脉冲功率源（精选7篇）
脉冲功率源 篇1
摘要：目前国内的大部分油田都已经处于勘探开发的中后期, 为了稳定油田出油率甚至提高油田采收率, 对现有生产井的剩余油动态监测就显得越来越重要, 而过套管电阻率测井能提供直接参考依据。众多的电磁勘探方法中, 时间域电磁勘探方法被认为是勘探阶段进行构造的含油气性预测与评价和开发阶段进行油气藏动态监测的首选方法, 特别是瞬变电磁法 (TEM) 对电性层的反映更灵敏, 此方法具有分辨率高、抗干扰能力强和生产成本低廉等特点。
关键词：过套管电阻率测井,瞬变电磁,电磁勘探,采收率,油藏动态监测
目前国内的大部分油田都已经处于勘探开发的中后期, 为了稳产增产并有效降低勘探开发成本, 对现有生产井的剩余油动态监测就显得越来越重要, 而过套管电阻率测井能提供直接参考依据。开发和利用先进技术进行开发油藏的动态监测, 实时了解水驱或汽驱油层中油水或油汽界面的变化, 提高油气田开发的采收率, 实现在资源有限的情况下增储上产与稳产挖潜等都有要重要意义。在不同的开发阶段, 通过对比开发不同时期目的层的电阻率变化, 可以清楚地了解地下油藏的开采状况, 特别是油藏开采的中后期, 由于注水或注气的影响, 我们需要比较直观的了解油藏运移走向, 为下一步油气开采提供相关可靠地依据。众多的电磁方法中, 时间域电磁勘探方法具有分辨率高、抗干扰能力强和生产成本低廉等特点, 特别是瞬变电磁法 (TEM) 对电性层的反映更灵敏, 是勘探阶段进行构造的含油气性预测与评价和开发阶段进行油气藏动态监测的首选方法。
一、基本原理
瞬变电磁法也称时间域电磁法 (Time domain electromagnetic methods) , 简称TEM。瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流, 产生一个瞬变的电磁场, 该磁场垂直发射线圈向两个方向传播, 基本原理就是电磁感应定律。利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场, 在一次脉冲磁场间歇期间, 利用线圈或接地电极观测二次涡流场。该方法具有分辨能力强、工作效率高等特点, 使得它在当前的水文地质和资源勘探以及在高阻围岩中寻找低阻地质体中作为首要的方法广泛使用。
大功率脉冲电磁场源的设计思想有两种, 其中一种是将发射源放于井中, 电磁脉冲接受传感器放于与发射源相距较近的邻井中, 也称井间系统, 这样可以大大的提高探测半径和分辨率, 使测量装置在纵向上更接近异常体, 增大观测到的异常信号强度, 并且可以根据现场需要, 在异常体的不同高度进行勘探, 更加清楚的了解两口邻井区域的油藏动态, 此外, 井中观测具有分辨率高、体积效应小、旁侧影响小以及测量快速等诸多优点, 还可以降低覆盖层等不均匀体对观测结果的影响, 减小干扰因素, 用于精细电性结构地质体勘探;另外一种是将发射源发在井中, 在地面进行信号采集, 也称井地系统, 这样可以清楚的了解工区内纵向上的地质体异常和油藏动态。井间和井地系统的结合使用, 效果最佳, 这样可以更加清楚的了解整个工区内的地质体异常和油藏动态。
二、整体设计思路
过套管电阻率大功率瞬变电磁脉冲测井系统由地面部分和井下部分组成。地面部分包括电源、控制器及电压转换;井下部分从前到后依次设有交流电升压模块、整流模块、高压充放电开关和控制器、大容量电容器、发射线圈, 这样它可以在套管井中实现瞬时大功率的脉冲磁场激发。具体如下图所示。
地面部分的功能主要是将地面的电压传输到井下, 井下部分作为大功率脉冲场源的核心, 主要是完成电压的升压, 整流并完成充放电的控制与信号的采集。大功率脉冲电磁场源的关键是精确控制充放电的电压——频率 (Time-Frequency, 也称V-F) 曲线, 实现对储能电容器的平稳且快速充电。除此之外, 还要对其他的功能模块进行相关参数的调节与设置。充放电开关的设计能保证放电过程迅速完成, 另外为了防止大功率脉冲场源长时间在同一位置的充放电造成地层的极化, 充放电开关还可以实现充放电的换向功能。
结论
经过在实验室的理论研究与试验, 证明脉冲电磁场是可以穿过金属套管, 并不能完全被金属套管屏蔽, 这样为大功率脉冲电磁场的下井提供相关的实验和理论支持, 证明该设计方案是可行的。
参考文献
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脉冲功率源 篇2
电磁发射技术是一门新概念发射技术,其实质是把电能变换成发射物体所用动能的一类能量变换技术[1]。脉冲电源产生的强电流可驱动弹丸达到超高速[2],为了使电磁推进的精度达到更高水平,就必须使脉冲电源系统的可靠性和安全性达到一定要求[3]。因此,探究脉冲电源系统的输出特性显得尤为重要。在脉冲功率源实际放电过程中,脉冲电抗器因工作在高电压、大电流、强磁场的环境下,会受到强烈的电动力冲击,对脉冲电源系统中金属器件及自身结构的稳定性造成影响[4]。同时,电抗器内部高温可能融化其绝缘材料,导致部分线圈间发生短路,使电感值突变,影响电源系统的输出。
该文以100 k J电容储能脉冲功率源的PFN放电拓扑为例,先分析电感值突变对单个PFN拓扑输出电流的影响,再分析不同耦合条件下调波电感对多个PFN拓扑并置后输出的影响,并将仿真结果与实验波形作比较,探究脉冲功率源中电感对输出特性的影响。
1 电感值突变对单PFN拓扑的影响
图1是电容储能脉冲电源的单个PFN拓扑结构。其放电过程一般分为两个阶段:第一阶段,RLC二阶放电;第二阶段,RL一阶放电。
脉冲成形网络(Pulse Forming Network,PFN)主要由储能电容C,调波电感L,高压大功率续流硅堆D,可控硅放电开关TH及触发装置组成[5]。令储能电容值为C,其充电电压为U0,负载电阻为R,电感初始值为L0。忽略电路中存在的杂散电容和杂散电阻以及晶闸管与续流硅堆的正向导通压降,那么第一阶段的放电方程可以表示为:
其中,UC为电容器两端电压。
第二阶段的放电方程可以表示为:
其中,I为调波电感放电电流。
在脉冲电源实际放电过程中,调波电感可能在某一瞬间受到强大的电动力冲击而破坏结构,使绝缘层被破坏,导致电感值在某一时刻发生突变,形成如下变化:
也可能因电动力冲击使电感绝缘层脱落,出现局部短路,形成阶跃变化:
其中,k为常数,t0是电感发生突变的时刻,δ(t)与ε(t)分别是冲激函数和阶跃函数。
联立式(1)~式(3)或式(1)、式(2)、式(4)即可得到电感值突变时的放电方程。
为了与100 k J电容储能脉冲功率源的实验结果作对比,分析电感值突变对电源输出的影响,仿真采用与实验相同的电路参数。仿真中所用的单个PFN拓扑电路参数如表1所示。
假设电感值在电源放电至60 ms时突变,k取0.5。仿真波形如图2所示。
图2(a)是电感值突变时的电流波形,图2(b)是电感值突变时的电压波形,图3是电源正常工作时的实验波形。对比图2和图3可知,在电源正常工作时,外界因素对电感没有太大影响,仿真波形与实验波形十分接近。结合图2(a)与图2(b)可以看出,电感值在突变时产生极大反压,可能破坏电路中续流硅堆等器件,对PFN放电回路造成不利影响。
分析可知,冲激突变时间较短,电流的总体趋势变化不大。根据电感上能量计算公式:
在电感值发生冲激突变时,电感上的能量损耗约为6.31%。
阶跃突变后电感值突然变小,放电速度变快,输出电流波形出现较大偏差,严重影响脉冲电源的输出,降低发射精度。
2 电感间耦合对多PFN拓扑的影响
在脉冲电磁武器中,常常将多个电源模块共同作用得到需要的输出。因脉冲电源系统的电流变化率非常大,容易在脉冲电抗器周围产生强烈的磁场,所以需要考虑各个模块间电感的耦合问题。将三个相同的PFN拓扑并行放置(并非并联连接,相互间除了共地外是独立的),选择合适的放电时序,观察各自的放电电流波形。
图4是三个PFN电路并列放置的拓扑结构。其中,M1、M2、M3分别是L1与L2、L2与L3、L1与L3之间的互感。电路中其它参数设定参照表1。
互感系数M可由以下函数表示:
其中,N1、N2是两线圈的匝数,ζ1、ζ2两线圈的几何结构,x是两线圈的相对位置,Φ是线圈周围磁介质的性质。在三组电路中电感的线圈相同且处在同一磁场环境下,互感系数M的大小主要与线圈位置有关。因三组电路并列放置,L1与L2间的距离明显要比L1与L3间的距离小,在线圈几何结构相同且半径相等的情况下,间距越小耦合系数越大[6],所以M1=M2>M3。根据实验中相关参数,可以大致估算出M1、M2、M3的值,M1=M2=0.5,M3=0.3。
为了便于观察,将三组电路的触发时间分别设在2 ms、20 ms以及40 ms时刻,仿真波形如图5所示。图5(a)是三组电路中负载端的电流,图5(b)是对应放电过程中电感上的电压波形。图6是实验中测得的放电波形。
从图5可以看出,电感间耦合对放电电流的影响非常大。分析可知,耦合过程较为复杂:当第一个PFN电路被触发时,电容开始放电,电感中有电流流过,根据奥斯特电流的磁效应,电感线圈中会产生磁场,因存在法拉第电磁感应现象,该磁场会影响周围的线圈,从而使第二和第三个电路中的电感上产生感应电流和感应电压。在这一过程中,后两个电路并未开始被触发,图5(b)中L2与L3在触发时刻之前出现的电压即为感应电压。
对比图6和图5(a)可以看出,三组电路的放电波形趋势大致相同,都是在放电后期电流下降速度缓慢,说明用于线圈推进的含大电感的脉冲电源在实际放电过程中,主要受电感间耦合的影响,相对电感量发生变化,呈现出几乎水平的放电曲线。
另外,根据互感磁通链与自感磁通链的方向是否一致,耦合又分为同向耦合与反向耦合。图5就是三组电路互相都为同向耦合时的情况。为了深入研究同向耦合与反向耦合对脉冲电源放电波形的影响,分别使三组电路中某两组为同向耦合而另一组为反向耦合。得到的仿真波形如图7所示。
分析图7可知,后两组电路在被触发前,电路中的电流为线圈中的感应电流。此时,只有第一组电路的电容在放电,直到后两组电路被依次触发。在此过程中,如果电感上产生的感应电压与硅堆的导通方向相反,二极管就会被阻断,电路中没有电流流过,比如图5(a)。
对比图6和图7发现,脉冲功率源有反向耦合时的电流下降速度比同向耦合时要快,反向耦合时的能量利用效率更高。在脉冲功率源不用作线圈推进时,考虑到能量利用率,可以允许如超高速打孔、脉冲功率除尘[7]等方面的应用场合采用电感反向耦合的方式。
在脉冲功率源作其他用途时,为了减小耦合的影响,要做好各模块间的隔离,尽量削弱脉冲功率电源电抗器侧的磁场,为电源的多模块化以及紧凑化发展提供技术保障[8]。
3 结论
建立了电感值突变的数学模型用以探讨电容储能脉冲电源的PFN放电特性,并构建了一组并置的PFN放电拓扑来研究电感间耦合对各自放电过程的影响,得到了如下结论:(1)在脉冲电源实际放电过程中,可能出现电感值突变的情况,对电源系统输出造成不利影响,使电磁发射精度降低。(2)对用于线圈推进的大电感来说,电感间耦合会使各个拓扑中的相对电感量变大,在PFN放电后期减缓电流下降速度,降低装置发射效率。
摘要：在脉冲功率源中,电源输出与调波电感的值有关。建立了相关的数学模型,结合部分实验数据,利用电路软件仿真分析脉冲电源系统中电感值突变对单个PFN拓扑输出的影响,以及在不同耦合条件下调波电感对多个PFN拓扑并置后输出的影响。结果表明,在脉冲电源实际放电过程中,电感值突变可能对电源系统输出造成不利影响,使发射精度降低。对用于线圈推进的大电感来说,电感间耦合会使各个拓扑中的相对电感量发生变化,在PFN放电后期减缓电流下降速度,降低装置发射效率。
关键词：脉冲电源,放电电流,电感突变,耦合因数
参考文献
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[7]王莹.脉冲功率科学与技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.
