一种极性可调型高压脉冲发生器

1.本发明涉及脉冲功率装置应用领域，具体是一种极性可调型高压脉冲发生器。


背景技术：

2.近年来，随着社会需求和脉冲功率技术的快速发展，其应用领域得到不断拓宽，脉冲源在生物医学、食品加工、环境保护、等离子体产生、工业应用科学研究等领域的需求日渐增大。在生物医学方面，脉冲电场治疗肿瘤具有非热医学效应以及窗口效应优势。在环境保护等方面的应用随着近年环境污染等问题而得到重视。采用脉冲电场可以有效地破坏微生物的结构以抑制其生长，改善水体活性，具有实施简便、效果良好、无污染等优点。在等离子体应用方面，脉冲源能够在大气压下产生常温等离子体，该等离子体可以应用于伤口消毒，具有很好的医疗价值。
3.固态脉冲源采用半导体开关器件，半导体开关器件具有工作重复频率高、使用寿命长、体积较小、效率高、可靠性高、易于控制、可以主动关断等优点。随着脉冲功率技术的深入发展，脉冲电压等级需求的不断提升，marx型固态脉冲源的级数需不断提升，开关所需数量不断增加、系统体积、成本也随之增加。且同等电压等级下的双极性脉冲源其需要的开关数量是单极性脉冲源的二倍以上。再者，固态脉冲源需解决固态开关的高电位悬浮隔离驱动问题。目前，开关的隔离驱动方案采用商用隔离电源模块供电加光纤隔离驱动模式，其高电位悬浮依靠隔离电源模块的隔离电压能力实现。现如今采用的隔离电源模块其隔离能力普遍低于15kv，难以满足高输出电压参数需求。
4.固态marx型电路拓扑在脉冲发生器的研制中被广泛采用。理论上，其输出电压能力可随着级数的叠加而提升。然而受限于前端固态开关隔离驱动的发展，其输出电压普遍较低。同时，级数的叠加使得装置采用的固态开关数量增加，系统的可靠性降低，成本大大提升。若脉冲源输出极性为双极性，又在同等电压登记下增加了一倍以上数量的固态开关，这又进一步降低了装置的可靠性，增加了装置成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种极性可调型高压脉冲发生器，包括：控制信号产生模块、光电隔离驱动模块、固态开关驱动模块、marx电路低压形成模块、继电器极性切换模块、脉冲变压器升压单元模块和负载。
6.所述控制信号产生模块用于生成开关控制信号。
7.所述光电隔离驱动模块用于消除固态开关的高电位悬浮。
8.所述固态开关驱动模块接收到开关控制信号后，控制marx电路低压形成模块中各开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。
9.所述marx电路低压形成模块用于为脉冲变压器升压单元模块提供低压输出信号。
10.所述marx电路低压形成模块包括n个级联的marx电路。
11.所述继电器极性切换模块用于切换脉冲变压器升压单元模块输出的高压脉冲极
性。
12.所述脉冲变压器升压单元模块将前端的低压输出信号转换为高压，并输入负载。
13.所述极性可调型高压脉冲发生器的电路拓扑如下所示：
14.记高压直流电源dc1正极所在的一端为a端，负极所在的一端为b端，b端接地。
15.所述开关s
1i
和s
2i
均采用mosfet开关，且栅极均悬空，i＝1，2，
…
，n。
16.所述a端串联隔离二极管d1的阳极，隔离二极管d1的阴极串联主开关s
11
的漏极，主开关s
11
的源极串联旁路开关s
21
的漏极，旁路开关s
21
的源极连接至b端。
17.所述a端串联隔离二极管d1的阳极，隔离二极管d1的阴极串联储能电容c1后连接至b端。
18.所述隔离二极管dm的阳极串联主开关s
1m-1
的漏极，隔离二极管dm的阴极串联储能电容cm后连接至主开关s
1m-1
的源极，m＝2，3，
…
，n。
19.所述隔离二极管dm的阳极串联主开关s
1m-1
的漏极，隔离二极管dm的阴极串联主开关s
1m
的漏极，主开关s
1m
的源极串联旁路开关s
2m
的漏极，旁路开关s
2m
的源极连接至主开关s
1m-1
的源极。
20.记高频继电器ds的四端为f端、g端、h端和i端。
21.所述f端连接至旁路开关s
2n
的漏极。
