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1、华中科技大学硕士学位论文高重复频率纳秒级陡脉冲电源的研制姓名：胡琼申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：刘克富20060323I摘 要非热等离子体在环境保护、灭菌消毒、表面改性、气体激光及国防领域具有广泛的潜在应用前景。其技术优势在于大部分能量被用来加速电子，产生活性粒子而等离子体整体温度接近室温。为了防止脉冲放电时等离子体中除电子以外的粒子不必要的加速，防止放电状态由辉光放电向弧光放电转化，希望提供的脉冲电源具有快速上升陡度（1000V/ns） 、相对窄的脉冲宽度（100ns）和相对高的重复频率（1kHz） 。本设计结合了电力电子技术和脉冲功率技术， 提出了一种实现高压高重复频
2、率纳秒级陡脉冲电源的方法，分两步来实现。首先利用晶闸管控制电容放电完成了脉冲从 ms 到 s 的压缩，然后利用 Blumlein 传输线和自击穿气体开关完成了脉冲从 s到 ns 的压缩。其应用于介质阻挡放电产生高能高密度的非热等离子体，为飞机隐身机理研究提供主要能源。该电源输出脉冲电压峰值 020kV，可调；重复频率 02kHz，可调；脉冲上升前沿 20ns，脉宽 100ns。本文对这种高功率脉冲电源的工作原理，设计方法做了详细的介绍；对电路各部分如储能电容充电、两级充放电回路、晶闸管驱动和保护、高频脉冲变压器、自击穿气体开关、Blumlein 传输线等的原理和设计都做了详细的分析；建立了电路
3、的PSpice 仿真模型，进行了仿真计算；对电源电路系统各个部分的输入输出特性做了系统的试验研究和分析，给出了试验数据和波形；对仿真结果和试验结果作了比较分析，找出了电路的运行规律。对脉冲介质阻挡放电进行了仿真和试验，试验结果与仿真结果基本吻合。该电源经过了测试，达到了预期的指标，运行稳定可靠，并成功用于介质阻挡放电试验。最后也对该电源的优化设计方案进行了展望。关键词关键词：脉冲功率 非热等离子体 介质阻挡放电 Blumlein 传输线高重复频率 ns 级陡脉冲IIAbstractNonthermal plasma will be widely used in pollution abatem
4、ent, disinfections, surfacemodification, biogascleaning, thus, it activates many peoples interest. The main advantageis that most of the energy is used to accelerate the electrons to produce active particles,however, the temperature of the plasma is on the order of room temperature. In order toavoid
5、 accelerating the particles, except electrons, and to avoid the glow dischargetransferring to plasma arc, the pulsed power supply system should provide pulses with greatvoltage gradient ( 1000V/ns), narrow pulse duration (100ns), and high repetition rate(1kHz).We present a new method to develop a hi
6、gh voltage and high repetition ratenanosecond pulse generator by combining power electronics and pulsed power technology.The required target of the power supply is realized by two stapes. First, the capacitordischarges controlled by SCR complete the pulses compression from millisecond tomicrosecond.
7、 Secondly, the pulses compression from microsecond to nanosecond iscompleted by Blumlein transmission lines and gas spark switch. The pulse generator can beused in Dielectric Barrier Discharge to generate high density and nonthermal plasma. It isthe main energy supply for the research of hidden airp
8、lane. Voltage pulses of 0-20kV with arise time of 20ns, a pulse dutation of 100ns, a pulse repetition rate of 0-2kHz, an energy perpulse of 0.5-1J, and the average power up to 0.5-1 kW have been achieved with total energyconversion efficiency of 90%.The dissertation introduces the principles of the
9、high repetition rate nanosecond pulsegenerator. Fast charging for energy storage, two steps of charge and discharge, drive andprotection of SCR, high repetition pulse transformer, gas spark switch, and Blumleintransmission line are analyzed in detail. The PSpice simulation model has been established
10、,and the simulation is completed. The input-output characteristics of every partials of thecircuit of the pulse generator are analyzed by experiments. The results of the simulation andthe experiment are compared. At last, simulations and experiments of pulse DBD arecompleted, and the waveforms from
11、simulations and experiments are similar.After the testing of the pulse power supply, we reached the expected goal andsucceed in using the power supply in the experiments of pulse DBD, and it was runningIIIstably. The pulse power supply should have certain improvements in order to reach thehigher dem
12、and of applications. Thus, the dissertation gives some proposals andexpectations in the end.Keywords: pulse power nonthermal plasma DBD Blumlein transmission linehigh repetition nanosecond pulse独创性声明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经表明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献
13、的个人和集体，均已在文中以明确的方式表明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用于本授权书。本论文属于不保密。（请在以上方框内打“” ）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日11 绪
14、论非热等离子体在环境保护、灭菌消毒、表面改性、气体激光及国防领域具有广泛的潜在应用前景。其技术优势在于大部分能量被用来加速电子，产生活性粒子而等离子体整体温度接近室温。为了防止脉冲放电时等离子体中除电子以外的粒子不必要的加速，防止放电状态由辉光放电向弧光放电转化，希望提供的脉冲电源具有快速上升陡度（1000V/ns）、相对窄的脉冲宽度（100ns）和相对高的重复频率（1kHz）。因此，为了得到非热等离子体，迫切需要一种能够产生高压、高重复频率和纳秒级上升前沿脉冲的高功率脉冲电源。本课题在电容储能的基础上，利用晶闸管控制电容放电完成了脉冲从 ms 到 s的压缩，利用 Blumlein 传输线和自
15、击穿气体开关完成了脉冲从 s 到 ns 的压缩，研制成一台高重复频率 ns 级陡脉冲高压电源，应用于介质阻挡放电产生高能高密度的非热等离子体，为飞机隐身机理研究提供主要技术支撑。本章简要介绍脉冲功率技术、等离子体、脉冲电源研制的意义、国内外研究状况、设计难点、脉冲电源设计方案等。1.1 脉冲功率技术概述脉冲功率技术是指将“慢”存储起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩、转换或直接在很短的时间释放能量给负载的电物理技术。脉冲功率技术大多数涉及高电压、大电流及高速脉冲放电，它广泛应用于等离子体物理与受控核聚变的研究、核爆炸模拟、闪光 X 射线照相、高功率激光、大功率微波、电磁脉冲、电磁发射、粒子束
16、武器等方面，在环境、宇宙、生物医学、电子学、新材料、精密加工、食品加工、粉碎等领域也都有广泛的应用。表 1.1 比较详细地介绍了脉冲功率技术的主要应用领域。为了适应脉冲功率技术的发展，1976 年在美国举行了第一届电气与电子工程师协会（IEEE）脉冲功率技术国际会议，交流了研究工作的进展和成果，会上“脉冲2功率”这一术语被认同。在 1979 年举行了第二届国际会议。之后，这类国际会议每两年举行一次，直到现在。从那时起，由单级动作产生大功率的脉冲功率装置的研究开始盛行起来。以美国和俄罗斯为中心，人们对其进行军事上的应用研究，并投入了巨额的费用。以后，随着冷战的结束，积累起来的脉冲功率技术在产业方面的应用逐步深入。表1.1 脉冲功率技术的应用一览表应用领域说 明粒子束惯性约束核聚变2形成强电流下粒子束的匝箍相对论电子束加速器3产生强流高能电子束准分
