一种基于多路开关延时输出的液相脉冲放电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多路开关延时输出的液相脉冲放电系统，包括：由n级放电回路组成的主回路单元和驱动单元；驱动单元用于向各级放电回路逐次延时输出放电控制信号，放电回路用于存储电能并根据放电控制信号向负载进行脉冲放电。本发明专利技术通过时序脉冲发生器产生有一定时间间隔的触发脉冲串，由于存在时间间隔，每一放电回路产生的脉冲声波间存在相位差；不同相位的脉冲声波叠加在一起，可实现脉宽延展，并可通过调节相位差来调节组合后声脉冲的宽度和幅度；这种可调频调幅的声脉冲发生技术在海洋高分辨率地震探测领域和水声学领域有重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
—种基于多路开关延时输出的液相脉冲放电系统
本专利技术属于脉冲功率
，具体涉及一种基于多路开关延时输出的液相脉冲 放电系统。
技术介绍
液相脉冲放电是将高压脉冲加载到液体中的电极负载上产生电弧或电晕放电的 技术。系统工作原理是采用电容储能，通过触发放电开关瞬间释放能量，实现高功率电脉冲 的输出从而实现在水体中进行等离子体放电。系统首先将工频交流电转换成中高频交流 电，再通过变压器升压和硅堆整流形成高压直流输出对储能电容进行充电，充电完成后，由 控制电路控制触发大功率半导体开关导通，储能电容通过传输线对负载进行放电。放电过 程会产生冲击波效应，又被称为“液电效应”。脉冲声波的产生是由于液体中高压脉冲放电 产生等离子体通道(区域)的高温高压引起了气泡的强烈脉动过程。等离子体生成时，气 泡壁因内部高温高压向外膨胀，克服水静压、表面张力、粘滞力等外力对周围水体做功。随 着气泡内部等离子体逐渐熄灭，内部温度开始下降，内部压强也随之下降，气泡壁的向外运 动速度变小，直至速度为零，此时气泡内部压强远小于水静压，气泡开始收缩，在收缩过程 中，内部压强再次变大，如此往复即形成气泡脉动。气泡膨胀初始和坍缩时，内部压强非常 大，产生的是压力波；而气泡半径较大时，内部压强小于水静压，此时产生的是稀疏波，稀疏 波集中了低频部分的声能。气泡脉动过程具有周期性，脉动次数及周期大小由气泡本身具 有的能量和水静压条件决定。能量大则脉动次数多，周期长；水静压大则脉动次数少，周期 短。目前，基于液相脉冲放电技术开发的等离子体震源或脉冲声源已应用于海洋高分 辨率浅地层探测、水声研究等领域。尤其是海洋高分辨率浅地层探测领域，法国SIG，荷兰 GEO-Resource,英国AppliedAcoustic等公司开发了多款产品，我国自主开发的产品也在 国家多个核电厂厂址选址、跨海大桥和海底隧道地质勘探调查等多个重大工程项目建设中 实现了工程应用。已经开发并应用的液相脉冲放电电路如图1所示，主要包括储能电容、续 流二极管、半导体开关管和传输线。此电路一般采用单路开关或者多路开关同步输出的方 法，如果主回路参数固定，即储能电容容值、充电电压和负载一定的条件下，输出脉宽无法 调节，放电产生的脉冲声波频率特性也无法调节。对于海洋高分辨率地震探测，当遇到水深变化较快的水域，尤其是从浅水向深水 变化时，需要根据水深及时降低等离子体震源产生的声脉冲主频。一般来说，地层对声波的 吸收规律为O. 2dB/波长，因此降低主频可以提高地层穿透深度。目前，在单路开关输出或 者多路开关同步输出的系统中，调节脉冲声波频率的方法有法国SIG公司采用调节电容 容值和更换负载的方法，但前者容易烧蚀继电器开关，后者需要停止作业，更换负载，操作 复杂繁琐；荷兰Geo-Resource公司采用调节电容充电电压的方法，但这种方法无法改变电 源输出脉宽，声脉冲频率变化很小。因此上述现有的技术方法都很难实现对声脉冲进行快 速调幅调宽，从而改变其频率特性。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本专利技术公开了一种基于多路开关延时输出的液相脉冲放电系统，能够实现多路脉冲延时输出，使得叠加组合后的输出脉宽可调。一种基于多路开关延时输出的液相脉冲放电系统，包括由η级放电回路组成的主回路单元和驱动单元，η为大于I的自然数；所述的驱动单元用于向各级放电回路逐次延时输出放电控制信号；所述的放电回路用于存储电能并根据放电控制信号向负载进行脉冲放电。