防爆高壓脈沖電源研究進展*

包涵春

(中石化安全工程研究院有限公司化學品安全控制國家重點實驗室,山東青島 266104)

0 前言

近年來,高壓脈沖技術已成為高新技術研究的重要技術基礎之一,在等離子體發(fā)生[1,2]、環(huán)境保護、材料制備、生物醫(yī)學、國防軍工等領域應用廣泛。在高壓脈沖技術朝著工業(yè)化應用邁進過程中,爆炸性環(huán)境中應用的需求越來越大,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。電氣設備的防爆技術有:隔爆型(Exd)、本質安全型(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,其中本質安全型、正壓型和隔爆型應用較為廣泛[3-5]。

本質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],在實現(xiàn)較高電壓和功率的脈沖輸出下,真正實現(xiàn)本質安全型脈沖電源的難度較大。正壓型防爆需要設置氣路和氣密性良好的保護外殼,并保持保護外殼內的壓力高于周圍爆炸性氣體混合物的壓力[8,9],維持正常運行的投入過大,一般在其他防爆技術都不滿足要求的超大功率場景中應用。對于千瓦級高壓電源,目前普遍采用以隔爆型為主的防爆設計[10-12]。郭亞逢,等[13]采用隔爆為主,輔以油浸、增安等多種防爆設計,研發(fā)了大功率防爆型等離子體高壓交流電源,可應用于爆炸危險場所Ⅰ、Ⅱ區(qū)。

在隔爆要求下,電源需要放置于防爆箱體中,溫度、體積以及相應的安全控制成為防爆設計時考慮的主要因素。高壓電源對環(huán)境溫度要求高,而防爆箱體內散熱條件較差,容易導致電源溫度過高;部分高壓產(chǎn)生方式造成電源體積較大,導致防爆腔過大,造成空間和成本的浪費?，F(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)開關式,各自的特點總結見表1[14-21]。脈沖變壓式電源結構簡單,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間往往無法滿足應用要求;Blumlein形成線式脈沖電源采用火花開關,不適合在爆炸性環(huán)境中應用;磁壓縮式脈沖電源運行時控制參數(shù)基本固定,不能滿足需要參數(shù)調節(jié)的場景,而且大量磁性元件使電源整體發(fā)熱量增加,體積也相對較大。固態(tài)開關式脈沖電源主要有固態(tài)開關串聯(lián)、直線型變壓器驅動源(Linear Transformer Driver, LTD)和固態(tài)Marx等幾種形式,采用的固態(tài)開關一般為MOSFET或IGBT等,開關速度快、可控性好,電源整體結構較緊湊。

表1 各類脈沖產(chǎn)生方式對比

因此,在考慮防爆特性和脈沖電源性能的基礎上,本文對性能參數(shù)優(yōu)越、體積小、質量輕且發(fā)熱量較少的固態(tài)開關式脈沖電源的研究進展進行詳細介紹。

1 固態(tài)開關串聯(lián)脈沖電源

固態(tài)開關串聯(lián)的方式為直接控制開關串聯(lián)模塊對高壓直流輸入進行斬波,實現(xiàn)高壓脈沖方波的輸出。受單個固態(tài)開關耐壓等級和成本的限制,需要將多個固態(tài)開關進行串聯(lián)分壓,典型電路結構如圖1所示[22]。

圖1 固態(tài)開關串聯(lián)脈沖電源

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

在開關模塊設計方面,余琳,等[24]通過RCD緩沖電路實現(xiàn)了開關模塊的動態(tài)和靜態(tài)均壓,如圖2(a)所示。在此基礎上研制的固態(tài)開關串聯(lián)脈沖電源輸出電壓可達30 kV,固態(tài)開關模塊由64個額定電壓為1 200 V的IGBT串聯(lián)組成,開關管總損耗占輸出功率的2.14%,開關串聯(lián)模塊如圖2(b)所示。

圖2 開關模塊和均壓電路

為解決回路雜散參數(shù)、布線電感以及導線電感造成開關速度減慢的問題,施陽杰,等[25]提出一種新的脈沖陡化電路(圖3)。通過增設放電回路輔以納秒量級的短路時序控制,實現(xiàn)了更短的上升時間,電源輸出上升沿可達50 ns,下降沿可達70 ns。李鑫,等[26]建立了雜散參數(shù)和不均流度的數(shù)學模型,通過迭代優(yōu)化降低并聯(lián)IGBT的不均流度,提升設計效率的同時降低了成本,研制的開關串聯(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可調的高壓脈沖。

圖3 高壓陡脈沖電路拓撲

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行脈沖升壓與陡化,研制的脈沖電源輸出電壓幅值可達25 kV,其IGBT模塊溫度最終穩(wěn)定在約28 ℃,溫升較小。

固態(tài)開關串聯(lián)脈沖電源原理簡單,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。但需要高電壓等級的直流電源與其配合,輸出電壓幅值依賴于前級直流電源。固態(tài)開關串聯(lián)脈沖電源中,開關模塊控制的可靠性是設計的關鍵,在防爆應用時可以結合安全控制進行整體設計。

