一种复合模式固态脉冲源制造技术

本发明专利技术公开一种复合模式固态脉冲源，包括电源系统、控制系统、信号转换系统和高压形成系统。其中高压形成系统包括若干级，每一级包括Marx电路和LTD电路。所述Marx电路接入电源。所述控制信号通过信号转换系统注入并驱动Marx电路和LTD电路。所述LTD电路等效于变压器。同一级中，Marx电路的输出端接入LTD电路的一次侧。每一级的LTD电路的二次侧被依次串联。本发明专利技术结合了Marx电路和LTD电路各自的优点，在输出脉冲的电压和电流上面能够达到一个较好的平衡，使其应用范围更广。脉冲源可采用较低的供电电压，通过Marx电路和LTD电路的电压叠加后，得到较高的输出电压峰值。通过灵活的驱动控制方式，还可实现输出幅值可调、重复频率可调、输出脉宽可调、输出波形可调等功能。

【技术实现步骤摘要】
一种复合模式固态脉冲源
本专利技术属于电气工程高压脉冲功率领域，具体涉及一种新颖复合模式固态脉冲源。
技术介绍
脉冲发生器的基本原理都是采用将长时间储存起来的能量在较短的时间内或者较小的空间内释放出来，然后达到产生脉冲高电压、脉冲大电流的目的。目前主要的产生高压脉冲的电路主要有Marx拓扑结构的电路、LTD结构的电路、传输线结构的电路、磁压缩结构的电路等电路拓扑结构，每一种电路都有自己的优点和缺点。Marx电路采用“并联充电、串联放电”的主体思想，其适合于产生高电压脉冲，但是由于Marx电路的元件在放电的时候是采用串联的形式，其总的等效电容随着串联级数的增加而成反比例减小，所以其难以用于产生较大的脉冲电流。LTD电路其基本的等效电路是一个1:1的变压器，系统由多个这样的电路串联产生高电压，由于其每一级电路能够并联很多的电容和开关器件，所以其能够产生比较大的脉冲电流，适合于需要较大电流的应用，但是由于其在每一级串联之后其效率会因为磁芯的损耗而导致效率降低，所以其难以产生较高电压的脉冲。复合模式脉冲源是位于Marx电路和LTD电路拓扑结构中间的一种新型拓扑结构，其输出电压、电流的参数调节范围更加灵活，能有效的利用Marx电路拓扑和LTD电路拓扑的优点。复合模式脉冲源可以广泛的应用到需要阻抗灵活调节的应用，如等离子体射流、脉冲生物电学等领域。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结合Marx电路和LTD电路的拓扑结构，吸取其各自电路的优点，在输出脉冲的电压和电流上面能够达到一个较好的平衡，使其应用范围更加大。其结合了Marx电路和LTD电路的新型复合模式的固态脉冲源，实现输出幅值可调、重复频率可调、输出脉宽可调、输出波形可调等功能。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种复合模式固态脉冲源，其特征在于:包括电源系统、控制系统、信号转换系统和高压形成系统。所述电源系统对其他系统供电。所述控制系统产生控制信号。所述信号转换系统接收控制系统将所述控制信号传递给高压形成系统，实现光电隔离。所述高压形成系统包括若干级，每一级包括Marx电路和LTD电路。所述Marx电路接入电源。所述控制信号通过信号转换系统注入并驱动Marx电路和LTD电路。所述LTD电路等效于变压器。同一级中，所述Marx电路的输出端接入LTD电路的一次侧。每一级的LTD电路的二次侧被依次串联。第一级和最后一级的LTD电路中，分别有一个未被串联的端子，这两个端子即为复合模式固态脉冲源的输出端。值得说明的是，本专利技术的复合模式脉冲源中的Marx电路结构是基于Marx电路的原理，其主要原理是多个电容器通过并联充电，然后控制开关器件的导通从而形成串联放电，从而输出高压脉冲的原理。本复合模式的脉冲源中的LTD电路的原理是一个1:1的脉冲变压器，该脉冲变压器的原边是等电位的、副边电压是相互叠加的，从而可以达到将各级电压相叠加的目的，达到高压输出的目的。工作人员可以通过计算机在控制软件系统中设置脉冲参数后就可以达到灵活控制脉冲输出的目的。进一步，所述控制系统包括计算机、单片机和FPGA控制模块。单片机解析计算机系统的发送来的控制信号，然后将该信号经过处理后转换为FPGA易于处理的参数传入到FPGA控制模块中，FPGA控制模块则根据传入的参数输出相应的控制信号波形。所述信号转换系统主要电光转换模块、光纤传输线路以及光电转换模块。所述控制系统中的FPGA控制模块发出的控制信号波形经过电光转换模块之后，成为与电信号相匹配的光信号，该光信号经过光纤传输线路传播到所述的光电转换模块，然后所述光信号经过光电转换模块之后转换成为相应的电信号。进一步，所述电源系统包括市电电源、以及由所述市电电源供电的高压直流供电模块、开关电源以及DC转DC的隔离供电模块I和DC转DC的隔离供电模块II。其中，市电电源直接的或者间接的给本系统需要供电的模块提供电能。市电电源直接给开关电源和计算机供电。开关电源输的直流电给高压直流供电模块、单片机、FPGA模块、DC转DC隔离供电模块I、DC转DC隔离供电模块II和电光转换模块进行供电。DC转DC的隔离供电模块II给光电转换模块进行供电。DC转DC的隔离供电模块I给触发电路进行供电。进一步，所述高压形成系统主要包含充电隔离电阻、Marx电路、LTD电路以及触发电路。所述电源系统中的高压直流供电模块的输出端连接到充电隔离电阻上，经过充电隔离电阻之后，高压直流电输入到Marx电路和LTD电路，给Marx电路和LTD电路的储能电容充电。高压形成系统中的触发电路将所述信号转换系统中的光电转换模块输出的电信号进行电压、电流放大之后连接到Marx电路和LTD电路中的固态半导体开关器件的控制极，用于控制固态开关按照一定的时序进行导通/关断。本专利技术的思路是采用在单级LTD电路中采取全固态Marx结构的方式，构成单板电路，然后在通过该Marx结构的单板电路组合成LTD电路，最后由多个LTD电路进行组装来构成脉冲源。本专利技术的电源系统由220V，50Hz市电电源、高压直流供电模块、开关电源、DC转DC隔离供电模块。所述的市电电源，通过导线与开关电源相连接，高压直流供电模块的输入端通过导线和开关电源的直流输出端相连接，所述的高压直流供电模块为输出最高电压幅值1000V、最大电流幅值40mA的高压直流供电模块，所述的高压直流供电模块的输出端通过导线与脉冲形成系统的充电隔离电阻串联后再与脉冲形成系统的Marx电路和LTD电路的输入端连接，用于为脉冲系统的Marx电路和LTD电路中的储能电容提供电能。所述的开关电源的输入端通过导线与所述的市电电源连接。所述的开关电源将220V交流电转换为直流电后，通过导线与所述的DC转DC隔离供电模块的输入端连接，所述的DC转DC隔离供电模块1为驱动芯片提供电能。所述的DC转DC隔离供电模块2为光电转换模块提供电能。采用隔离供电模块的目的是隔离Marx电路不同级之间的电压，从而防止不同电位直接相连导致的短路问题。采用隔离供电模块还可以起到将kV级别的强电和V级别的弱电之间进行隔离，防止高压信号对低压控制信号形成干扰。所述的FPGA控制模块的供电采用从开关电源引出的直流电进行供电。所述的电源系统为本专利技术专利提供安全、稳定、可靠的供电保障。所述的脉冲形成系统，包括充电隔离电阻、Marx电路、LTD电路以及触发电路。所述的充电隔离电阻的一端通过导线与所述电源系统的高压直流供电模块的输出端相连接，以起到限制充电电流和隔离在高压脉冲输出时的Marx电路和高压充电电源之间的电压差。所述电源系统中的Marx电路中的每一级包括储能电容、开关器件和其他隔离元件(如隔离二极管)。储能电容用于存储能量，其存储的能量和电容值成正比，和其电压值的平方成正比。MOSFET构成的全固态开关器件的栅极通过导线与触发电路的输出端相连接，所述触发电路的输入端通过导线与信号转换系统的光电转换模块的输出端相连接。所述控制系统包括计算、单片机、和FPGA控制模块。在计算机上面安装有采用常见的操作系统，并配备有与该复合固态脉冲源配套的软件。通过计算机上面的软件可以很方便的和FPGA控制电路互相通讯，达到安全操作、方便操作和灵活调节的目的。所述信号转换采用电光转换模块、光纤传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合模式固态脉冲源，其特征在于:包括电源系统(1)、控制系统(2)、信号转换系统(3)和高压形成系统(4)；所述电源系统(1)对其他系统供电；所述控制系统(2)产生所述控制信号；所述信号转换系统(3)接收控制系统(2)将所述控制信号传递给高压形成系统(4)，实现光电隔离；所述高压形成系统(4)包括若干级，每一级由Marx电路的LTD电路组成，输出脉冲电压的叠加同时通过Marx电路和LTD电路共同实现；所述Marx电路接入电源；所述控制信号通过信号转换系统(3)注入并驱动Marx电路和LTD电路；所述LTD电路等效于变压器；同一级中，所述Marx电路的输出端接入LTD电路的一次侧；每一级的LTD电路的二次侧被依次串联；第一级和最后一级的LTD电路中，分别有一个未被串联的端子，这两个端子即为复合模式固态脉冲源的输出端。