22.所述g端连接至b端。
23.所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、脉冲变压器初级绕组分布电容c
d1
后连接至i端。
24.所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、脉冲变压器励磁绕组lm后连接至i端。
25.所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、电感l1后连接至i端。
26.电感l2与电感l1分别为对应的初、次级绕组等效变比电感，记电感l2的一端为j端，另一端为k端。
27.所述j端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感l
s2
、脉冲变压器次级分布电容c
d2
后连接至k端。
28.所述j端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感l
s2
、负载r
l
后连接至k端。
29.进一步，所述极性可调型高压脉冲发生器还包括上位机。
30.所述上位机用于输入电路参数。
31.进一步，所述极性可调型高压脉冲发生器输出的高压脉冲的电压幅值、脉宽、频率均可调。
32.进一步，所述高压直流电源dc1的输出电压为vdc。
33.所述脉冲变压器对电感l1的低压脉冲进行升压，进而在负载r
l
端输出赋值为vo＝n*n*v
dc
的高压脉冲。n为脉冲变压器的变比。
34.进一步，所述高压脉冲发生器输出的信号包括正极性、负极性和双极性高压脉冲信号。
35.进一步，当高频继电器ds的f端和h端相连通。g端和i端相连通，且二极管di均断开，主开关s
1i
均导通，旁路开关s
2i
均断开时，高压脉冲发生器输出的信号为正极性脉冲。
36.进一步，当高频继电器ds的f端和i端相连通。g端和h端相连通，且二极管di均断开，主开关s
1i
均导通，旁路开关s
2i
均断开时，高压脉冲发生器输出的信号为负极性脉冲。
37.进一步，当二极管di、旁路开关s
2i
均导通，且主开关s
1i
均断开时，高压脉冲发生器的状态为充电状态。
38.本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了基于marx型电路组合脉冲变压器的极性可调型高压脉冲源。仅需要少量级数的marx电路作为前端的低压输出单元，利用脉冲变压器升压实现高压输出。同时，低压输出单元的初级绕组采用高频继电器与marx电路连接。通过控制继电器切换，实现高压脉冲发生器的极性可调，本发明提出的高压脉冲发生器可实现高幅值单一正极性、单一负极性、双极性等电压输出。
39.本发明的有益效果包括：
40.1、本发明通过少量级数的marx电路级联脉冲变压器实现高压输出，提升装置可靠性，降低成本。固态开关及脉冲变压器组合实现高幅值双极性脉冲变压器输出。
41.2、本发明的低压发生单元的变压器初级绕组采用高频继电器与marx主电路连接，通过控制继电器切换实现极性可调输出，大大减少装置的固态开关数量，提升系统可靠性，降低成本。
42.3、本发明提出的高压脉冲发生器可灵活调节输出电压，输出脉冲宽度，输出频率。
附图说明
43.图1为本发明各个模块组成；
44.图2高压脉冲源电路原理；
45.图3阳极性工作过程；
46.图4阴极性工作过程。
具体实施方式
47.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
48.实施例1：
49.参见图1至图4，一种极性可调型高压脉冲发生器，包括：控制信号产生模块、光电隔离驱动模块、固态开关驱动模块、marx电路低压形成模块、继电器极性切换模块、脉冲变压器升压单元模块和负载。
50.所述控制信号产生模块用于生成开关控制信号。
51.所述光电隔离驱动模块用于消除固态开关的高电位悬浮。
52.所述固态开关驱动模块接收到开关控制信号后，控制marx电路低压形成模块中各开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。
