一種基于多路開關延時輸出的液相脈沖放電系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于多路開關延時輸出的液相脈沖放電系統，包括：由n級放電回路組成的主回路單元和驅動單元；驅動單元用于向各級放電回路逐次延時輸出放電控制信號，放電回路用于存儲電能并根據放電控制信號向負載進行脈沖放電。本發明專利技術通過時序脈沖發生器產生有一定時間間隔的觸發脈沖串，由于存在時間間隔，每一放電回路產生的脈沖聲波間存在相位差；不同相位的脈沖聲波疊加在一起，可實現脈寬延展，并可通過調節相位差來調節組合后聲脈沖的寬度和幅度；這種可調頻調幅的聲脈沖發生技術在海洋高分辨率地震探測領域和水聲學領域有重要的應用前景。

【技術實現步驟摘要】
—種基于多路開關延時輸出的液相脈沖放電系統
本專利技術屬于脈沖功率
，具體涉及一種基于多路開關延時輸出的液相脈沖 放電系統。
技術介紹
液相脈沖放電是將高壓脈沖加載到液體中的電極負載上產生電弧或電暈放電的 技術。系統工作原理是采用電容儲能，通過觸發放電開關瞬間釋放能量，實現高功率電脈沖 的輸出從而實現在水體中進行等離子體放電。系統首先將工頻交流電轉換成中高頻交流 電，再通過變壓器升壓和硅堆整流形成高壓直流輸出對儲能電容進行充電，充電完成后，由 控制電路控制觸發大功率半導體開關導通，儲能電容通過傳輸線對負載進行放電。放電過 程會產生沖擊波效應，又被稱為“液電效應”。脈沖聲波的產生是由于液體中高壓脈沖放電 產生等離子體通道(區域)的高溫高壓引起了氣泡的強烈脈動過程。等離子體生成時，氣 泡壁因內部高溫高壓向外膨脹，克服水靜壓、表面張力、粘滯力等外力對周圍水體做功。隨 著氣泡內部等離子體逐漸熄滅，內部溫度開始下降，內部壓強也隨之下降，氣泡壁的向外運 動速度變小，直至速度為零，此時氣泡內部壓強遠小于水靜壓，氣泡開始收縮，在收縮過程 中，內部壓強再次變大，如此往復即形成氣泡脈動。氣泡膨脹初始和坍縮時，內部壓強非常 大，產生的是壓力波；而氣泡半徑較大時，內部壓強小于水靜壓，此時產生的是稀疏波，稀疏 波集中了低頻部分的聲能。氣泡脈動過程具有周期性，脈動次數及周期大小由氣泡本身具 有的能量和水靜壓條件決定。能量大則脈動次數多，周期長；水靜壓大則脈動次數少，周期 短。目前，基于液相脈沖放電技術開發的等離子體震源或脈沖聲源已應用于海洋高分 辨率淺地層探測、水聲研究等領域。尤其是海洋高分辨率淺地層探測領域，法國SIG，荷蘭 GEO-Resource,英國AppliedAcoustic等公司開發了多款產品，我國自主開發的產品也在 國家多個核電廠廠址選址、跨海大橋和海底隧道地質勘探調查等多個重大工程項目建設中 實現了工程應用。已經開發并應用的液相脈沖放電電路如圖1所示，主要包括儲能電容、續 流二極管、半導體開關管和傳輸線。此電路一般采用單路開關或者多路開關同步輸出的方 法，如果主回路參數固定，即儲能電容容值、充電電壓和負載一定的條件下，輸出脈寬無法 調節，放電產生的脈沖聲波頻率特性也無法調節。對于海洋高分辨率地震探測，當遇到水深變化較快的水域，尤其是從淺水向深水 變化時，需要根據水深及時降低等離子體震源產生的聲脈沖主頻。一般來說，地層對聲波的 吸收規律為O. 2dB/波長，因此降低主頻可以提高地層穿透深度。目前，在單路開關輸出或 者多路開關同步輸出的系統中，調節脈沖聲波頻率的方法有法國SIG公司采用調節電容 容值和更換負載的方法，但前者容易燒蝕繼電器開關，后者需要停止作業，更換負載，操作 復雜繁瑣；荷蘭Geo-Resource公司采用調節電容充電電壓的方法，但這種方法無法改變電 源輸出脈寬，聲脈沖頻率變化很小。因此上述現有的技術方法都很難實現對聲脈沖進行快 速調幅調寬，從而改變其頻率特性。
技術實現思路