【技术特征摘要】
1.一种复合模式固态脉冲源，其特征在于:包括电源系统(1)、控制系统(2)、信号转换系统(3)和高压形成系统(4)；所述电源系统(1)对其他系统供电；所述控制系统(2)产生所述控制信号；所述信号转换系统(3)接收控制系统(2)将所述控制信号传递给高压形成系统(4)，实现光电隔离；所述高压形成系统(4)包括若干级，每一级由Marx电路的LTD电路组成，输出脉冲电压的叠加同时通过Marx电路和LTD电路共同实现；所述Marx电路接入电源；所述控制信号通过信号转换系统(3)注入并驱动Marx电路和LTD电路；所述LTD电路等效于变压器；同一级中，所述Marx电路的输出端接入LTD电路的一次侧；每一级的LTD电路的二次侧被依次串联；第一级和最后一级的LTD电路中，分别有一个未被串联的端子，这两个端子即为复合模式固态脉冲源的输出端。2.根据权利要求1所述的一种复合模式固态脉冲源，其特征在于：所述控制系统(2)包括计算机、单片机和FPGA控制模块。单片机解析计算机系统的发送来的控制信号，然后将该信号经过处理后转换为FPGA易于处理的参数传入到FPGA控制模块中，FPGA控制模块则根据传入的参数输出相应的控制信号波形。所述信号转换系统(3)主要包括电光转换模块、光纤传输线路以及光电转换模块。所述控制系统(2)中的FPGA控制模块发出的控制信号波形经过电光转换模块之后，成为与电信号相...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚陈果，董守龙，王昌金，谭坚文，赵亚军，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50