2 LTD脈沖電源

LTD脈沖電源采用磁感應疊加原理[28],將多模塊通過1∶1的變壓器串聯(lián)起來,每個模塊由多個儲能電容并聯(lián)構成,實現(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]提出圓柱形同軸結構的緊湊型設計,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]設計了由30個模塊構成的LTD系統(tǒng),如圖5(b)所示,單個模塊如圖5(a)所示,在120 Ω阻性負載下輸出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,輸出電壓幅值0～15 kV可調,重復頻率1～10 kHz可調,采用模塊化設計,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模塊構成的LTD系統(tǒng)

為實現(xiàn)雙極性脈沖輸出,唐瀟,等[33]在每個子模塊上設計了相同數(shù)量的反極性儲能電容(圖6),勵磁電流在磁芯上正負交變,從原理上取消了磁通復位電路,同時也具備根據(jù)需要串聯(lián)疊加的優(yōu)點,研制的樣機輸出電壓幅值0～±2 kV,脈沖電流80 A,上升時間達17 ns。

圖6 全固態(tài)雙極性LTD電路拓撲

LTD脈沖電源采用多個小脈沖變壓器并聯(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)開關式脈沖電源,大量變壓器結構使其溫升較高。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,具備升級擴展的潛力,但是在防爆要求下,系統(tǒng)升級通常涉及防爆箱更換,進行拓展的價值不高。

3 固態(tài)Marx脈沖電源

目前固態(tài)Marx脈沖電源應用較為成熟,采用電壓疊加原理在固定時間內將多段能量進行疊加,從而實現(xiàn)短時高能量的脈沖輸出,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脈沖電源拓撲

饒俊峰,等[36]提出一種自觸發(fā)驅動的17級正極性固態(tài)Marx脈沖電源,進一步減小了電源體積,降低成本,電路拓撲如圖8所示。通過簡化驅動電路避免了開關動態(tài)、靜態(tài)均壓的問題,實現(xiàn)了10 kΩ阻性負載上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拓撲

為實現(xiàn)脈沖波形的雙極性,Liu,等[37]提出的改進型Marx脈沖電源拓撲可以產(chǎn)生正極性或負極性脈沖,優(yōu)化了開關控制時序,實現(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]提出了結合單極性固態(tài)Marx和全橋電路的雙極性脈沖電源拓撲,提出提前主動截尾控制策略,將下降沿時間控制在20 ns以內,驗證了容性負載下,帶截尾控制比不帶截尾控制放電強度和能量利用效率顯著提高,為脈沖驅動等離子體等容性負載的應用提供了參考。

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計(圖9),采用電感作為儲能元件,實現(xiàn)了方波電流輸出,在負載為1.2 kΩ時輸出電流幅值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,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:無變壓器結構,能更好地控制體積和發(fā)熱量;通過調節(jié)各支路開關的動作時序調控脈沖波形,效率高、響應快;能夠根據(jù)輸出電壓的要求增減儲能電容的級數(shù)進行模塊化設計,有著廣泛的適用范圍。相較于固態(tài)開關串聯(lián)方式,其峰值電壓可設計范圍廣,波形調制更為靈活;相較于LTD方式,其脈沖寬度可調范圍大但存在高壓隔離的難題。

4 其他固態(tài)開關式脈沖電源

除了上述3種典型固態(tài)開關式脈沖電源外,也有學者開展了其他形式的應用研究。米彥,等[40]結合模塊化多電平變換器(Modular Multilevel,MMC)相關技術,研發(fā)了一種基于輔助充電支路的MMC高頻納秒脈沖電源,電路拓撲與實物如圖10所示,該電源在充電時無需開關動作,消除了開關導通損耗,提高了電源穩(wěn)定性,輸出上升沿可達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)開關器件價格較高,考慮成本因素,可以結合脈沖變壓器和磁開關等方式進行脈沖升壓和波形陡化處理,但需要對散熱進行良好的設計,必要時采用油冷或增加散熱管等方式實現(xiàn)散熱要求。

5 結論

本文結合防爆要求將各類脈沖電源進行對比。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)開關式脈沖電源具有結構緊湊、發(fā)熱量低、可操控性好的優(yōu)點,更適應于防爆場景下的應用。

a) 固態(tài)開關串聯(lián)脈沖電源原理簡單,整體結構緊湊、發(fā)熱量較小,但輸出電壓幅值依賴于前級高壓直流電源。其設計的關鍵在于同一模塊內串聯(lián)開關器件的同步和均壓,在防爆應用時可以結合安全控制進行整體設計。

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

c) 固態(tài)Marx脈沖電源無變壓器結構,在體積和發(fā)熱量方面更具優(yōu)勢,效率高、響應快、波形調制靈活,能夠進行模塊化設計,但存在高壓隔離的難題。

d) 各類脈沖電源均有各自的優(yōu)勢和缺點,需要考慮具體應用場景進行設計。在性能、發(fā)熱量要求更為嚴格的防爆環(huán)境下,固態(tài)開關串聯(lián)脈沖電源和固態(tài)Marx脈沖電源的應用前景更好。