針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本專利技術公開了一種基于多路開關延時輸出的液相脈沖放電系統，能夠實現多路脈沖延時輸出，使得疊加組合后的輸出脈寬可調。一種基于多路開關延時輸出的液相脈沖放電系統，包括由η級放電回路組成的主回路單元和驅動單元，η為大于I的自然數；所述的驅動單元用于向各級放電回路逐次延時輸出放電控制信號；所述的放電回路用于存儲電能并根據放電控制信號向負載進行脈沖放電。對于正極性脈沖輸出，所述的放電回路由兩個隔離二極管Dl D2、一儲能電容、 一續流二極管、一半導體開關和一脈沖傳輸線組成；其中，儲能電容的一端與隔離二極管 Dl的陰極、半導體開關的陽極和續流二極管的陰極相連，半導體開關的陰極與脈沖傳輸線內導體相連，脈沖傳輸線外導體與儲能電容的另一端、續流二極管的陽極和隔離二極管D2 的陽極相連，半導體開關的門極接收所述的放電控制信號。對于負極性脈沖輸出，所述的放電回路由兩個隔離二極管Dl D2、一儲能電容、 一續流二極管、一半導體開關和一脈沖傳輸線組成；其中，儲能電容的一端與隔離二極管 D2的陽極、半導體開關的陰極和續流二極管的陽極相連，半導體開關的陽極與脈沖傳輸線內導體相連，脈沖傳輸線外導體與儲能電容的另一端、續流二極管的陰極和隔離二極管Dl 的陰極相連，半導體開關的門極接收所述的放電控制信號。隔離二極管Dl的陽極與隔離二極管D2的陰極兩端間加載直流電源，所述的直流電源用于通過隔離二極管對儲能電容進行充電。所述的隔離二極管由一個二極管組成或由多個二極管串聯或并聯組成；兩個隔離二極管的作用是 在放電階段對每一放電回路進行隔離，避免多路延時放電產生時，高壓儲能電容通過充電回路對低壓儲能電容進行充電的現象，保證能量的充分釋放，同時也解決儲能電容共地引起的電流上升過快而擊穿半導體開關的問題。所述的儲能電容由一個電容組成或由多個電容串聯或并聯組成。所述的續流二極管由一個二極管組成或由多個二極管串聯組成；能夠消除放電回路中電流震蕩的作用。所述的半導體開關由一個功率半導體開關組成或由多個功率半導體開關串聯組成；所述的功率半導體開關采用普通晶閘管、IGCT(集成門極換流晶閘管)或RSD(反相開關晶體管)等。所述的脈沖傳輸線采用高壓同軸電纜或其他高壓電纜線，其另一端接負載。所述的驅動單元包括時序脈沖信號發生器、光電隔離電路和信號放大電路；其中所述的時序脈沖信號發生器用于逐次延時生成η組脈沖觸發信號；所述的信號放大電路用于通過光電隔離電路接收所述的脈沖觸發信號，并對該信號進行放大升壓后輸出放電控制信號。所述的時序脈沖信號發生器由晶振電路、直流穩壓電路、單片機和反相電路構建； 其中所述的晶振電路用于為單片機提供時鐘信號，所述的直流穩壓電路用于為單片機提供工作電壓，所述的單片機用于輸出η組脈沖觸發信號，所述的反相電路用于將脈沖觸發信號高電平觸發轉換為低電平觸發。本專利技術的工作原理為高壓直流通過隔離二極管對各級放電回路的儲能電容進行充電，此時續流二極管處于反壓狀態，充電完成后，時序脈沖信號發生器產生有一定時間間隔的多個脈沖觸發信號，經光電隔離和信號放大后輸入脈沖變壓器，觸發每一放電回路的半導體開關。開關導通后，每一路的脈沖大電流通過脈沖傳輸線加載到對應負載上。由于每一路放電回路的半導體開關不是同步導通，導通的時間差為時序脈沖觸發信號的時間間隔，因此儲能電容的壓降會有差異，此時每一放電回路的脈沖大電流通過儲能電容兩端的隔離二極管進行隔離，一方面避免某一回路中的高壓電容對另一回路中的低壓電容進行充電的現象，另一方面避免儲能電容共地引起的電流上升太快而擊穿半導體開關的問題。本專利技術發電系統每次放電產生的是η個脈沖大電流組成的脈沖串；由于儲能電容兩端并聯了續流二極管，因此每個脈沖都為單脈沖，不存在電流振蕩。每一放電回路產生單脈沖的過程如下如果負載較大，回路處于過阻尼或臨界阻尼時，續流二極管一直處于反壓狀態，不導通；如果負載較小，回路處于欠阻尼狀態時，儲能電容兩端電壓先于電流達到零點，此時續流二極管正向導通，大功率半導體開關并未關斷， 兩者與脈沖傳輸線構成續流回路，回路中的電流由寄生電感儲能維持。當電流小于半導體開關維持電流(幾十毫安)時，開關斷開；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于多路開關延時輸出的液相脈沖放電系統，其特征在于，包括：由n級放電回路組成的主回路單元和驅動單元，n為大于1的自然數；所述的驅動單元用于向各級放電回路逐次延時輸出放電控制信號；所述的放電回路用于存儲電能并根據放電控制信號向負載進行脈沖放電。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃逸凡，閆克平，王榮華，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：