阅读说明：本技术 高重复频率纳秒级高压脉冲电源 (High repetition frequency nanosecond high-voltage pulse power supply ) 是由 陈鹏 施小东 祝建军 郑立成 于 2019-03-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高重复频率纳秒级高压脉冲电源,电源用于制备超高浓度臭氧水,其特征在于：高重复频率纳秒级高压脉冲电源包括：SVPWM整流器,与交流电连接,转换成直流电；降压电路,与SVPWM整流器的输出端相连接,用于对直流电进行降压处理；纳秒脉冲发生电路,通过磁环与降压电路的输出端连接,用于对负载端产生脉冲电压。本发明所达到的有益效果：本方案省去了脉冲压缩磁开关,脉冲重复频率大大提高；实现反应器内剩余无功能量的自动回收,大大降低了单位重量臭氧发生所需的电能。(The invention discloses a high repetition frequency nanosecond high-voltage pulse power supply, which is used for preparing ultrahigh-concentration ozone water and is characterized in that: the high repetition frequency nanosecond high-voltage pulse power supply comprises: the SVPWM rectifier is connected with the alternating current and converts the alternating current into the direct current; the voltage reduction circuit is connected with the output end of the SVPWM rectifier and is used for carrying out voltage reduction treatment on the direct current; and the nanosecond pulse generating circuit is connected with the output end of the voltage reducing circuit through the magnetic ring and is used for generating pulse voltage to the load end. The invention achieves the following beneficial effects: the scheme omits a pulse compression magnetic switch, and the pulse repetition frequency is greatly improved; the automatic recovery of the residual reactive energy in the reactor is realized, and the electric energy required by the ozone generation of unit weight is greatly reduced.)

高重复频率纳秒级高压脉冲电源

技术领域

本发明涉及一种高重复频率纳秒级高压脉冲电源，具体涉及用于超高浓度臭氧水制备的高重复频率纳秒级高压脉冲电源。

背景技术

臭氧水的氧化电位极高(2.07V)，仅次于氟，远高于氯(1.36V)和二氧化氯(1.5V)，对各种高致病微生物有极强的灭菌消毒作用。高浓度臭氧水灭菌速度比氯快600-3000倍，甚至几分钟内就可以杀死病毒。高浓度臭氧水还可以氧化、分解水中的污染物和杂质，已经广泛应用于污水处理等环保工程领域。

超高浓度臭氧水在晶圆和多晶硅清洗等半导体高端领域的应用前景更加广泛。目前，日本、美国、德国等半导体设备厂商已经开发出了满足半导体清洗应用要求的臭氧水发生器。同样，超高浓度臭氧水制备也引起了国内同行的关注。

超高浓度臭氧水制备存在的主要问题有：能耗大，经济性较差，不利于进一步推广应用；需要冷却设备，设备体积较大，使用不方便；臭氧浓度不高，臭氧生成速率不够快，不能满足超高浓度臭氧水制备要求。本专利提出的模块化串联方案成功解决了传统臭氧发生器存在的技术难题，预计具有广泛的市场应用。

