包涵春

(中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266104)

0 前言

近年來(lái),高壓脈沖技術(shù)已成為高新技術(shù)研究的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一,在等離子體發(fā)生[1,2]、環(huán)境保護(hù)、材料制備、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防軍工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在高壓脈沖技術(shù)朝著工業(yè)化應(yīng)用邁進(jìn)過程中,爆炸性環(huán)境中應(yīng)用的需求越來(lái)越大,如石油化工企業(yè)爆炸性氣體環(huán)境下的脈沖等離子體惡臭治理、電除塵等。電氣設(shè)備的防爆技術(shù)有:隔爆型(Exd)、本質(zhì)安全型(Exi)、正壓型(Exp)、增安型、油浸型、充砂型、澆封型、n型、特殊型、粉塵防爆型等,其中本質(zhì)安全型、正壓型和隔爆型應(yīng)用較為廣泛[3-5]。

本質(zhì)安全型防爆的核心是限制電路能量,將潛在的火花能量限制在氣體混合物的點(diǎn)燃溫度之下。本安電源的輸出功率較小,一般為幾瓦到幾十瓦,輸出電壓一般在25 V以下[6,7],在實(shí)現(xiàn)較高電壓和功率的脈沖輸出下,真正實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全型脈沖電源的難度較大。正壓型防爆需要設(shè)置氣路和氣密性良好的保護(hù)外殼,并保持保護(hù)外殼內(nèi)的壓力高于周圍爆炸性氣體混合物的壓力[8,9],維持正常運(yùn)行的投入過大,一般在其他防爆技術(shù)都不滿足要求的超大功率場(chǎng)景中應(yīng)用。對(duì)于千瓦級(jí)高壓電源,目前普遍采用以隔爆型為主的防爆設(shè)計(jì)[10-12]。郭亞逢,等[13]采用隔爆為主,輔以油浸、增安等多種防爆設(shè)計(jì),研發(fā)了大功率防爆型等離子體高壓交流電源,可應(yīng)用于爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所Ⅰ、Ⅱ區(qū)。

在隔爆要求下,電源需要放置于防爆箱體中,溫度、體積以及相應(yīng)的安全控制成為防爆設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素。高壓電源對(duì)環(huán)境溫度要求高,而防爆箱體內(nèi)散熱條件較差,容易導(dǎo)致電源溫度過高;部分高壓產(chǎn)生方式造成電源體積較大,導(dǎo)致防爆腔過大,造成空間和成本的浪費(fèi)。現(xiàn)階段,高壓脈沖產(chǎn)生方式主要有脈沖變壓式、Blumlein形成線式、磁壓縮式和固態(tài)開關(guān)式,各自的特點(diǎn)總結(jié)見表1[14-21]。脈沖變壓式電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但體積和發(fā)熱量不易控制,產(chǎn)生脈沖波形的峰值電壓和上升時(shí)間往往無(wú)法滿足應(yīng)用要求;Blumlein形成線式脈沖電源采用火花開關(guān),不適合在爆炸性環(huán)境中應(yīng)用;磁壓縮式脈沖電源運(yùn)行時(shí)控制參數(shù)基本固定,不能滿足需要參數(shù)調(diào)節(jié)的場(chǎng)景,而且大量磁性元件使電源整體發(fā)熱量增加,體積也相對(duì)較大。固態(tài)開關(guān)式脈沖電源主要有固態(tài)開關(guān)串聯(lián)、直線型變壓器驅(qū)動(dòng)源(Linear Transformer Driver, LTD)和固態(tài)Marx等幾種形式,采用的固態(tài)開關(guān)一般為MOSFET或IGBT等,開關(guān)速度快、可控性好,電源整體結(jié)構(gòu)較緊湊。

表1 各類脈沖產(chǎn)生方式對(duì)比

因此,在考慮防爆特性和脈沖電源性能的基礎(chǔ)上,本文對(duì)性能參數(shù)優(yōu)越、體積小、質(zhì)量輕且發(fā)熱量較少的固態(tài)開關(guān)式脈沖電源的研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 固態(tài)開關(guān)串聯(lián)脈沖電源