基于TLT的高频高压脉冲源研制 篇3
自20世纪60年代初以来,应军事、高科技武器以及国防科研等多方面的需求,脉冲功率技术(Pulse Power Technology,PPT)已逐渐发展成为一门新兴科学技术。目前正朝着高功率、全固态、高重频和紧凑化的方向发展,针对这样的发展需求,具有上升前沿快、方波脉冲平顶下降小和频率响应范围宽等特点的传输线脉冲变压器(Transmission Line Pulse Transformer,TLT)成为了研究热点,在脉冲功率技术中有着重要的应用前景[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。
在这一背景下,本文开展了以TLT为基础的高频高压脉冲源研究。基于TLT基本原理,本文进行了四阶TLT的电压增益公式推导以及输出特性分析,并进行了四级TLT的设计制作加工以及完成了相关实验验证,实现了2400V下400KHz的脉冲输出。
1 TLT基本原理
TLT的基本思想是利用输入与输出端的阻抗变换来实现电路参数的转换。对于升压TLT而言,常采用输入端并联,输出端串联,每一级传输线的输入电压波形与输入端脉冲源的相同,在输出端产生升压效果。
尽管TLT构造较简单,但其详细的工作机理又是相当复杂的,主要是因为在多级TLT中,从第二级开始,每级将会与地之间形成次级回路,简称次级线。次级线的存在会对TLT的输出结果产生影响,会使输出脉冲电压幅值下降以及上升沿畸变。
图1为一个n级TLT的示意图,将TLT各级传输线(除第一级外)都绕于磁环上,每级线上的电感分别为L1,L2,L3,…。这样做能在不影响主传输线的情况下,相当于在各次级线上分别接入了一个电感,提高了次级线阻抗,从而可减小次级线上的电流及损耗,减弱次级线对输出结果的影响。
(a) (b)
图1 (a)典型的n阶TLT (b)等效原理图 (参加右栏)
2 四阶TLT电压增益公式推导与特性分析
本文重点考虑的是四阶TLT的情况,所以在此先对其电压增益与特性进行相关分析研究。由上面理论可知,n阶TLT可等效为如下电路图:
图2 n阶TLT的等效电路图 (参加右栏)
则4阶TLT等效电路为:
由等效电路图,通过基尔霍夫电压定律和电流定律可以推导出电压增益公式,其中令Z'=Z2G,得到:
将式(5)用matlab作出2维平面图,如图4所示:
由图4分析可知,若已知Z'/Z0=jx,则当x取9时,即次级线阻抗为传输线特性阻抗的9倍时,输出增益可达到理想状态下的95%,而不必要继续像传统理论上所说的要将次级线阻抗做得很大去获得理论增益值,因为很大的次级线阻抗在工程上是非常难实现的。
3 四阶TLT的设计与实现
图5为4阶TLT的电路结构示意图:
根据结构示意图我们制作了3组绕有磁环的线(line2,line3,line4)和一组无磁环的线(line1)按图5中方式连接。考虑到我们是在高频高压下工作并期望取得相对好的电压增益,所以先要进行以下相关实验器材的选择与相关实验参数的设计。
3.1 器材选择
(1)高压线的选择。考虑到耐高压要求,我们选用FF46-V 40kV 1mm2的铁氟龙(Teflon)高压线。
(2)高频磁芯的选择。考虑到在400kHz高频下工作,我们选用DMEGC公司生产的型号为H160x113x25P DN85H的镍锌铁氧体磁芯。之所以选择该磁芯是因为镍锌材质的高频特性好,在高重频下工作时损耗较小。
3.2 关键参数设计
(1)Z0的计算。根据平行双导线特性
现按脉冲频率为400kHz,上述Z'所满足的要求来设计电感。则由Z'=2πf L=1.708 kΩ得L=679μH。
下表为利用LCR测试仪测得的各阶传输线在不同f(频率,kHz)下的L(电感,μH)值。
实际L值比理论计算值稍微偏小点,是由于考虑到线太长时,TLT上对地分布电容很大,对电路上的电流及脉冲波形有严重影响,所以我们选择了短线,长度为3.5m的线双绞后再绕成电感。
4 实验结果与分析
图6为我们的脉冲源系统、四阶TLT及负载的实物图。脉冲源系统用于形成脉冲,脉冲形成后输入至TLT,经TLT变压之后得到高压输出脉冲。
图7输入为600V下的脉冲输出(参见下页)
由图7可见,脉冲输出最大值约为1800V,最小值为-600V,很好地达到了理想增益值。尽管电压方面性能很好,但电流还是有些偏大,4阶输入为600V时电流都达到了109mA,则如果按增益比4,要达到输出为8000V(我们的脉冲源要求的指标)则输入需为2000V,那么输入端电流约为363mA,则总功耗将有726W,这是一笔不小的功率。因此目前我们正在研究如何在确保L的情况下尽量减小TLT带来的电容,从而减小漏电流,降低损耗。另外,我们还将对装置整体进行合理布局,尽量缩短连线长度和回路包围的面积,以减小接头电感。并尽量使TLT远离地面及周围的接地体,以减小对地电容,同时采用合理的负载结构,以减小负载接头处可能存在的杂散电容,从而尽量去降低电流,减小损耗。
5 结论
本文通过对TLT机理进行的研究,分析与推导了四阶TLT电压增益公式推导及其特性,然后又根据理论设计实现了四阶TLT实物并进行了实地实验,成功实现了四阶TLT的理想增益以及400kHz下的高压脉冲输出。
参考文献