发明内容

为解决前述问题，本发明提供了一种高重复频率(HPRF)纳秒级高压脉冲电源，电源用于制备超高浓度臭氧水，其特征在于：

高重复频率纳秒级高压脉冲电源包括：

SVPWM整流器，与交流电连接，转换成直流电；

降压电路，与SVPWM整流器的输出端相连接，用于对直流电进行降压处理；

纳秒脉冲发生电路，通过磁环与降压电路的输出端连接，用于对负载端产生脉冲电压。

进一步地，SVPWM整流器采用两电平PWM整流电路或三电平PWM整流电路或维也纳整流器电路。

进一步地，纳秒脉冲发生电路包括：

单相全桥逆变电路，输入端连接降压电路的输出端；

二极管整流器，输入端穿过磁环与单相全桥逆变电路的输出端相连接；二极管整流器的输出端连接有存储电容器；

脉冲电容器，与存储电容器并联，输出端连接负载；

二极管整流器与脉冲电容器组成的模块设置有至少一组，组与组之间相互并联。

进一步地，脉冲电容器的输出端与负载之间并联有旁路开关；

旁路开关与脉冲电容器之间串联有绝缘栅双极型晶体管；

绝缘栅双极型晶体管导通时，在负载端输入高压脉冲。

进一步地，旁路开关采用旁路二极管或机械开关；旁路二极管的导通方向与绝缘栅双极型晶体管的导通方向一致。

进一步地，脉冲电容器包括：

依次串联组成闭合回路的电阻、触发二极管和电容器；

其中，电阻的两端与二极管整流器并联。

进一步地，触发二极管中的二极管采用续流二极管。

此外，本发明还提供了一种基于高重复频率纳秒级高压脉冲电源的单极性脉冲电源，其特征在于：

单极性脉冲电源中：

纳秒脉冲发生电路中的每一组模块包含有两组二极管整流器和脉冲电容器；

两组二极管整流器并联在磁环上；一组脉冲电容器的输出负极与另一组脉冲电容器的输出正极相连接；

两个绝缘栅双极型晶体管以及旁路开关的导通方向一致。

此外，本发明还提供了一种基于高重复频率纳秒级高压脉冲电源的双极性脉冲电源，其特征在于：

双极性脉冲电源中，

纳秒脉冲发生电路中的每一组模块包含有一个二极管整流器和脉冲电容器；

纳秒脉冲发生电路还包括与负载输入端连接的输出电路；

输出电路包括依次并联的两组绝缘栅双极型晶体管组件和旁路开关；

每组绝缘栅双极型晶体管组件包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管，且两个串联的绝缘栅双极型晶体管之间与脉冲电容器中的电容一端连接。

进一步地，旁路开关采用机械开关。

本发明所达到的有益效果：本方案省去了脉冲压缩磁开关，脉冲重复频率大大提高；实现反应器内剩余无功能量的自动回收，大大降低了单位重量臭氧发生所需的电能。

附图说明

图1是本电源的电路拓扑图；

图2是图1中纳秒脉冲发生电路的局部电路结构示意图；

图3是单极性脉冲电源的纳秒脉冲发生电路局部结构示意图；

图4是双极性脉冲电源的纳秒脉冲发生电路局部结构示意图；

图5是正脉冲的电压波形示意图；

图6是负脉冲的电压波形示意图；

图7是正负脉冲交替的电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

传统臭氧水制备采用了高频交流正弦电压。通常情况下，交流电源的脉冲宽度约为100us。由于脉冲宽度较宽，反应器的临界电场强度较小，注入反应器内的有功电流较小(只有峰值电压附近产生有功电流分量)，很大一部分电流转换为了反应器的容性位移电流。由于位移电流较大，反应器的发热量很大，需要体积较大的水冷设备。水冷设备不仅增加了造价，而且还造成了大量能量损失。

为了提高临界电场，提出了脉冲变压器+磁压缩设计。其工作过程是：首先，由IGBT等电子开关产生数十微秒的脉冲；然后，通过1级或2级磁开关，将脉冲宽度压缩至纳秒级。这种电源方案成功实现了窄脉冲输出，但是，由此带来的更为严重的问题：由于磁开关发热量较大，脉冲重复频率仅为几百赫兹；由于磁开关为单向导通特性，因此，负载剩余无功能量不能自由返回输入电源侧，只能通过放电电阻消耗掉(约15％)，能耗增加。这种方案不适合于臭氧水制备。

本发明公布的电路技术，脉冲电源可以实现重复频率为10kHz(单极性)或20kHz(双极性)、脉冲上升时间为100ns和输出电压峰值为50kV的性能指标。与传统高频交流电源相比，本专利提出的脉冲电源的主要优点是：上升时间大大减小，最大击穿场强显著提高，大大提高了电能到化学能的转换效率；减少容性无功电流，降低反应器的发热量，无需水冷却装置。

与传统磁压缩纳秒级脉冲电源相比，本专利提出的脉冲电源的主要优点是：省去了脉冲压缩磁开关，脉冲重复频率大大提高；实现反应器内剩余无功能量的自动回收，大大降低了单位重量臭氧发生所需的电能。这种电源非常适合于制备大规模高浓度臭氧水。