53.所述marx电路低压形成模块用于为脉冲变压器升压单元模块提供低压输出信号。
54.所述marx电路低压形成模块包括n个级联的marx电路。
55.所述继电器极性切换模块用于切换脉冲变压器升压单元模块输出的高压脉冲极性。
56.所述脉冲变压器升压单元模块将前端的低压输出信号转换为高压，并输入负载。
57.所述极性可调型高压脉冲发生器的电路拓扑如下所示：
58.记高压直流电源dc1正极所在的一端为a端，负极所在的一端为b端，b端接地。
59.所述开关s
1i
和s
2i
均采用mosfet开关，且栅极均悬空，i＝1，2，
…
，n。
60.所述a端串联隔离二极管d1的阳极，隔离二极管d1的阴极串联主开关s
11
的漏极，主开关s
11
的源极串联旁路开关s
21
的漏极，旁路开关s
21
的源极连接至b端。
61.所述a端串联隔离二极管d1的阳极，隔离二极管d1的阴极串联储能电容c1后连接至b端。
62.所述隔离二极管dm的阳极串联主开关s
1m-1
的漏极，隔离二极管dm的阴极串联储能电容cm后连接至主开关s
1m-1
的源极，m＝2，3，
…
，n。
63.所述隔离二极管dm的阳极串联主开关s
1m-1
的漏极，隔离二极管dm的阴极串联主开关s
1m
的漏极，主开关s
1m
的源极串联旁路开关s
2m
的漏极，旁路开关s
2m
的源极连接至主开关s
1m-1
的源极。
64.记高频继电器ds的四端为f端、g端、h端和i端。
65.所述f端连接至旁路开关s
2n
的漏极。
66.所述g端连接至b端。
67.所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、脉冲变压器初级绕组分布电容c
d1
后连接至i端。
68.所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、脉冲变压器励磁绕组lm后连接至i端。
69.所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、电感l1后连接至i端。
70.电感l2与电感l1分别为对应的初、次级绕组等效变比电感，记电感l2的一端为j端，另一端为k端。
71.所述j端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感l
s2
、脉冲变压器次级分布电容c
d2
后连接至k端。
72.所述j端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感l
s2
、负载r
l
后连接至k端。
73.所述光电隔离驱动模块包括：隔离二极管dn。
74.所述固态开关驱动模块包括：主开关s
1n
、旁路开关s
2n
。
75.所述marx电路低压形成模块包括：隔离二极管dn、主开关s
1n
、旁路开关s
2n
、储能电容cn。
76.所述继电器极性切换模块包括：高频继电器ds。
77.所述脉冲变压器升压单元模块包括：脉冲变压器初级漏感l
s1
、脉冲变压器初级绕组分布电容c
d1
、脉冲变压器励磁绕组lm、电感l2、电感l1、脉冲变压器次级绕组漏感l
s2
、脉冲变压器次级分布电容c
d2
。
78.所述极性可调型高压脉冲发生器还包括上位机。
79.所述上位机用于输入电路参数，输入参数的类型包括：电压、电流。
80.所述极性可调型高压脉冲发生器输出的高压脉冲的电压幅值、脉宽、频率均可调。
81.所述高压直流电源dc1的输出电压为vdc。
82.所述脉冲变压器对电感l1的低压脉冲进行升压，进而在负载r
l
端输出赋值为vo＝n*n*v
dc
的高压脉冲。n为脉冲变压器的变比。
83.所述高压脉冲发生器输出的信号包括正极性、负极性和双极性高压脉冲信号。
84.当高频继电器ds的f端和h端相连通。g端和i端相连通，且二极管di均断开，主开关s1i
均导通，旁路开关s
2i
均断开时，高压脉冲发生器输出的信号为正极性脉冲。