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脉冲功率高速数据采集系统实现 篇4
关键词：脉冲功率,数据采集,高速A/D转换器,MAX120,抗干扰
0 引言
脉冲功率技术具有高电压、大电流、高功率、强脉冲的特点[1,2]。脉冲功率系统是将储存的由低功率能源提供的能量，经高功率脉冲发生器转换成高功率脉冲，并传导给负载的装置。如今，脉冲功率已被广泛应用于工业、民用等领域，其在环境保护、生物医疗、目标探测、工业加工、超导储能等方面也已体现出广阔的应用前景[3,4,5,6,7,8,9]。
脉冲功率放电过程是一个瞬态过程，功率脉冲宽度通常只有几百微秒，甚至几百纳秒，且流过放电负载的电流是瞬时脉冲大电流，因此可靠测量脉冲放电电流将是检测脉冲功率放电波形可控性和重复性的有效措施。以数字信号处理器(简称DSP)为代表的新一代微处理器，具有机器周期短、指令丰富、数据处理能力强等特点，可与高速A/D转换器共同构成用于脉冲功率技术的高速数据采集系统(简称高速DAS)[10]。
在此，基于TMS320F206 DSP和MAX120高速A/D转换器提出了一种脉冲功率高速DAS的设计方案。该系统采样频率为200 kHz，并可实现4路以上多输入信号的同步数据采集。实验结果表明，该数据采集系统不仅具有很好的采样准确性，而且具有较高的实际应用价值。
1 脉冲功率高速DAS工作原理
图1为所研究的高速DAS及其应用对象———脉冲功率装置的原理图。图中，CZ和CY分别为主电离和预电离储能电容器组;R和L分别为放电回路等效电阻和电感;LT1～LT10为10路放电支路调波电感;TL1～TL10为10路放电支路连接电缆;XDFZ1～XDFZ10为10路氙灯放电负载;SZ和SY分别为主电离和预电离放电开关，本脉冲功率装置中采用引燃管;Rogowski线圈1～10为10路脉冲功率放电电流采集传感器;高速DAS由3个具有相同软件和硬件结构的4路高速数据采集模块构成;控制终端用于脉冲功率电离流程的操作和放电电流曲线的显示。
该脉冲功率装置通过控制终端进行主、预储能电容器组储能。当电容器组储能达到储能电压设定值后，利用远程通信光纤启动高速DAS，使其进入数据采集准备状态。随后由控制终端发出主、预电离触发信号，一方面，触发主、预引燃管，使电容器组储能对10路氙灯放电负载进行脉冲放电;另一方面，同时作为高速DAS的数据采集启动信号，使其进行高速数据采集。整个主、预电离过程结束后，控制终端按照制定的通信协议，通过远程通信光纤获取高速DAS采集的脉冲功率放电电流数据，并进行放电电流的曲线显示。
2 多路高速数据采集模块的硬件设计
图2为构成高速DAS的多路高速数据采集模块的原理图。如图所示，该模块由4路采样信号调理电路、4个MAX120 A/D转换器、串行EEPROM存储器、TMS320F206 DSP、光纤收发电路组成。
为了达到200 k Hz采样频率，所设计的高速数据采集模块采用MAX120 A/D转换器，它是带采样电路的12位双极性A/D转换器，内含1路跟踪/保持器，可实现高达500 k SPS的采样速度[11,12]。通过对MAX120 A/D转换器的工作时序和DSP读写工作时序的适配分析，从提高数据采集模块性价比的角度出发，图2所示的多路高速数据采集模块采用1个DSP配置4个MAX120的同步数据采集结构。由于1个MAX120 A/D转换器内部只带1个采样保持器，因此模块中设计了4路相互独立的信号调理电路，调理电路的输出信号分别作为4路A/D转换器的输入。
该模块完成的功能包括：对由Rogowski线圈传感的脉冲放电电流输入信号，进行适配于A/D转换器输入信号的信号调理;利用光纤信号传输的抗干扰能力和DSP的外部中断功能，在电离触发信号到来时，同步启动4路数据采集;利用DSP的数据线和控制信号对A/D转换器进行放电电流信号的采集和信号的A/D转换，同时利用控制信号将采集的放电电流数据转存至EEPROM存储器，以防止强电磁干扰造成放电电流数据的丢失;利用DSP的通信功能，一方面通过接收光纤接收来自控制终端的数据采集准备指令或数据查询指令，另一方面在收到数据查询指令后，通过发送光纤向控制终端传送放电电流采集数据。下面介绍图2中信号调理电路、DSP与MAX120 A/D转换器及EEPROM的接口电路。
2.1 信号调理电路
脉冲功率技术的特点使其在脉冲功率放电过程中产生强大的电磁场，该电磁场会造成强烈的电磁干扰，从而影响脉冲功率放电电流数据采集的准确性。为了解决上述问题，图1所示Rogowski线圈测量电路采用外积分工作方式。该方式下，Rogowski线圈的感应电动势与线圈尺寸、匝数及一次电流有关，而受外磁场和通流导体位置的影响小[13,14]。通过对Rogowski线圈的输出电势进行积分即可还原出被测电流[15,16,17,18,19]。图3为多路高速数据采集模块中4个调理电路的原理图。
图中，Rs为Rogowski线圈的外接取样电阻;并联电容C2和C3为隔直电容，用于去除采样信号中的直流分量;R3和R6分别为两级运放的平衡电阻，用于消除运放内部静态基极电流对输出电压的影响，并抑制输出电压漂移，提高测量精确度。负载输入电阻R1垌Rs，以减小输入阻抗对取样电压的影响;二极管VD1和VD2用于限制运算放大器输入信号电压范围。