本技术方案的电路拓扑图如图1所示，高重复频率纳秒级高压脉冲电源包括三大块，分别是SVPWM整流器，降压电路和纳秒脉冲发生电路。

本实施例中，SVPWM整流器采用高功率因数整流器，作用是提高电网侧的功率因数，具体地采用两电平PWM整流电路或三电平PWM整流电路或维也纳整流器电路。其中SVPWM整流器通过电容Cd1接地，以提高安全性。本实施例中，对于纳秒脉冲发生电路中的二极管整流器与脉冲电容器记为模块SM，实施例中采用了50组SM模块，并联在电路中，以下标数进行区分。

降压电路采用Buck降压电路，作用是实现直流电压的全范围自动可调。

作为一个具体的方案，纳秒脉冲发生电路包括：

单相全桥逆变电路，输入端连接降压电路的输出端；

二极管整流器，输入端穿过磁环与单相全桥逆变电路的输出端相连接；二极管整流器的输出端连接有存储电容器Cm1。

脉冲电容器，与存储电容器Cm1并联，输出端连接负载。此外，脉冲电容器的输出端与负载之间并联有旁路开关MS。旁路开关与脉冲电容器之间串联有绝缘栅双极型晶体管S1。绝缘栅双极型晶体管导通时，在负载端输入高压脉冲。脉冲电容器包括依次串联组成闭合回路的电阻Rk1、触发二极管和电容器Ck1；其中，电阻的两端与二极管整流器并联。触发二极管中的二极管采用续流二极管，如图所示，与阻抗Lt1并联的二极管是D1为续流二极管，可以有效避免电容Cm1直流电压的振荡。

与负载并联的MS为旁路二极管或机械开关，在单个模块故障情况下，所有负载电流从MS流过，可以将SM模块旁路，从而不影响其它电路模块的继续运行，从而提高了运行可靠性。旁路二极管的导通方向与绝缘栅双极型晶体管的导通方向一致。

通过对电路进一步地改进，可以形成单极性脉冲的输出电压以及双极性脉冲的输出电压，单极性脉冲可以输出正极性的纳秒级脉冲电压，双极性脉冲可以输出正或负两种极性的纳秒级高压脉冲。

作为一个具体的实施例，单极性脉冲电源中的纳秒脉冲发生电路中包含有两组二极管整流器和脉冲电容器；

两组二极管整流器并联在磁环T1上；一组脉冲电容器的输出负极与另一组脉冲电容器的输出正极相连接；

两个绝缘栅双极型晶体管以及旁路开关的导通方向一致。整个电路中二极管的方向如图所示，能够构成一个可导通的电路。

作为另一个具体的实施例，双极性脉冲电源中的纳秒脉冲发生电路中包含有一组二极管整流器和脉冲电容器；

纳秒脉冲发生电路还包括与负载输入端连接的输出电路；

输出电路包括依次并联的两组绝缘栅双极型晶体管组件和旁路开关；

每组绝缘栅双极型晶体管组件包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管，即S1-S4且两个串联的绝缘栅双极型晶体管之间与脉冲电容器中的电容一端连接。

以单极性脉冲电路为例，脉冲电源的工作过程：

1)由SVPWM整流器产生700V稳定的直流电压；

2)Buck电路将直流电压调整到合适的供电电压(本实施例中以500V为例)；

3)经过单相全桥逆变电路，产生8kHz的正负极性方波电压；

4)方波电压经过磁环T1耦合到二极管整流器输入端AC input；

5)二极管整流桥在存储电容器Cm1上输出直流电压；

6)脉冲电容器Ck1通过Lt1充电；

7)IGBT开关S1导通，在负载端pulse output端得到上升沿为200ns的高压脉冲，送入臭氧发生器反应器(即负载)。

如图2所示的单极性脉冲电路实现的是单模块2kV电压转换。

采用中点钳位电路将两个1kV电路单元布置在同一个箱体内。不仅可以降低驱动板成本(1700V等级IGBT的驱动板或驱动核都是半桥设计，可以输出2路信号)，而且还可以通过驱动板和IGBT一体化设计减小体积、降低成本。

作为一个具体实施例，正负极性脉冲输出控制模式如图5-7，其中横坐标表示时间，纵坐标表示脉冲电压值，正脉冲对应横坐标上方区域，负脉冲对应横坐标下方区域，正脉冲和负脉冲的持续时间是可以任意编程的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。