85.当高频继电器ds的f端和i端相连通。g端和h端相连通，且二极管di均断开，主开关s
1i
均导通，旁路开关s
2i
均断开时，高压脉冲发生器输出的信号为负极性脉冲。
86.当二极管di、旁路开关s
2i
均导通，且主开关s
1i
均断开时，高压脉冲发生器的状态为充电状态。
87.实施例2：
88.参见图1至图4，一种极性可调型高压脉冲发生器，包括：控制信号产生模块、光电隔离驱动模块、固态开关驱动模块、marx电路低压形成模块、继电器极性切换模块、脉冲变压器升压单元模块和负载。
89.所述控制信号产生模块用于生成开关控制信号。
90.所述光电隔离驱动模块用于消除固态开关的高电位悬浮。
91.所述固态开关驱动模块接收到开关控制信号后，控制marx电路低压形成模块中各开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。
92.所述marx电路低压形成模块用于为脉冲变压器升压单元模块提供低压输出信号。
93.所述marx电路低压形成模块包括n个级联的marx电路。
94.所述继电器极性切换模块用于切换脉冲变压器升压单元模块输出的高压脉冲极性。
95.所述脉冲变压器升压单元模块将前端的低压输出信号转换为高压，并输入负载。
96.所述极性可调型高压脉冲发生器的电路拓扑如下所示：
97.记高压直流电源dc1正极所在的一端为a端，负极所在的一端为b端，b端接地。
98.所述开关s
1i
和s
2i
均采用mosfet开关，且栅极均悬空，i＝1，2，
…
，n。
99.所述a端串联隔离二极管d1的阳极，隔离二极管d1的阴极串联主开关s
11
的漏极，主开关s
11
的源极串联旁路开关s
21
的漏极，旁路开关s
21
的源极连接至b端。
100.所述a端串联隔离二极管d1的阳极，隔离二极管d1的阴极串联储能电容c1后连接至b端。
101.所述隔离二极管dm的阳极串联主开关s
1m-1
的漏极，隔离二极管dm的阴极串联储能电容cm后连接至主开关s
1m-1
的源极，m＝2，3，
…
，n。
102.所述隔离二极管dm的阳极串联主开关s
1m-1
的漏极，隔离二极管dm的阴极串联主开关s
1m
的漏极，主开关s
1m
的源极串联旁路开关s
2m
的漏极，旁路开关s
2m
的源极连接至主开关s
1m-1
的源极。
103.记高频继电器ds的四端为f端、g端、h端和i端。
104.所述f端连接至旁路开关s
2n
的漏极。
105.所述g端连接至b端。
106.所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、脉冲变压器初级绕组分布电容c
d1
后连接至i端。
107.所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、脉冲变压器励磁绕组lm后连接至i端。
108.所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、电感l1后连接至i端。
109.电感l2与电感l1分别为对应的初、次级绕组等效变比电感，记电感l2的一端为j端，另一端为k端。
110.所述j端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感l
s2
、脉冲变压器次级分布电容c
d2
后连接至k端。
111.所述j端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感l
s2
、负载r
l
后连接至k端。
112.所述光电隔离驱动模块包括：隔离二极管dn。
113.所述固态开关驱动模块包括：主开关s
1n
、旁路开关s
2n
。
114.所述marx电路低压形成模块包括：隔离二极管dn、主开关s
1n
、旁路开关s
2n
、储能电容cn。
115.所述继电器极性切换模块包括：高频继电器ds。
116.所述脉冲变压器升压单元模块包括：脉冲变压器初级漏感l
s1
、脉冲变压器初级绕组分布电容c
d1