对于正极性脉冲输出，所述的放电回路由两个隔离二极管Dl D2、一储能电容、 一续流二极管、一半导体开关和一脉冲传输线组成；其中，储能电容的一端与隔离二极管 Dl的阴极、半导体开关的阳极和续流二极管的阴极相连，半导体开关的阴极与脉冲传输线内导体相连，脉冲传输线外导体与储能电容的另一端、续流二极管的阳极和隔离二极管D2 的阳极相连，半导体开关的门极接收所述的放电控制信号。对于负极性脉冲输出，所述的放电回路由两个隔离二极管Dl D2、一储能电容、 一续流二极管、一半导体开关和一脉冲传输线组成；其中，储能电容的一端与隔离二极管 D2的阳极、半导体开关的阴极和续流二极管的阳极相连，半导体开关的阳极与脉冲传输线内导体相连，脉冲传输线外导体与储能电容的另一端、续流二极管的阴极和隔离二极管Dl 的阴极相连，半导体开关的门极接收所述的放电控制信号。隔离二极管Dl的阳极与隔离二极管D2的阴极两端间加载直流电源，所述的直流电源用于通过隔离二极管对储能电容进行充电。所述的隔离二极管由一个二极管组成或由多个二极管串联或并联组成；两个隔离二极管的作用是 在放电阶段对每一放电回路进行隔离，避免多路延时放电产生时，高压储能电容通过充电回路对低压储能电容进行充电的现象，保证能量的充分释放，同时也解决储能电容共地引起的电流上升过快而击穿半导体开关的问题。所述的储能电容由一个电容组成或由多个电容串联或并联组成。所述的续流二极管由一个二极管组成或由多个二极管串联组成；能够消除放电回路中电流震荡的作用。所述的半导体开关由一个功率半导体开关组成或由多个功率半导体开关串联组成；所述的功率半导体开关采用普通晶闸管、IGCT(集成门极换流晶闸管)或RSD(反相开关晶体管)等。所述的脉冲传输线采用高压同轴电缆或其他高压电缆线，其另一端接负载。所述的驱动单元包括时序脉冲信号发生器、光电隔离电路和信号放大电路；其中所述的时序脉冲信号发生器用于逐次延时生成η组脉冲触发信号；所述的信号放大电路用于通过光电隔离电路接收所述的脉冲触发信号，并对该信号进行放大升压后输出放电控制信号。所述的时序脉冲信号发生器由晶振电路、直流稳压电路、单片机和反相电路构建； 其中所述的晶振电路用于为单片机提供时钟信号，所述的直流稳压电路用于为单片机提供工作电压，所述的单片机用于输出η组脉冲触发信号，所述的反相电路用于将脉冲触发信号高电平触发转换为低电平触发。本专利技术的工作原理为高压直流通过隔离二极管对各级放电回路的储能电容进行充电，此时续流二极管处于反压状态，充电完成后，时序脉冲信号发生器产生有一定时间间隔的多个脉冲触发信号，经光电隔离和信号放大后输入脉冲变压器，触发每一放电回路的半导体开关。开关导通后，每一路的脉冲大电流通过脉冲传输线加载到对应负载上。由于每一路放电回路的半导体开关不是同步导通，导通的时间差为时序脉冲触发信号的时间间隔，因此储能电容的压降会有差异，此时每一放电回路的脉冲大电流通过储能电容两端的隔离二极管进行隔离，一方面避免某一回路中的高压电容对另一回路中的低压电容进行充电的现象，另一方面避免储能电容共地引起的电流上升太快而击穿半导体开关的问题。本专利技术发电系统每次放电产生的是η个脉冲大电流组成的脉冲串；由于储能电容两端并联了续流二极管，因此每个脉冲都为单脉冲，不存在电流振荡。每一放电回路产生单脉冲的过程如下如果负载较大，回路处于过阻尼或临界阻尼时，续流二极管一直处于反压状态，不导通；如果负载较小，回路处于欠阻尼状态时，储能电容两端电压先于电流达到零点，此时续流二极管正向导通，大功率半导体开关并未关断， 两者与脉冲传输线构成续流回路，回路中的电流由寄生电感储能维持。当电流小于半导体开关维持电流(几十毫安)时，开关断开；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多路开关延时输出的液相脉冲放电系统，其特征在于，包括：由n级放电回路组成的主回路单元和驱动单元，n为大于1的自然数；所述的驱动单元用于向各级放电回路逐次延时输出放电控制信号；所述的放电回路用于存储电能并根据放电控制信号向负载进行脉冲放电。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄逸凡，闫克平，王荣华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：