R1、R2、C1及其运算放大器共同构成有源积分环节，对输入的采样电压信号进行积分，使之还原成被测电流波形信号。设Rs上的取样电压为us(t)，第1级运放的输出电压为u1(t)，由图3可得：
考虑有源积分电路中，为消除输入信号中直流分量对积分饱和性的影响，R2通常取值较大，因此式(1)中右边u1(t)/R2项可以忽略。则由式(1)可得u1(t)表达式：
R4、R5及其运算放大器共同构成反相比例放大环节。对u1(t)进行极性反相和比例放大调整，由图3可得uo(t)表达式：
2.2 DSP的接口电路
图4为多路高速数据采集模块中DSP与MAX120和EEPROM存储器等外部设备的接口电路。图中各A/D转换器都工作在其5种工作方式中的第1种工作方式[10]。DSP通过复位控制信号线XF同步启动4路A/D转换器，进行信号采样和数据转换，XF复位0.2μs后，置位XF，再延时2.5μs后，利用DSP外部设备读写指令、74LS138译码器以及数据线，读取各A/D转换器的转换数据。数据读取结束，且此轮操作从复位XF开始时间持续达到5μs，再次复位XF，开始新一轮的信号采样和数据读取。当DSP达到预定持续采样时间2 ms后，就利用其IO控制信号线，将所读取并存储在DSP芯片内部数据存储区的实时采样数据依次转存入24LC32串行EEPROM存储器内。在控制终端请求查询放电电流数据后，DSP首先从EEPROM存储器内将最近一次放电电流数据读出，然后通过图2所示的通信光纤，将数据传送给控制终端。
3 多路高速数据采集模块的软件设计
根据前面介绍的多路高速数据采集模块的工作原理，进行了该模块的软件编程，其程序流程框图如图5所示。该程序主要包括控制命令查询主程序、放电电流数据查询响应子程序、放电电流数据采集子程序。
各模块通过软件进行编址，以实现多个数据采集模块的并列运行和多路采集数据的查询。同时，程序设置了等待电离信号的30 s延时功能，以避免因电离准备命令引起的程序等待死循环。
4 实验结果
由Rogowski线圈输出的微分电流，经分流器后转换成数字示波器能测量的电压信号，图6即为与实际脉冲放电电流对应的真实测量信号。实验中，主储能设置电压为23.5 kV，预储能设置电压为23 kV，主、预电离的时间间隔为250μs。图中主脉冲测量峰值电压对应的峰值电流为23.5 kA，脉冲宽度约640μsㄢ
图7为相同实验条件下，利用多路数据采集系统测量的6个放电支路的电流波形。图7中的放电支路主脉冲放电电流峰值和脉冲宽度测量结果，与图6的实际测量结果吻合。各支路脉冲峰值电流的测量相对误差不大于0.7%，主脉冲宽度(主脉冲电流值大于10%峰值电流的脉冲宽度)测量相对误差不大于2.4%。实验结果表明所实现的多路高速DAS具有很好的测量精度和很高的抗干扰性，并可有效检测脉冲功率放电电流波形的可控性和重复性。
5 结语
脉冲功率源 篇5
近年来,聚合物电介质材料因具有良好的电气性能、化学稳定性和机械特性等,常常用于电气设备的绝缘。然而在高压运行工况中,聚合物材料容易积聚空间电荷,当空间电荷积聚量达到一定程度时,将使材料内部的电场发生畸变、集中加速材料老化,甚至绝缘击穿,威胁电气设备和系统的安全运行[1,2]。因此聚合物材料中的空间电荷检测具有很大的实际意义。
空间电荷检测技术经过近30年的发展,目前主要有压力波扩展法(Pulsed Wave Propagation,简称PWP)、激光调制压力波法(Laser Induced Pressure Pulse,简称LIPP)、电声脉冲法(Pulsed electro-acoustic,简称PEA)等,其中PEA法由T.Takada教授在1983年提出,目前被广泛应用于聚合物空间电荷测量[3,4]。
在使用PEA法测量空间电荷时,需要对试样同时施加高压电场和脉冲电场。每对试样施加一个脉冲激励将得到一个对应的空间电荷信号。单个空间电荷信号的信噪比较低,必须对多个空间电荷信号进行平均处理。对于一般的测试系统,至少进行40次的平均[5]。传统的脉冲源基于水银开关产生窄脉冲,受水银开关物理结构的限制,输出的脉冲最大重复频率仅为数百赫兹,需要采集数秒甚至数十秒内获得的空间电荷信号进行平均得到高信噪比的信号,因此很难测量快速变化的空间电荷。
为克服上述不足,采用MOSFET高压固体开关设计了高压高频脉冲源,该脉冲源能很好的适应电声脉冲法的快速空间电荷测量。
1 空间电荷测试系统概述
PEA法空间电荷测试系统的基本原理如图1所示,绝缘试样置于两个铝电极之间,高压电源通过限流电阻R对试样施加测试所需的高压电场,脉冲源输出半峰宽为纳秒级的脉冲。试样中的空间电荷在脉冲电场下受到库仑力的作用发生轻微位移,产生机械声波在试样中传播。下电极处的PVDF压电传感器接收声波并将其转换为电信号,经过前置放大器放大后输入示波器,保存数据后存入计算机。通过检测到的声波信号强度和传播到达时间判定空间电荷的电荷量和位置[6]。
2 脉冲源原理
脉冲源是PEA法空间电荷测量系统中的重要组成部分,脉冲的半峰宽和传感器厚度共同决定了系统的分辨率,脉冲重复频率决定了系统测量所需的时间[7]。
纳秒级脉冲的形成技术主要有三种:(1)微分电路;(2)峰化电路;(3)单传输线形成窄脉冲。