、脉冲变压器励磁绕组lm、电感l2、电感l1、脉冲变压器次级绕组漏感l
s2
、脉冲变压器次级分布电容c
d2
。
117.实施例3：
118.一种极性可调型高压脉冲发生器，主要见实施例2，所述极性可调型高压脉冲发生器还包括上位机。
119.所述上位机用于输入电路参数，输入参数的类型包括：电压、电流。
120.实施例4：
121.一种极性可调型高压脉冲发生器，主要见实施例2，所述极性可调型高压脉冲发生器输出的高压脉冲的电压幅值、脉宽、频率均可调。
122.实施例5：
123.一种极性可调型高压脉冲发生器，主要见实施例2，所述高压直流电源dc1的输出电压为vdc。
124.所述脉冲变压器对电感l1的低压脉冲进行升压，进而在负载r
l
端输出赋值为vo＝n*n*v
dc
的高压脉冲。n为脉冲变压器的变比。
125.实施例6：
126.一种极性可调型高压脉冲发生器，主要见实施例2，所述高压脉冲发生器输出的信号包括正极性、负极性和双极性高压脉冲信号。
127.实施例7：
128.一种极性可调型高压脉冲发生器，主要见实施例6，当高频继电器ds的f端和h端相连通。g端和i端相连通，且二极管di均断开，主开关s
1i
均导通，旁路开关s
2i
均断开时，高压脉冲发生器输出的信号为正极性脉冲。
129.实施例8：
130.一种极性可调型高压脉冲发生器，主要见实施例6，当高频继电器ds的f端和i端相连通。g端和h端相连通，且二极管di均断开，主开关s
1i
均导通，旁路开关s
2i
均断开时，高压脉冲发生器输出的信号为负极性脉冲。
131.实施例9：
132.一种极性可调型高压脉冲发生器，主要见实施例6，当二极管di、旁路开关s
2i
均导通，且主开关s
1i
均断开时，高压脉冲发生器的状态为充电状态。
133.实施例10：
134.一种极性可调型高压脉冲发生器，内容包括：本发明专利的模块构成如图1所示，
高压脉冲源的主电路拓扑如图2所示。
135.前端脉冲形成单元的级数为n。dc1为高压直流电源，输出电压为vdc，dn为隔离二极管，cn为储能电容，s
1n
为主开关，s
2n
为旁路开关，ds为高频继电器，l
s1
为脉冲变压器初级漏感；c
d1
为脉冲变压器初级绕组分布电容；lm为脉冲变压器励磁绕组；l1，l2为初次级绕组等效变比的电感；l
s2
为脉冲变压器次级绕组漏感；c
d2
为脉冲变压器次级分布电容；r
l
为负载。脉冲变压器的变比为n，高压脉冲源的最终输出幅值为vo＝n*n*vdc。
136.通过控制高频继电器的切换，使得高压脉冲源的输出为单一阳极性、单一阴极性或双极性。其阳极性工作过程如图3所示，阴极性工作过程如图4所示。
137.综上，本发明通过marx型电路级联脉冲变压器，并通过高频继电器实现输出的极性切换。该发生器仅需少量级数的marx电路即可实现高幅值输出，极性可调。此外脉冲发生器的电压、脉宽、频率均灵活可调。

技术特征：
1.一种极性可调型高压脉冲发生器，其特征在于，包括：控制信号产生模块、光电隔离驱动模块、固态开关驱动模块、marx电路低压形成模块、继电器极性切换模块、脉冲变压器升压单元模块和负载。所述控制信号产生模块用于生成开关控制信号；所述光电隔离驱动模块用于消除固态开关的高电位悬浮；所述固态开关驱动模块接收到开关控制信号后，控制marx电路低压形成模块中各开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。所述marx电路低压形成模块用于为脉冲变压器升压单元模块提供低压输出信号；所述marx电路低压形成模块包括n个级联的marx电路；所述继电器极性切换模块用于切换脉冲变压器升压单元模块输出的高压脉冲极性；所述脉冲变压器升压单元模块将前端的低压输出信号转换为高压，并输入负载；所述极性可调型高压脉冲发生器的电路拓扑如下所示：记高压直流电源dc1正极所在的一端为a端，负极所在的一端为b端，b端接地；所述开关s
1i
和s
2i
均采用mosfet开关，且栅极均悬空，i＝1，2，
…
，n；所述a端串联隔离二极管d1的阳极，隔离二极管d1的阴极串联主开关s
11