固態(tài)開關(guān)串聯(lián)的方式為直接控制開關(guān)串聯(lián)模塊對(duì)高壓直流輸入進(jìn)行斬波,實(shí)現(xiàn)高壓脈沖方波的輸出。受單個(gè)固態(tài)開關(guān)耐壓等級(jí)和成本的限制,需要將多個(gè)固態(tài)開關(guān)進(jìn)行串聯(lián)分壓,典型電路結(jié)構(gòu)如圖1所示[22]。

圖1 固態(tài)開關(guān)串聯(lián)脈沖電源

固態(tài)開關(guān)串聯(lián)脈沖電源在工作時(shí),同一串聯(lián)模塊作為一個(gè)整體,需做到同一模塊內(nèi)開關(guān)器件的同步和均壓。如果控制不當(dāng),其中一只開關(guān)損壞容易造成整個(gè)串聯(lián)模塊損壞,所以需要合適的均壓電路和緩沖電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓在串聯(lián)開關(guān)上的均勻分布[23]。

在開關(guān)模塊設(shè)計(jì)方面,余琳,等[24]通過RCD緩沖電路實(shí)現(xiàn)了開關(guān)模塊的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓,如圖2(a)所示。在此基礎(chǔ)上研制的固態(tài)開關(guān)串聯(lián)脈沖電源輸出電壓可達(dá)30 kV,固態(tài)開關(guān)模塊由64個(gè)額定電壓為1 200 V的IGBT串聯(lián)組成,開關(guān)管總損耗占輸出功率的2.14%,開關(guān)串聯(lián)模塊如圖2(b)所示。

圖2 開關(guān)模塊和均壓電路

為解決回路雜散參數(shù)、布線電感以及導(dǎo)線電感造成開關(guān)速度減慢的問題,施陽(yáng)杰,等[25]提出一種新的脈沖陡化電路(圖3)。通過增設(shè)放電回路輔以納秒量級(jí)的短路時(shí)序控制,實(shí)現(xiàn)了更短的上升時(shí)間,電源輸出上升沿可達(dá)50 ns,下降沿可達(dá)70 ns。李鑫,等[26]建立了雜散參數(shù)和不均流度的數(shù)學(xué)模型,通過迭代優(yōu)化降低并聯(lián)IGBT的不均流度,提升設(shè)計(jì)效率的同時(shí)降低了成本,研制的開關(guān)串聯(lián)型雙極性脈沖電源能夠輸出幅值0～±4 kV,上升沿58 ns,脈寬10 ns～100 μs可調(diào)的高壓脈沖。

圖3 高壓陡脈沖電路拓?fù)?/p>

李帥康,等[27]采用IGBT串聯(lián)的方式產(chǎn)生脈沖波形,再經(jīng)過脈沖變壓器及磁壓縮方式進(jìn)行脈沖升壓與陡化,研制的脈沖電源輸出電壓幅值可達(dá)25 kV,其IGBT模塊溫度最終穩(wěn)定在約28 ℃,溫升較小。

固態(tài)開關(guān)串聯(lián)脈沖電源原理簡(jiǎn)單,電路中大容量電容、電感比較少,需要控制短路電火花產(chǎn)生的點(diǎn)更少,與脈沖變壓器式或磁壓縮式等類型的脈沖電源相比發(fā)熱量更小。但需要高電壓等級(jí)的直流電源與其配合,輸出電壓幅值依賴于前級(jí)直流電源。固態(tài)開關(guān)串聯(lián)脈沖電源中,開關(guān)模塊控制的可靠性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,在防爆應(yīng)用時(shí)可以結(jié)合安全控制進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

2 LTD脈沖電源

LTD脈沖電源采用磁感應(yīng)疊加原理[28],將多模塊通過1∶1的變壓器串聯(lián)起來(lái),每個(gè)模塊由多個(gè)儲(chǔ)能電容并聯(lián)構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)大電壓、大電流的輸出,典型原理如圖4所示[29]。

