一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种自行设计搭建的高能纳秒脉冲叠加高压直流进行等离子体点火的电源装置，包括直流高压电源、纳秒脉冲电源及纳秒脉冲整合直流电路，高压直流输出和纳秒脉冲输出经过纳秒脉冲整合直流电路叠加在一起获得纳秒脉冲叠加直流电源，施加到负载。本发明专利技术特点为：自主搭建的用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流的电源，其体积小、结构紧凑、成本低。高压直流电源与纳秒脉冲电源一体化设计，具有放电能量高和装置小型化的优势，方便使用。在实际应用中，可以应用于内燃机点火及超声速下航天发动机的点火等方面。

【技术实现步骤摘要】
一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置
本专利技术涉及点火装置，特别是一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置。
技术介绍
纳秒脉冲放电产生的等离子体含有多种高能粒子，密度大，活性强，能量高，被广泛应用于等离子体点火领域。放电能量高、一体化、体积小的电源装置对促进等离子体点火的应用具有重要的推动作用。现有的等离子体点火装置受到众多因素的限制，首先传统的等离子激励电源采用直流或纳秒脉冲电源，直流电源放电能量较低，不易点火，纳秒脉冲放电虽然瞬时功率高，但当气流速度较高时，仍然存在等离子体中高能活性粒子能量较低甚至不足以点火的问题。此外，国内外许多学者提出了一种脉冲叠加直流的电极装置，但脉冲电极与直流电极分开垂直放置，增加了装置的复杂性。现有的等离子体点火装置多为单一电源形式，放电能量较低。少数多电源形式等离子体点火装置中，直流电源一般与脉冲电源相互分离，作用于不同的电极上。这就需要庞大的电源结构和复杂的线路系统，使装置的灵活性受限，随着等离子体点火电源装置的发展，有必要在电源内部将脉冲电压与直流电压叠加然后输出至负载，以提高放电能量，减小电极结构的复杂性，缩小电源体积，促进其在工业和科研领域中的应用。文章文献1中描述了一种纳秒脉冲叠加直流的电极结构，但这种电极结构将直流电极与脉冲电极分隔，增加了装置的复杂性；专利文献1提供了一种采用芯片控制的直流叠加脉冲式的金属表面处理电源电路，但该装置采用大量电力电子器件控制电路，在工作时这些电力电子元器件极易受到电路本身放电产生的电磁干扰的影响，可靠性大大降低。专利文献2提供了一种基于IGBT串联的高压脉冲叠加直流电场发生器，但该装置采用IGBT单管串联电路产生高压脉冲，但IGBT同步触发控制电路较为复杂，且其输出脉冲高压电压最高为10kV，另外其高压脉冲上升时间及脉宽均较长，不适用于高速气流下点火。以上描述的等离子体发生装置要么体积庞大、结构复杂，要么稳定性低，控制复杂。先前技术文献文章文献文章文献1：Nishihara,M.,etal."DevelopmentofaMach5Nonequilibrium-FlowWindTunnel."AIAAjournal50.10(2012):2255-2267.专利文献专利文献1：杭州电子科技大学，专利申请号201310301466.0专利文献2：重庆大学，专利申请号201310514521.4
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其目的在于，提供一种体积小、结构紧凑、稳定性好、放电能量高、易于工业化生产的纳秒脉冲叠加直流电源，以满足内燃机点火及超声速下航天发动机的点火需求。本专利技术提供了一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置，包括高压直流电源、纳秒脉冲电源和纳秒脉冲整合直流电路；所述高压直流电源的输出为第一输出，所述纳秒脉冲电源的输出为第二输出，所述第一输出和所述第二输出经过所述纳秒脉冲整合直流电路叠加在一起获得纳秒脉冲叠加直流电源，输出至负载；其中，所述纳秒脉冲整合直流电路包括隔离电容Cs、限流电阻Rs、限流电感Ls，所述第一输出经过所述限流电阻Rs、所述限流电感Ls施加到所述负载上，所述第二输出经过所述隔离电容Cs施加到所述负载上；所述第一输出为高压直流输出，所述第二输出为纳秒脉冲输出。作为本专利技术进一步的改进，所述高压直流电源的输入为交流电源，所述第一输出作为所述纳秒脉冲电源的输入。