的漏极，主开关s
11
的源极串联旁路开关s
21
的漏极，旁路开关s
21
的源极连接至b端；所述a端串联隔离二极管d1的阳极，隔离二极管d1的阴极串联储能电容c1后连接至b端；所述隔离二极管d
m
的阳极串联主开关s
1m-1
的漏极，隔离二极管d
m
的阴极串联储能电容c
m
后连接至主开关s
1m-1
的源极，m＝2，3，
…
，n；所述隔离二极管d
m
的阴极串联主开关s
1m
的漏极，主开关s
1m
的源极串联旁路开关s
2m
的漏极，旁路开关s
2m
的源极连接至主开关s
1m-1
的源极；记高频继电器ds的四端为f端、g端、h端和i端；所述f端连接至旁路开关s
2n
的漏极；所述g端连接至b端；所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、脉冲变压器初级绕组分布电容c
d1
后连接至i端；所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、脉冲变压器励磁绕组l
m
后连接至i端；所述h端依次串联脉冲变压器初级漏感l
s1
、电感l1后连接至i端；电感l2与电感l1分别为对应的初、次级绕组等效变比电感，记电感l2的一端为j端，另一端为k端；所述j端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感l
s2
、脉冲变压器次级分布电容c
d2
后连接至k端；所述j端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感l
s2
、负载r
l
后连接至k端。2.根据权利要求1所述的一种极性可调型高压脉冲发生器，其特征在于，所述极性可调型高压脉冲发生器还包括上位机；所述上位机用于输入电路参数。3.根据权利要求1所述的一种极性可调型高压脉冲发生器，其特征在于，所述极性可调型高压脉冲发生器输出的高压脉冲的电压幅值、脉宽、频率均可调。4.根据权利要求1所述的一种极性可调型高压脉冲发生器，其特征在于，所述高压直流
电源dc1的输出电压为vdc；所述脉冲变压器对电感l1的低压脉冲进行升压，进而在负载r
l
端输出赋值为vo＝n*n*v
dc
的高压脉冲；n为脉冲变压器的变比。5.根据权利要求1所述的一种极性可调型高压脉冲发生器，其特征在于，所述高压脉冲发生器输出的信号包括正极性、负极性和双极性高压脉冲信号。6.根据权利要求5所述的一种极性可调型高压脉冲发生器，其特征在于，当高频继电器ds的f端和h端相连通；g端和i端相连通，且二极管d
i
均断开，主开关s
1i
均导通，旁路开关s
2i
均断开时，高压脉冲发生器输出的信号为正极性脉冲。7.根据权利要求5所述的一种极性可调型高压脉冲发生器，其特征在于，当高频继电器ds的f端和i端相连通；g端和h端相连通，且二极管d
i
均断开，主开关s
1i
均导通，旁路开关s
2i
均断开时，高压脉冲发生器输出的信号为负极性脉冲。8.根据权利要求5所述的一种极性可调型高压脉冲发生器，其特征在于，当二极管d
i
、旁路开关s
2i
均导通，且主开关s
1i
均断开时，高压脉冲发生器的状态为充电状态。

技术总结
一种极性可调型高压脉冲发生器，包括：控制信号产生模块、光电隔离驱动模块、固态开关驱动模块、Marx电路低压形成模块、继电器极性切换模块、脉冲变压器升压单元模块和负载；本发明提出了基于Marx型电路组合脉冲变压器的极性可调型高压脉冲源。仅需要少量级数的Marx电路作为前端的低压输出单元，利用脉冲变压器升压实现高压输出。同时，低压输出单元的初级绕组采用高频继电器与Marx电路连接。通过控制继电器切换，实现高压脉冲发生器的极性可调，本发明提出的高压脉冲发生器可实现高幅值单一正极性、单一负极性、双极性等电压输出。双极性等电压输出。双极性等电压输出。


技术研发人员：董守龙 姚陈果 余亮
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.12.19
技术公布日：2023/7/13