MOSFET M1 17的柵極相連，二極管D1 11的負(fù)極接于變壓器PT 19的a端，二極管D2 12的正極與開關(guān)管MOSFET M1 16的柵極相連，二極管D2 12的負(fù)極接于變壓器PT 19的c端；諧振電容C1 18的兩端分別與變壓器PT 19的a端、c端相連；變壓器PT 19的副邊經(jīng)整流二極管D5 20輸出，電容C2 21一端與整流二極管D5 20的負(fù)極相連，電容C2 21的另一端連接于變壓器PT 19的副邊。

直流高壓電源1的輸入為交流電源4，經(jīng)調(diào)壓器T1 5及整流橋6后輸出6-20V直流電；初始上電時(shí)，由于開關(guān)管MOSFET M1 16、開關(guān)管MOSFET M2 17未導(dǎo)通，扼流電感L1 15通入的電流為零，之后電源通過限流電阻R1 7使開關(guān)管MOSFET M1 16的柵極電壓升高，限流電阻R2 8使開關(guān)管MOSFET M2 17的柵極電壓升高，從而使開關(guān)管MOSFET M1 16、開關(guān)管MOSFET M2 17導(dǎo)通，扼流電感L1 15電流逐漸增加；由于元件參數(shù)的差異，即MOSFET柵極和源極鉗位電壓的差異、MOSFET本身制造參數(shù)的差異、變壓器初級(jí)繞組不嚴(yán)格對(duì)稱、走線長(zhǎng)度差異等，使開關(guān)管MOSFET M1 16和開關(guān)管MOSFET M2 17開關(guān)特性存在差異，將導(dǎo)致流入兩個(gè)開關(guān)管的電流不同，假設(shè)開關(guān)管MOSFET M2 17電流逐漸大于開關(guān)管MOSFET M1 16電流，則I_b-c>I_b-a，I_b-c為變壓器PT 19原邊的b點(diǎn)向c端的電流，I_b-a為變壓器PT 19原邊的b點(diǎn)流向a端的電流，故變壓器PT 19原邊內(nèi)總磁場(chǎng)方向?yàn)橛蒩指向c且迅速增大，此時(shí)變壓器PT 19副邊將感應(yīng)出逐漸增大的正向電壓，整流二極管D5 20處于正向?qū)顟B(tài)，輸出直流電壓并對(duì)電容C2 21充電；之后開關(guān)管MOSFET M2 17電流迅速增大，開關(guān)管MOSFET M1 16電流被抑制，使開關(guān)管MOSFET M2 17導(dǎo)通，開關(guān)管MOSFET M1 16截止，電路完成啟動(dòng)過程；

開關(guān)管MOSFET M2 17逐漸導(dǎo)通過程中，c點(diǎn)電壓逐漸增大，c點(diǎn)電壓U_c大于a點(diǎn)電壓U_a，變壓器PT 19原邊總感應(yīng)電壓U_c-U_a>0，故電容C1 18將會(huì)被充電，隨著c點(diǎn)電壓增大，二極管D2 12截止，由于鉗位二極管D3 13的鉗位作用，開關(guān)管MOSFET M1 16柵極電壓保持在其閾值電壓，開關(guān)管MOSFET M1 16開始導(dǎo)通；由于開關(guān)管MOSFET M1 16的導(dǎo)通電壓極小，故可認(rèn)為a點(diǎn)電壓近似為0，此時(shí)二極管D1 11導(dǎo)通并強(qiáng)制將b點(diǎn)電位拉低至0，即開關(guān)管MOSFET M2 17柵極電壓逐漸降為0，開關(guān)管MOSFET M2 17由導(dǎo)通狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換為關(guān)斷狀態(tài)；此時(shí)，變壓器PT 19原邊內(nèi)磁場(chǎng)方向由a指向c且逐漸減小，在變壓器PT 19副邊感應(yīng)出逐漸減小的正向電壓，此時(shí)整流二極管D5 20處于正向?qū)顟B(tài)，電容C2 21維持輸出直流電壓；