空间电荷测量用的脉冲源一般利用单传输线产生窄脉冲。单传输线也称之为脉冲形成线,可等效为数量众多的小电容和电感组合后的电路。选用合适的开关和负载,可以产生纳秒级的脉冲[8]。
传统的脉冲源采用水银继电器,其结构如图2所示。受限于水银继电器的机械特性,其最大关断频率在100 Hz左右。无法适用快速变化的空间电荷测量或是任意波形下的空间电测量,故需选用其他类型的开关构建高频脉冲源。
3 高频高压脉冲源的硬件设计
3.1 快速高压固体开关
本文选用德国BEHLKE公司的HTS 50-08-UF快速高压固体开关搭建脉冲源,如图3所示。其由大量MOSFET管串并联构成,MOSFET管具有低阻抗的特点,独立的MOSFET单元能由驱动电路同步控制。该开关的最小关断时间可达1μs。在开关的控制端需要输入一个TTL控制信号和5V的供电电压。
3.2 结构组成
脉冲源主要由直流高压源、固体开关、控制电路、同轴电缆组成。如图4所示,在低压控制端,5 V直流电平用于开关供电。TTL控制信号输入管脚1,控制开关的关断。电容C2和C3用于在脉冲簇模式下供能。在高压端,高压电源经过RC网络接入固体开关HV-IN端,同轴电缆起脉冲形成线的作用,终端并联一匹配电阻,电磁波在形成线中经过折射和反射形成纳秒级窄脉冲。
3.3 开关控制信号
开关控制信号可由555定时器搭建定时器实现,或者直接使用函数发生器。由于在脉冲簇模式下,开关控制信号也需要是脉冲簇形式,555定时器不易实现脉冲簇形式的输出,故采用Tektronix公司的AFG3000系列任意函数发生器。该函数发生器能输出连续的方波,也可输出脉冲簇形式的TTL控制信号。
3.4 供电电路
开关电源可以提供稳定的电压输出,同时实现电气隔离。本文选用单端反激式开关电源为固体开关提供供电,其原理图如图5所示。这种开关电源成本低,输出功率在100 W以下,可以同时输出不同的电压,具有较好的电压调整率适用于相对固定的负载[9]。
3.5 散热
当脉冲源的负载为阻性且输出脉冲的重复频率在100 Hz以内,损耗的功率可由式(1)计算:
其中Rstat为脉冲源内阻,近似于RL,IL为负载电流,t为脉冲周期,T为脉冲宽度。
当脉冲源的负载为容性且输出脉冲的重复频率高于100 Hz,损耗的功率可由式(2)计算:
其中V为直流电压幅值,f为开关动作频率,CL为负载容值。
脉冲源的损耗功率可达数瓦甚至更高,发热较为严重。为保证脉冲源正常运行,需要对脉冲源进行冷却,在脉冲源中设计有散热片和风扇帮助散热。
3.6 杂散电容、电感的影响
由于脉冲源输出的脉冲上升沿、下降沿均为纳秒级,系统中的杂散电容和电感将对其产生很大的影响。本文使用MATLAB对杂散电容、电感进行了仿真分析,图6为理想脉冲源输出后耦合在空间电荷测试试样上的脉冲波形,图7为考虑到杂散电容、电感的影响后的脉冲波形,受杂散电容、电感影响,脉冲波形幅值明显下降,半峰宽大幅上升,这会对空间电荷测量的准确性和分辨率产生很大的影响。为了减少杂散电容、电感的影响,应选用无感器件,在脉冲源机箱中合理布局,减少杂散电容的影响。
4 脉冲源测试
4.1 连续模式
在连续模式下脉冲源可输出重复频率0~3k Hz的窄脉冲,脉冲最大幅值可达2.5 k V。通过调节RC网络参数可以改变输出脉冲半峰宽,其范围在5 ns~380 ns之间,根据需要测量的试样厚度选择脉冲半峰宽,达到最好的测量效果。半峰宽为10 ns时的单个脉冲波形如图8所示。
4.2 脉冲簇模式
如图4所示,固体开关中接入电容C3和C4后可使用脉冲簇模式。在该模式下脉冲源输出脉冲簇,脉冲簇的频率为0~3 k Hz,每个脉冲簇中包含2~100个脉冲,脉冲最小时间间隔为1μs。图9为测得的脉冲簇图像,其中包含30个脉冲,每个脉冲的时间间隔为1μs,脉冲幅值约为620 V,脉冲输出稳定。
5 空间电荷测量应用
本文研制的脉冲源能够很好地应用于空间电荷测量,图10为施加单个脉冲后PEA测试系统得到的空间电荷测量信号。以选取100个波形进行平均为例,脉冲源在连续模式下输出重复频率3 k Hz的脉冲,测量约需33 ms,在脉冲簇模式下最少仅需100μs,而传统的基于水银开关的脉冲源至少需要1 s。借助该脉冲源,可有效地测量变化速度在毫秒级甚至微秒级的空间电荷分布,这使得交流甚至任意波形下的PEA法空间电荷测量成为可能。
6 结束语
本文基于快速高压固体开关,设计研制了一种高频高压脉冲源。经过调试可知脉冲源在连续模式下可输出重复频率最高为3 k Hz的窄脉冲,脉冲宽度在5 ns~380 ns间可调,脉冲幅值最大为2.5 k V;在脉冲簇模式下可输出0~3 k Hz的脉冲簇,脉冲簇包含2~100个脉冲,脉冲最小时间间隔为1μs。该脉冲源适用于PEA法空间电荷测量,可以有效的减少测量所需时间,为快速变化的空间电荷测量提供了硬件基础。
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脉冲功率源 篇6
当今在各种通信系统和雷达系统中脉冲调制技术已被大量应用。实现脉冲调制的常用方法是将射频开关与功率放大器串联使用,用射频开关进行微波信号通断切换,而功率放大器处于连续上电工作状态,但常用电路中功放和射频开关是相互独立、分离的,电路的隔离性不够大;当射频开关断开时功率放大器仍处于工作状态,能量消耗过大,造成工作效率低;并可能有部分信号泄漏到低噪声放大器,产生宽频谱噪声干扰接收机工作。