作为本专利技术进一步的改进，所述纳秒脉冲电源为双传输线型纳秒脉冲发生器，包括充电电阻R1、第一同轴电缆、第二同轴电缆、闭合开关K、负载电阻R2；所述第一输出经所述充电电阻R1、所述第一同轴电缆的中心铜线、所述第一同轴电缆的中心铜线连接、所述闭合开关K接地；所述第一同轴电缆的网状屏蔽层的A端、所述第二同轴电缆的网状屏蔽层的C端、所述第二同轴电缆的网状屏蔽层的D端共同接地；所述第一同轴电缆的网状屏蔽层的B端作为所述第二输出并经所述负载电阻R2接地。作为本专利技术进一步的改进，所述纳秒脉冲电源为开关切断式纳秒脉冲发生器，包括充电电阻R7、电容C3、开关、输出电阻R8；所述第一输出的正极经所述充电电阻R7、所述开关、所述输出电阻R8连接于所述第二输出的正极，所述充电电阻R7与所述开关的连接端经所述电容C3接地。作为本专利技术进一步的改进，所述高压直流电源的输入和所述纳秒脉冲电源的输入为交流电源。作为本专利技术进一步的改进，所述纳秒脉冲电源为级联式纳秒脉冲发生器，包括变压器T2、整流二级管D6、整流二级管D7、整流二级管D8、整流二级管D9、整流二级管D10、整流二级管D11、整流二级管D12、整流二级管D13、限流电阻R9、限流电阻R10、电容C4、电容C5、IGBT1、IGBT2、二级管D14、二级管D15、匹配电阻R11；级联式输入为交流电源的交流电源输出；所述交流电源输出与所述变压器T2的原边相连，所述整流二级管D6正极、所述整流二级管D7负极、所述变压器T2第一组绕组副边的一端相连，所述整流二级管D8正极、所述整流二级管D9负极、所述变压器T2所述第一组绕组副边的另一端相连；所述整流二级管D6负极、所述整流二级管D8负极、所述限流电阻R9的一端相连，所述整流二级管D7正极、所述整流二级管D9正极相连作为第一组脉冲输出的负极；所述电容C4的一端与所述限流电阻R9的另一端相连，所述电容C4另一端接于所述第一组脉冲输出的负极；所述IGBT1的集电极接于所述限流电阻R9与所述电容C4相连处，所述IGBT1的发射极与所述二级管D14负极相连，并作为所述第一组脉冲输出的正极，所述二级管D14正极与所述第一组脉冲输出端的负极相连；所述整流二级管D10正极、所述整流二级管D11负极、所述变压器T2第二组绕组副边的一端相连，所述整流二级管D12正极、所述整流二级管D13负极、所述变压器T2第二组绕组副边的另一端相连；所述整流二级管D10负极、所述整流二级管D12负极、所述限流电阻R10的一端相连，所述整流二级管D11正极、所述整流二级管D13正极相连作为第二组脉冲输出的负极；所述电容C5一端与所述限流电阻R10的一端相连，所述电容C5另一端接于所述第二组脉冲输出的负极；所述IGBT2的集电极接于所述限流电阻R10与所述电容C5相连处，所述IGBT2的发射极与所述二级管D15的负极相连，并作为所述第二组脉冲输出的正极，与所述第一组脉冲输出端的负极相连，所述二级管D15正极与所述第二组脉冲输出端的负极相连；所述匹配电阻R11一端与所述第一组脉冲输出的正极相连，并作为所述第二输出的正极，所述匹配电阻R11另一端与所述第二组脉冲输出的负极相连，并作为所述第二输出的负极。作为本专利技术进一步的改进，所述高压直流电源包括调压器T1、整流桥、限流电阻R1、限流电阻R2、吸收电阻R3，吸收电阻R4、二极管D1、二极管D2、钳位二极管D3、钳位二极管D4、扼流电感L1、开关管MOSFETM1、开关管MOSFETM2、谐振电容C1、变压器PT、整流二极管D5、电容C2；所述高压直流电源的输入为所述交流电源；所述交流电源的两端与所述调压器T1的原边相连，所述调压器T1的副边与所述整流桥的输入端相连；所述扼流电感L1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于：包括高压直流电源(1)、纳秒脉冲电源(2)和纳秒脉冲整合直流电路；所述高压直流电源(1)的输出为第一输出(31)，所述纳秒脉冲电源(2)的输出为第二输出(32)，所述第一输出(31)和所述第二输出(32)经过所述纳秒脉冲整合直流电路叠加在一起获得纳秒脉冲叠加直流电源，输出至负载(3)；其中，所述纳秒脉冲整合直流电路包括隔离电容Cs(29)、限流电阻Rs(27)、限流电感Ls(28)，所述第一输出(31)经过所述限流电阻Rs(27)、所述限流电感Ls(28)施加到所述负载(3)上，所述第二输出(32)经过所述隔离电容Cs(29)施加到所述负载(3)上；所述第一输出(31)为高压直流输出，所述第二输出(32)为纳秒脉冲输出。