當(dāng)開關(guān)管MOSFET M2 17柵極電壓降為0，開關(guān)管MOSFET M2 17為關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)管MOSFET M1 16由關(guān)斷狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)開關(guān)管MOSFET M1 16電流逐漸增大，則I_b-a逐漸增大，故變壓器PT 19原邊內(nèi)總磁場(chǎng)方向?yàn)橛蒫指向a且迅速增大，此時(shí)變壓器PT 19副邊將感應(yīng)出逐漸增大的反向電壓，整流二極管D5 20處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電容C2繼續(xù)維持輸出直流電壓。同時(shí)a點(diǎn)電壓逐漸增大，二極管D1 11逐漸由導(dǎo)通狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，此時(shí)開關(guān)管MOSFET M2 17柵極電壓逐漸增大，開關(guān)管MOSFET M2 17由關(guān)斷狀態(tài)向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)變；同時(shí)c點(diǎn)電壓逐漸減小，二極管D2 12由截止?fàn)顟B(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管MOSFET M1 16柵極電壓由其閾值電壓逐漸降為0，開關(guān)管MOSFET M1 16由導(dǎo)通狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)變壓器PT 19原邊內(nèi)磁場(chǎng)方向由c指向a且逐漸減小，在變壓器PT 19副邊感應(yīng)出逐漸減小的反向電壓，此時(shí)整流二極管D5 20處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電容C2 21維持輸出直流電壓。至此電路完成一個(gè)周期的轉(zhuǎn)變。

高壓直流電源1的有益效果：

開關(guān)管MOSFET M1 16和開關(guān)管MOSFET M2 17開通或關(guān)斷時(shí)，其漏極與源極之間電壓均為零，故在開關(guān)管MOSFET M1 16和開關(guān)管MOSFET M2 17開通或關(guān)斷時(shí)，其開斷損耗較低，能量傳遞效率較高；諧振電容C1 18及變壓器PT 19原邊和扼流電感L1 15構(gòu)成諧振電路，變壓器PT 19原邊電壓波形為較為理想的正弦，故變壓器變比為實(shí)際變比；諧振電路的諧振頻率決定了開關(guān)管MOSFET M1 16和開關(guān)管MOSFET M2 17的狀態(tài)改變，從而決定了變壓器PT 19副邊輸出正弦電壓的頻率，諧振頻率大致為25kHz，故變壓器PT 19體積極小，另外，整流二極管D5 20與變壓器PT 19副邊均封裝在硅膠內(nèi)，電性能優(yōu)越，耐熱性能好，大大減小了高壓直流源的體積；扼流電感L1 15利用電感電流的不可突變特性，保證磁飽和瞬間MOSFET的漏極與源極間不會(huì)流過巨大的浪涌電流而損壞；鉗位二極管D3 13、鉗位鉗位二極管D4 14利用其反向擊穿狀態(tài)電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變的特性，結(jié)合吸收電阻R3 9、吸收電阻R4 10作為開關(guān)管MOSFET M1 16的柵極保護(hù)電路、開關(guān)管MOSFET M2 17的柵極保護(hù)電路。

進(jìn)一步的，本實(shí)施例的負(fù)載3為多針陣列-板式電極結(jié)構(gòu)，多針陣列-板式電極結(jié)構(gòu)為針與針間距0.5mm，4根針垂直于板并列放置，負(fù)載3采用此結(jié)構(gòu)，電源工作時(shí)產(chǎn)生的絲電弧等離子體能夠縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間工作，增大燃燒作用范圍，解決超聲速點(diǎn)火充分燃燒困難的問題。

本實(shí)施例具有以下有益效果：用于等離子體點(diǎn)火的納秒脈沖疊加直流的電源，其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，高壓直流電源與納秒脈沖電源一體化設(shè)計(jì)，具有放電能量高和裝置小型化的優(yōu)勢(shì)，方便使用。在實(shí)際應(yīng)用中，可以應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火及超聲速下航天發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火等方面，也可用于表面處理、殺菌消毒。