圖4 LTD方式脈沖電源典型原理

在減小電源體積方面,楊景紅,等[30]提出圓柱形同軸結(jié)構(gòu)的緊湊型設(shè)計(jì),可減小電路中的漏感、分布電感和分布電容,提升了脈沖上升沿速度,將15個(gè)輸出670 V/50 A的模塊串聯(lián)疊加,得到10 kV/50 A的高壓脈沖。江偉華,等[31]設(shè)計(jì)了由30個(gè)模塊構(gòu)成的LTD系統(tǒng),如圖5(b)所示,單個(gè)模塊如圖5(a)所示,在120 Ω阻性負(fù)載下輸出29 kV高壓,最大輸出電流為240 A,脈沖寬度在50～170 ns。程顯,等[32]研制了LTD脈沖電源樣機(jī),輸出電壓幅值0～15 kV可調(diào),重復(fù)頻率1～10 kHz可調(diào),采用模塊化設(shè)計(jì),可以通過增加模塊數(shù)量方便地提高最大輸出電壓。

圖5 LTD模塊和由30模塊構(gòu)成的LTD系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出,唐瀟,等[33]在每個(gè)子模塊上設(shè)計(jì)了相同數(shù)量的反極性儲(chǔ)能電容(圖6),勵(lì)磁電流在磁芯上正負(fù)交變,從原理上取消了磁通復(fù)位電路,同時(shí)也具備根據(jù)需要串聯(lián)疊加的優(yōu)點(diǎn),研制的樣機(jī)輸出電壓幅值0～±2 kV,脈沖電流80 A,上升時(shí)間達(dá)17 ns。

圖6 全固態(tài)雙極性LTD電路拓?fù)?/p>

LTD脈沖電源采用多個(gè)小脈沖變壓器并聯(lián)疊加的方式,相較于脈沖變壓器和磁壓縮式脈沖電源能更好的控制體積和發(fā)熱量。相較于另外兩種固態(tài)開關(guān)式脈沖電源,大量變壓器結(jié)構(gòu)使其溫升較高。LTD脈沖電源解決了高電壓輸出的隔離難題,提高了輸出電壓、電流的上限,具備升級(jí)擴(kuò)展的潛力,但是在防爆要求下,系統(tǒng)升級(jí)通常涉及防爆箱更換,進(jìn)行拓展的價(jià)值不高。

3 固態(tài)Marx脈沖電源

目前固態(tài)Marx脈沖電源應(yīng)用較為成熟,采用電壓疊加原理在固定時(shí)間內(nèi)將多段能量進(jìn)行疊加,從而實(shí)現(xiàn)短時(shí)高能量的脈沖輸出,典型原理如圖7所示。高壓脈沖產(chǎn)生的基本原理是電容并聯(lián)充電、串聯(lián)放電[20,34-35]。

圖7 固態(tài)Marx脈沖電源拓?fù)?/p>

饒俊峰,等[36]提出一種自觸發(fā)驅(qū)動(dòng)的17級(jí)正極性固態(tài)Marx脈沖電源,進(jìn)一步減小了電源體積,降低成本,電路拓?fù)淙鐖D8所示。通過簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路避免了開關(guān)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)均壓的問題,實(shí)現(xiàn)了10 kΩ阻性負(fù)載上10 kV、上升沿328 ns的正極性脈沖高壓脈沖輸出。

圖8 正極性自觸發(fā)Marx拓?fù)?/p>

為實(shí)現(xiàn)脈沖波形的雙極性,Liu,等[37]提出的改進(jìn)型Marx脈沖電源拓?fù)淇梢援a(chǎn)生正極性或負(fù)極性脈沖,優(yōu)化了開關(guān)控制時(shí)序,實(shí)現(xiàn)電壓0～±15 kV、上升沿50～500 ns、脈寬0～1 ms的方波或三角波脈沖輸出。卞偉杰,等[38]提出了結(jié)合單極性固態(tài)Marx和全橋電路的雙極性脈沖電源拓?fù)?提出提前主動(dòng)截尾控制策略,將下降沿時(shí)間控制在20 ns以內(nèi),驗(yàn)證了容性負(fù)載下,帶截尾控制比不帶截尾控制放電強(qiáng)度和能量利用效率顯著提高,為脈沖驅(qū)動(dòng)等離子體等容性負(fù)載的應(yīng)用提供了參考。

上述脈沖電源輸出均為電壓脈沖波形,為產(chǎn)生電流脈沖波形,史昊正,等[39]提出了一種基于固態(tài)Marx疊加器的脈沖電流源設(shè)計(jì)(圖9),采用電感作為儲(chǔ)能元件,實(shí)現(xiàn)了方波電流輸出,在負(fù)載為1.2 kΩ時(shí)輸出電流幅值10 A,上升沿700 ns。相較于Blumlein形成線方式制成的高壓脈沖電流源,體積更小且參數(shù)可調(diào),為脈沖電流源研制提供參考。