本文中研究的微波固态功率放大器脉冲调制技术完全解决了这些问题,整个电路在没有微波信号时,放大器处于非工作状态,大大提高了电路隔离性,提高了电路工作效率,且电路工作性能良好。
2脉冲调制原理
本文中研究的微波固态功率放大器脉冲调制技术是将串联的射频开关和功率放大器的工作方式均采用脉冲调制方式工作,通过脉冲信号可以调节功放的工作状态。可通过改变脉冲信号状态改变偏置电压大小和输出端电流的大小,射频开关和放大器可以迅速地转换工作状态(工作状态和非工作状态),把这点应用到基于FET管的放大器的漏极或栅极时,可以有效地实现脉冲信号调制,迅速的改变工作状态,提高发射接收隔离度,提高放大器工作效率。文中电路采用了高速大电流低内阻的PMOS管调制,结合负压掉电保护电路使放大器能在低电压大电流的脉冲状态下工作。
2.1功率放大管调制方式的选择
功率放大管调制方式有:栅极脉冲调制和漏极脉冲调制两种方式。
栅极脉冲调制通过夹断漏极电流,让放大器处于非工作状态,通过转换栅极电压来实现从静态工作点(工作状态)到非工作条件的转换,如图1,2所示。但如果放大器工作在VDS值左右,静态工作点很低,当让栅极进入到截止区的同时就会增加VDS,很可能进入到击穿区,实际操作中栅极电压比漏极电压的要求更严格,实现起来难度大。
漏极脉冲调制通过周期性地在两个状态之间改变漏极电压(0V和放大器工作所需的电压VDS)来实现放大器工作状态的转换,依据所需的漏极电流的大小来选择具体的电路器件,对于高功率的放大器,可通过使用大电流PMOS管作为驱动来提供脉冲调制电流。
2.2控制电路的设计
文中微波固态功率放大器工作于脉冲状态,所以采用高速大电流低内阻的PMOS管用于漏极脉冲调制偏置电路,实现微波固态功率放大器脉冲调制状态工作。
由于Ga As器件一般都是需要栅极加负偏压,漏极加正电压,上电时都是先栅极加负偏压,再漏极加正电压,断电时则相反;所以本文采用负电掉电保护和漏极调制一体化设计。脉冲调制采用漏极调制方式来实现,主要优点是能简化偏置网络,驱动功耗小,且具有宽带特性和大的功率容量,并且还能提供很高的开关速度。负电掉电保护电路主要保证了电路在没有负电的情况下,正电不会加到放大管的漏极,从而达到保护放大管器件。
具体的负电掉电保护和漏极调制一体化驱动电路如图3所示。该电路的工作原理是用比较器MAX999实现负电检测,两只三极管实现调制脉冲驱动,PMOS管IRF5305S实现漏极电源开关的作用。当负电掉电或调制脉冲为低电平时,PMOS管IRF5305S关断,停止向功放管供电,从而达到保护功放管和漏极调制的作用。
2.3漏极脉冲调制电路设计
漏极脉冲调制电路模型图如图4所示,IN为输入端,OUT为输出端,KZ为控制端。输入端增加了电荷存储电容,在实际电路中能有效减小上升沿/下降沿的宽度。当电路开始作用,即电压加到输入端时,电容开始充电,当控制端导通时这些电容都一起放电,从而加快电压的传输,达到减小上升沿/下降沿宽度的效果。为仿真效果更接近实际工作状态,在输出端接了2欧姆的模拟负载电阻。源极S端输入(即加直流电压),栅极G端加控制信号,漏极D端输出。经测试管子导通时线性工作,控制效果良好,输出电压满足要求。
3放大器选择
本次放大器设计共有两级,初级放大器选用Tri Quint公司的TGA1328-SCC芯片,芯片增益为16d B,输出功率为25d Bm,尺寸为3.4mm*2.3mm,工作电压10V,消耗电流小于300m A;末级放大器选用富士通公司的FLM-5359-4F芯片,此芯片属于内匹配功率管,增益为10.5d B,输出功率为36.5d Bm,工作电压10V,消耗电流小于1950m A,尺寸为21mm×13mm×5.2mm。射频开关选用MACOM TECH公司的MA4SW110芯片,该芯片工作频率50
从图5和图6测试可看出,漏极脉冲调制电路输出幅度为11.4V,漏极脉冲调制电路输出前后沿小于37ns,电路转换速度较快,满足设计要求。
5结论
基于上述调制电路设计了一款C波段高速微波功率放大器,放大器工作频率在5.5GHz±200MHz,输出功率为3.5W,可以通过调节控制电路的脉冲宽度以及占空比来直接控制功率放大器的工作状态。通过采用漏极脉冲调制方式控制,微波功率放大器在无微波信号时可实现低功耗工作,大大提高了工作效率,降低了工作热损耗,输出信号前后沿小于50ns,达到了设计指标。MHzto26.5GHz,隔离度最大可达-65d B,功耗小,尺寸为0.74mm×0.45mm×0.15mm。
4测试结果
通过对整个漏极脉冲调制电路进行测试,脉冲调制电路输入端加一直流电压信号,控制端输入一个上升沿和下降沿为20ns,宽度为10μs/1.5μs的脉冲信号,输出端对地加一个2Ω电阻负载,分别来测试漏极脉冲调制电路输入输出波形和输出前后沿。测试结果如图5,6所示。