實(shí)施例2，如圖2和5所示，與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)施例的納秒脈沖電源2為開關(guān)切斷式納秒脈沖發(fā)生器，包括充電電阻R7 33、電容C3 34、開關(guān)35、輸出電阻R8 36；

第一輸出31的正極經(jīng)充電電阻R7 33、開關(guān)35、輸出電阻R8 36連接于第二輸出32的正極，充電電阻R7 33與開關(guān)35的連接端經(jīng)電容C3 34接地。

第一輸出31經(jīng)充電電阻R7 33對(duì)電容C3 34充電，當(dāng)電容C3 34較大時(shí)，電容電壓波動(dòng)系數(shù)小；開關(guān)35斷開時(shí)，截?cái)嗍捷敵龆穗妷簽?，開關(guān)35導(dǎo)通時(shí)，電容C3 34經(jīng)開關(guān)35和輸出電阻R8 36輸出截?cái)嗍礁邏?，輸出電壓值與電容C3 34兩端電壓相同；輸出電阻R8 36作用為限制電流，以保護(hù)開關(guān)35；通過調(diào)節(jié)第一輸出31的輸出電壓和開關(guān)35的導(dǎo)通時(shí)間，即可得到不同電壓等級(jí)、不同脈寬的切斷式脈沖。

本實(shí)施例具有以下有益效果：開關(guān)切斷式納秒脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)更加緊湊，進(jìn)一步降低成本。

實(shí)施例3，如圖3和6所示，本發(fā)明第三實(shí)施例用于等離子體點(diǎn)火的納秒脈沖疊加直流電源裝置，包括高壓直流電源1、納秒脈沖電源2和納秒脈沖整合直流電路。

交流電壓4和高壓直流電源1與實(shí)施例1中所述相同。

納秒脈沖電源2的輸入為交流電源4，納秒脈沖電源2的輸出為第二輸出32，第一輸出31和第二輸出32經(jīng)過納秒脈沖整合直流電路疊加在一起獲得納秒脈沖疊加直流電源，輸出至負(fù)載3；

第二輸出32為納秒脈沖輸出，納秒脈沖電壓上升沿20ns，半高寬100ns，頻率20Hz，幅值6kV-20kV連續(xù)可調(diào)；

納秒脈沖整合直流電路包括隔離電容Cs 29、限流電阻Rs 27、限流電感Ls 28，第一輸出31經(jīng)過限流電阻Rs 27、限流電感Ls 28施加到負(fù)載3上，第二輸出32經(jīng)過隔離電容Cs 29施加到負(fù)載3上；

由于隔離電容Cs 29的隔絕作用，經(jīng)由限流電阻Rs 27和限流電感Ls 28輸出的直流電壓與納秒脈沖電源2的輸出端隔絕；由于限流電感Ls 28對(duì)電流的抑制作用，又可將納秒脈沖電源2輸出的納秒脈沖與高壓直流電源1輸出端隔絕；這樣，經(jīng)由限流電阻Rs 27和限流電感Ls 28以及隔離電容Cs 29組成的納秒脈沖整合直流電路，納秒脈沖輸出與直流高壓輸出互相隔絕并一同輸出至負(fù)載端。

納秒脈沖電源2為級(jí)聯(lián)式納秒脈沖發(fā)生器，包括變壓器T2 37、整流二級(jí)管D6 38、整流二級(jí)管D7 39、整流二級(jí)管D8 40、整流二級(jí)管D9 41、整流二級(jí)管D10 42、整流二級(jí)管D11 43、整流二級(jí)管D12 44、整流二級(jí)管D13 45、限流電阻R9 46、限流電阻R10 47、電容C4 48、電容C5 49、IGBT1 50、IGBT2 51、二級(jí)管D14 52、二級(jí)管D15 53、匹配電阻R11 54；