固態(tài)Marx脈沖電源具有如下優(yōu)勢(shì):無(wú)變壓器結(jié)構(gòu),能更好地控制體積和發(fā)熱量;通過調(diào)節(jié)各支路開關(guān)的動(dòng)作時(shí)序調(diào)控脈沖波形,效率高、響應(yīng)快;能夠根據(jù)輸出電壓的要求增減儲(chǔ)能電容的級(jí)數(shù)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),有著廣泛的適用范圍。相較于固態(tài)開關(guān)串聯(lián)方式,其峰值電壓可設(shè)計(jì)范圍廣,波形調(diào)制更為靈活;相較于LTD方式,其脈沖寬度可調(diào)范圍大但存在高壓隔離的難題。

4 其他固態(tài)開關(guān)式脈沖電源

除了上述3種典型固態(tài)開關(guān)式脈沖電源外,也有學(xué)者開展了其他形式的應(yīng)用研究。米彥,等[40]結(jié)合模塊化多電平變換器(Modular Multilevel,MMC)相關(guān)技術(shù),研發(fā)了一種基于輔助充電支路的MMC高頻納秒脈沖電源,電路拓?fù)渑c實(shí)物如圖10所示,該電源在充電時(shí)無(wú)需開關(guān)動(dòng)作,消除了開關(guān)導(dǎo)通損耗,提高了電源穩(wěn)定性,輸出上升沿可達(dá)20 ns,下降沿30 ns,頻率最高1 MHz,電壓幅值0～4 kV,相比于不加輔助充電支路MMC的尾切開關(guān)溫升減少約30%。

圖10 基于輔助充電支路的模塊化

脈沖發(fā)生方式的選取往往是多種方式的組合。因目前固態(tài)開關(guān)器件價(jià)格較高,考慮成本因素,可以結(jié)合脈沖變壓器和磁開關(guān)等方式進(jìn)行脈沖升壓和波形陡化處理,但需要對(duì)散熱進(jìn)行良好的設(shè)計(jì),必要時(shí)采用油冷或增加散熱管等方式實(shí)現(xiàn)散熱要求。

5 結(jié)論

本文結(jié)合防爆要求將各類脈沖電源進(jìn)行對(duì)比。與脈沖變壓器式、Blumlein形成線式、磁壓縮式等類型的脈沖電源相比,固態(tài)開關(guān)式脈沖電源具有結(jié)構(gòu)緊湊、發(fā)熱量低、可操控性好的優(yōu)點(diǎn),更適應(yīng)于防爆場(chǎng)景下的應(yīng)用。

a) 固態(tài)開關(guān)串聯(lián)脈沖電源原理簡(jiǎn)單,整體結(jié)構(gòu)緊湊、發(fā)熱量較小,但輸出電壓幅值依賴于前級(jí)高壓直流電源。其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于同一模塊內(nèi)串聯(lián)開關(guān)器件的同步和均壓,在防爆應(yīng)用時(shí)可以結(jié)合安全控制進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

b) LTD脈沖電源降低了對(duì)高壓直流電源電壓等級(jí)的要求,也降低了隔離要求和電源成本,可根據(jù)需要對(duì)子模塊進(jìn)行串并聯(lián),輸出參數(shù)設(shè)計(jì)上限高,可拓展性好,但在防爆要求下,要更換防爆箱,進(jìn)行拓展的價(jià)值不高。此外,相較于另兩種固態(tài)開關(guān)式脈沖電源,LTD脈沖電源采用大量變壓器結(jié)構(gòu),發(fā)熱量較大。

c) 固態(tài)Marx脈沖電源無(wú)變壓器結(jié)構(gòu),在體積和發(fā)熱量方面更具優(yōu)勢(shì),效率高、響應(yīng)快、波形調(diào)制靈活,能夠進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),但存在高壓隔離的難題。

d) 各類脈沖電源均有各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn),需要考慮具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)。在性能、發(fā)熱量要求更為嚴(yán)格的防爆環(huán)境下,固態(tài)開關(guān)串聯(lián)脈沖電源和固態(tài)Marx脈沖電源的應(yīng)用前景更好。