摘要：本研究设计完成了一款高速微波固态功率放大器漏极脉冲调制电路,脉冲前后沿小于50ns。主要采用高速大电流低内阻的PMOS管为微波固态功率放大器设计了漏极脉冲调制控制电路,较传统电路有很大改进,固态功率放大器的工作状态可随意变换,有功率容量大、效率高、隔离性高等优点。最终基于该调制电路设计了一款C波段高速微波功率放大器,放大器工作频率在5.5GHz±200MHz,放大器实现了低功耗工作,输出信号前后沿小于50ns,降低了工作热损耗。
关键词：固态功率放大器,漏极脉冲调制,栅极脉冲调制,上升下降沿
参考文献
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脉冲功率源 篇7
关键词：高功率脉冲电源,晶闸管技术,应用
0 引言
晶体闸流管简称为晶闸管, 又叫可控硅。它的内部包含四层交错的P、N层半导体装置。可控硅是最早的一种具有3个PN结的功能型半导体器件, 是第一代半导体电力电子器件的代表。在激光武器炮、电热化学炮、电磁轨道等新概念武器应用的研究中, 高密度电容器为储能元件的高功率脉冲电源及其开关控制的研究重点内容。从开关的控制、脉冲形成来看, 晶闸管非常适合应用于高功率脉冲电源的主电路开关。
1 高功率脉冲电源中晶闸管的应用分析
1.1 器件状况
晶闸管的主要特性表现在以下几个方面: (1) 开通时间受周围环境的干扰影响小, 时间散布小, 电流上升快。 (2) 触发功率较小, 比较适合用于时序控制之中。 (3) 采用光纤传导技术进行远程控制, 受电磁干扰的影响小。 (4) 可与续流硅堆组合在一起使用, 有利于电源的小型化。
目前我国普遍生产的是不重复浪涌电流大于50 k A、阻断电压大于8 k V的大功率晶闸管。而部分技术先进的企业, 已经研发了不重复浪涌电流大于100 k A、阻断电压大于4 k V的大功率晶闸管。在技术发展水平方面, 国外企业有更加先进的技术, 在产品性能上更优于我国的产品, 国外发达国家已经研发出了不重复浪涌电流大于100 k A、阻断电压高达9 k V的超大功率晶闸管。
1.2 选取分析
在晶闸管的选取条件中, 模块及其核心器件的主要参数已经确定。如模块最大存储能量Em、最高工作电压Um、最大脉冲电流幅值Ipm与脉宽tp脉冲电容器电容Ck、脉冲成形电感器电感Lk等等, 在晶闸管的选取过程中, 要注意这些参数之间的关系。
在电流选取方面, 要根据电流的有效值, 而不能依据平均值。因为电路中器件的损坏取决于电流的热效应, 而热效应又与电流的有效值有密切的关系。在电流波形为正弦半波的情况下, 有效值与平均值的区别体现在以下方面。
有效值/平均值=1.57
在电流选择的时候, 首先计算给定α下的ITAV, 然后查表得到对应的IT, 通过计算得到正弦半波电流平均值I'TAV: () , 最后一步I'TAV×K (K为保险系数) 。通过这一系列步骤选择出晶闸管的额定电流值。在电流条件得到满足的情况下, 尽量选择较高电压参数的器件。根据电源电压的峰值 (U2M) , 计算出正反方向的重复峰值电压。UDRM=URRM= (1.5~2) U2M, 根据UDRM和URRM选择出晶闸管的额定电压值。
1.3 安全保护
电源元器件在晶闸管的工作中起着重要作用, 如果电源元器件失效会引发不可预估的后果。动态均压和多模块时序工作方式下的浪涌冲击是晶闸管安全问题中最重要的两个方面。针对动态均压问题, 我国的应对技术相对来说还是比较成熟。解决方法如下: (1) 选择特性参数一致的同型器件。 (2) 采用门机同步强脉冲出发方式应对串联组的各器件问题。 (3) 为组内个器件分别并联均压、缓冲电路。
2 高功率脉冲电源中晶闸管应用技术发展方向
随着科技发展、电磁发射技术的提高, 整个世界的军事、航天材料状态研究都积极朝着高功率脉冲电源多样化、高比能、小体积和自动化控制方向发展。
目前脉冲功率控制系统主要有以下几个方面的应用: (1) 完全手动控制:需要工作人员现场对充放电装置进行操作, 工作的实时性、精准性都比较低。 (2) 单片机控制:不需要工作人员现场操作, 但是对于冲、放电过程的转换需要人为控制。单片机控制器在使用过程中不断地完善发展, 通过各种调节方式, 最大功率的脉冲已经能够保持恒压、恒流的工作状态了。 (3) 可编程计算机控制:近年来, 我国研发了采用新型可编程计算机控制器作为电源控制器核心的PCC装置了。PCC是集计算机技术、通信技术和自动控制技术为一体的新型工控装置。 (4) 嵌入式控制:通过嵌入式控制为核心的智能控制平台, 采用了集中控制管理, 有效解决了系统扩充性问题。 (5) 综合监控系统:在高功率脉冲能源装置的基础上, 加强了监控系统的能力, 采用可编程高功率交流电源产生连续可调工频电压, 经过变压装置转换成直流高压, 完成能源设备的虚拟数字化调压测控要求。 (6) 小型化发展:在未来阶段, 高功率脉冲电源晶闸管也会朝着小型化的趋势发展。目前, 晶闸管小型化技术包括ABB与ISL研发出的多片封装技术, 美国生产的LSS技术将多个单片晶闸管封装起来, 共同一个管壳, 利用钼片与铜基座来提升器件高度, 有效降低了晶闸管厚度。
3 结语
总之, 利用晶闸管在高功率脉冲电源中的应用技术, 有效增加了主电路开关的效果。相信我国经过实践与应用, 会不断拓展高功率脉冲的应用范围, 打开一个广阔的市场。
参考文献
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