交流電源輸出30與變壓器T2 37的原邊相連，整流二級(jí)管D6 38正極、整流二級(jí)管D7 39負(fù)極、變壓器T2 37第一組繞組副邊的一端相連，整流二級(jí)管D8 40正極、整流二級(jí)管D9 41負(fù)極、變壓器T2 37第一組繞組副邊的另一端相連；整流二級(jí)管D6 38負(fù)極、整流二級(jí)管D8 40負(fù)極、限流電阻R9 46的一端相連，整流二級(jí)管D7 39正極、整流二級(jí)管D9 41正極相連作為第一組脈沖輸出的負(fù)極；電容C4 48的一端與限流電阻R9 46的另一端相連，電容C4 48另一端接于第一組脈沖輸出的負(fù)極；IGBT1 50的集電極接于限流電阻R9 46與電容C4 48相連處，IGBT1 50的發(fā)射極與二級(jí)管D14 52負(fù)極相連，并作為第一組脈沖輸出的正極，二級(jí)管D14 52正極與第一組脈沖輸出端的負(fù)極相連；

整流二級(jí)管D10 42正極、整流二級(jí)管D11 43負(fù)極、變壓器T2 37第二組繞組副邊的一端相連，整流二級(jí)管D12 44正極、整流二級(jí)管D13 45負(fù)極、變壓器T2 37第二組繞組副邊的另一端相連；整流二級(jí)管D10 42負(fù)極、整流二級(jí)管D12 44負(fù)極、限流電阻R10 47的一端相連，整流二級(jí)管D11 43正極、整流二級(jí)管D13 45正極相連作為第二組脈沖輸出的負(fù)極；電容C5 49一端與限流電阻R10 47的一端相連，電容C5 49另一端接于第二組脈沖輸出的負(fù)極；IGBT2 51的集電極接于限流電阻R10 47與電容C5 49相連處，IGBT2 51的發(fā)射極與二級(jí)管D15 53的負(fù)極相連，并作為第二組脈沖輸出的正極，與第一組脈沖輸出端的負(fù)極相連，二級(jí)管D15 53正極與第二組脈沖輸出端的負(fù)極相連；

匹配電阻R11 54一端與第一組脈沖輸出的正極相連，并作為第二輸出32的正極，匹配電阻R11 54另一端與第二組脈沖輸出的負(fù)極相連，并作為第二輸出32的負(fù)極。

交流電源輸出30接到變壓器T2 37的輸入端，變壓器T2 37副邊為兩組參數(shù)相同的繞組；整流二級(jí)管D6 38、整流二級(jí)管D7 39、整流二級(jí)管D8 40、整流二級(jí)管D9 41組成的整流橋?qū)⒌谝唤M繞組輸出的高壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟?，高壓直流?jīng)限流電阻R9 46給電容C4 48充電；通過觸發(fā)IGBT1 50，形成脈沖電壓并輸出至二級(jí)管D14 52；整流二級(jí)管D10 42、整流二級(jí)管D11 43、整流二級(jí)管D12 44、整流二級(jí)管D13 45組成的整流橋?qū)⒌诙M繞組輸出的高壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟姡邏褐绷鹘?jīng)限流電阻R10 47給電容C5 49充電；通過同步觸發(fā)IGBT2 51，形成脈沖電壓并輸出至二級(jí)管D15 53；第二組輸出端正極連接第一組輸出端負(fù)極，第二組輸出端負(fù)極與第一組輸出端正極通過匹配電阻R11 54形成級(jí)聯(lián)式脈沖輸出。

本實(shí)施例具有以下有益效果：納秒脈沖電源采用級(jí)聯(lián)式納秒脈沖發(fā)生器，輸入為交流電源，納秒脈沖生成與高壓直流電路分離，具有脈沖幅值、頻率獨(dú)立調(diào)節(jié)，疊加后電源形態(tài)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離權(quán)利要求書確定的本發(fā)明的精神和范圍的條件下，還可以對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行各種各樣的修改。因此本發(fā)明的范圍并不僅限于以上的說明，而是由權(quán)利要求書的范圍來(lái)確定的。