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【6h】

固体开关式等离子体脉冲电源的开发及脉冲串放电形貌研究

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目录

1 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 脉冲放电研究现状

1.2.2 脉冲电源研究现状

1.3 本文的研究内容

2 脉冲电源的整体结构和主电路设计

2.1 脉冲电源的整体结构

2.2 脉冲电源的主电路设计

2.2.1 整流滤波电路设计

2.2.2 软启动电路设计

2.2.3 PWM控制电路和驱动电路设计

2.2.4 高频逆变电路设计

2.2.5 高频整流电路设计

2.3 脉冲电源主电路测试

2.4 本章小节

3 固体脉冲调制模块的设计和电源测试

3.1 固体脉冲调制模块的设计

3.1.1 IGBT的选择

3.1.2 驱动信号发射和接收电路的设计

3.1.3 驱动电源电路设计

3.1.4 均压电路的设计

3.2 IGBT串联电路建模仿真

3.2.1 开关延迟对 IGBT串联电路的影响

3.2.2 栅极电阻对 IGBT串联电路的影响

3.2.3 驱动电压对 IGBT串联电路的影响

3.3 脉冲电源的整机测试

3.4 本章小节

4 脉冲电源激励针环等离子体射流放电特性研究

4.1 引言

4.2 针环等离子体射流放电装置及测试系统

4.3.1 ICCD图像处理方法

4.3.2 脉冲串放电电压电流特性

4.3.3 脉冲个数对放电面积的影响

4.3.4 电压幅值对放电面积的影响

4.3.5 气流量对放电面积的影响

4.3.6 脉冲宽度对放电面积的影响

4.3.7 脉冲间隔时间对放电面积的影响

4.4 本章小节

5 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 后续研究工作与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢

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摘要

在脉冲功率技术的民用领域,将脉冲电源的研制同放电等离子体的产生相结合,一直是该领域内极具前景的发展方向之一。为了推动脉冲放电等离子理论的发展,众多研究者对脉冲气体放电机理与放电特性展开了相关研究,促进了脉冲放电领域地极大发展。但是多数研究者使用的是重复频率的高压脉冲电源,很少有人对脉冲串放电中起始脉冲的放电特性展开相关研究,也很少有人对起始脉冲和后续脉冲的放电特性差异展开讨论。因而本文自行研制了一台实验用的固体开关式脉冲电源,电源能够输出指定个数的脉冲串电压,用于驱动针环介质阻挡放电等离子体射流装置进行放电特性的研究。  脉冲电源的主体结构包括两部分,一个是前端的主电路,另一个是由IGBT串联电路组成的固体脉冲调制模块。主电路部分主要包括整流滤波电路、软启动电路、全桥逆变及高频整流电路和控制电路等,用于产生高压直流作为固体脉冲调制模块的输入电压。固体脉冲调制模块部分以40个IGBT串联组成一组固体高压开关,为了实现多个IGBT的导通一致性,使用光纤来传输驱动信号,并为此单独设计了一套具有高压隔离功能的驱动电源以及驱动信号发射和接收电路。脉冲电源的设计要求是最终能够输出脉冲个数可调,脉冲电压及脉冲宽度可调的准方波高压脉冲,且脉冲边沿时间在50ns左右。同时在脉冲电源的整个开发过程当中,使用了PSpice仿真软件对脉冲电源各部分电路进行了仿真研究,模拟了各部分电路的工作过程,分析了脉冲电源设计的可行性。  在脉冲电源后续的放电实验中,使用ICCD相机对脉冲边沿的放电形貌进行了拍摄,对其放电面积进行了计算。结果显示在所有实验条件下起始脉冲的放电面积均略低于后续脉冲,而后续脉冲之间的放电面积差异不大,同时脉冲上升沿处的放电强度和放电面积均远大于下降沿。随后细致分析了脉冲电压幅值、气流量、脉冲宽度和脉冲间隔时间的变化对放电产生的影响,结果显示,随着脉冲电压幅值和气流量的增加,脉冲边沿的放电面积均有所增加。而脉冲宽度的变化只对脉冲下降沿处的放电产生影响,当脉冲宽度在200μs~400μs增长时,其放电面积也随之增长。脉冲间隔时间对脉冲边沿放电的影响略微特殊,只在当脉冲间隔时间增大到1s时,脉冲边沿的放电面积才有所变化,此时第2、3个脉冲的放电面积均有大幅度的增长。

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