【技术特征摘要】
1.一种用于等离子体点火的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于：包括高压直流电源(1)、纳秒脉冲电源(2)和纳秒脉冲整合直流电路；所述高压直流电源(1)的输出为第一输出(31)，所述纳秒脉冲电源(2)的输出为第二输出(32)，所述第一输出(31)和所述第二输出(32)经过所述纳秒脉冲整合直流电路叠加在一起获得纳秒脉冲叠加直流电源，输出至负载(3)；其中，所述纳秒脉冲整合直流电路包括隔离电容Cs(29)、限流电阻Rs(27)、限流电感Ls(28)，所述第一输出(31)经过所述限流电阻Rs(27)、所述限流电感Ls(28)施加到所述负载(3)上，所述第二输出(32)经过所述隔离电容Cs(29)施加到所述负载(3)上；所述第一输出(31)为高压直流输出，所述第二输出(32)为纳秒脉冲输出。2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述高压直流电源(1)的输入为交流电源(4)，所述第一输出(31)作为所述纳秒脉冲电源(2)的输入。3.根据权利要求2所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述纳秒脉冲电源(2)为双传输线型纳秒脉冲发生器，包括充电电阻R1(22)、第一同轴电缆(23)、第二同轴电缆(24)、闭合开关K(25)、负载电阻R2(26)；所述第一输出(31)经所述充电电阻R1(22)、所述第一同轴电缆(23)的中心铜线、所述第一同轴电缆(23)的中心铜线连接、所述闭合开关K(25)接地；所述第一同轴电缆(23)的网状屏蔽层的A端、所述第二同轴电缆(24)的网状屏蔽层的C端、所述第二同轴电缆(24)的网状屏蔽层的D端共同接地；所述第一同轴电缆(23)的网状屏蔽层的B端作为所述第二输出(32)并经所述负载电阻R2(26)接地。4.根据权利要求2所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述纳秒脉冲电源(2)为开关切断式纳秒脉冲发生器，包括充电电阻R7(33)、电容C3(34)、开关(35)、输出电阻R8(36)；所述第一输出(31)的正极经所述充电电阻R7(33)、所述开关(35)、所述输出电阻R8(36)连接于所述第二输出(32)的正极，所述充电电阻R7(33)与所述开关(35)的连接端经所述电容C3(34)接地。5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述高压直流电源(1)的输入和所述纳秒脉冲电源(2)的输入为交流电源(4)。6.根据权利要求5所述的纳秒脉冲叠加直流电源装置，其特征在于，所述纳秒脉冲电源(2)为级联式纳秒脉冲发生器，包括变压器T2(37)、整流二级管D6(38)、整流二级管D7(39)、整流二级管D8(40)、整流二级管D9(41)、整流二级管D10(42)、整流二级管D11(43)、整流二级管D12(44)、整流二级管D13(45)、限流电阻R9(46)、限流电阻R10(47)、电容C4(48)、电容C5(49)、IGBT1(50)、IGBT2(51)、二级管D14(52)、二级管D15(53)、匹配电阻R11(54)；级联式输入为交流电源(4)的交流电源输出(30)；所述交流电源输出(30)与所述变压器T2(37)的原边相连，所述整流二级管D6(38)正极、所述整流二级管D7(39)负极、所述变压器T2(37)第一组绕组副边的一端相连，所述整流二级管D8(40)正极、所述整流二级管D9(41)负极、所述变压器T2(37)所述第一组绕组副边的另一端相连；所述整流二级管D6(38)负极、所述整流二级管D8(40)负极、所述限流电阻R9(46)的一端相连，所述整流二级管D7(39)正极、所述整流二级管D9(41)正极相连作为第一组脉冲输出的负极；所述电容C4(48)的一端与所述限流电阻R9(46)的另一端相连，所述电容C4(48)另一端接于所述第一组脉冲输出的负极；所述IGBT1(50)的集电极接于所述限流电阻R9(46)与所述电容C4(48)相连处，所述IGBT1(50)的发射极与所述二级管D14(52)负极相...

【专利技术属性】
技术研发人员：章程，邱锦涛，邵涛，张帅，任成燕，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11