一种双极性高压脉冲电源的控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双极性高压脉冲电源的控制系统及方法，本发明专利技术通过高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路中的控制模块来控制固体开关组模块中的开关时序，得到正/负脉冲上升时间和下降时间、一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲电压、正/负脉冲宽度、脉冲频率和脉冲数可以灵活调节的双极性高压脉冲电源。本发明专利技术实现的参数可调双极性脉冲对研究纳秒脉冲放电的机理和应用有非常重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种双极性高压脉冲电源的控制系统及方法
本专利技术属于双极性脉冲调控领域，具体涉及一种双极性高压脉冲电源的控制系统及方法。
技术介绍
高压脉冲电源驱动的气体放电在材料科学、能源与环境、生物医学、军事与空间科学等领域具有重要和广泛的应用前景。在对大气压脉冲介质阻挡放电的模拟研究中发现[1]，双极性脉冲放电过程中，正半周期放电与单极性的正脉冲基本相同，下降沿第二次放电略低于第一次放电；负半周期放电与单极性负脉冲不同，可以在较低的电场中发生，因为正脉冲放电和负脉冲放电之间存在相互影响，正半周期放电产生大量的带电粒子，在负半周期放电开始时没有完全消失掉，使得整个放电空间的电子密度很高，因此不需要那么高的负电压。国内外现有的纳秒脉冲源主要在纳秒脉冲频率和幅度上可调，无法使脉冲的上升/下降时间、频率、幅度、占空比、脉冲数、以及波形形状等全部参数非相关可控，负载特性匹配差，使放电结果受控困难，难以获得纳秒脉冲放电的系统性的放电特性和规律，对纳秒脉冲放电机理的解释难以形成共识。比如在能源化工领域，脉冲源和负载匹配困难，在航空航天领域，无法得到连续的流动和喘流控制，在生物医学领域，无法精准控制放电产生的活性粒子的剂量。因此，参数可调的纳秒脉冲源已成为纳秒脉冲放电等离子在国防和民用领域发展和应用的瓶颈。[1]叶换换.针板电极下大气压脉冲介质阻挡放电模拟研究[D].大连理工大学,2014.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双极性高压脉冲电源的控制系统及方法，用于解决现有技术的问题，本专利技术能够得到正/负脉冲上升时间和下降时间、一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲电压、正/负脉冲宽度、脉冲频率和脉冲数可以灵活调节的双极性高压脉冲电源。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种双极性高压脉冲电源的控制系统，包括串联连接的高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路，其中，高压正脉冲产生电路由一系列高压正脉冲模块组成，高压负脉冲产生电路由一系列高压负脉冲模块组成，所述高压正脉冲模块包括正脉冲控制模块、正脉冲开关模块以及正脉冲储能模块，正脉冲控制模块通过控制正脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定正脉冲储能模块充电或放电；所述高压负脉冲模块包括负脉冲控制模块、负脉冲开关模块以及负脉冲储能模块，负脉冲控制模块通过控制负脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定负脉冲储能模块充电或放电；所述产生双极性高压脉冲的装置还包括用于给正脉冲储能模块和负脉冲储能模块提供高压直流输入的高压直流电源模块，且高压直流电源模块与正脉冲储能模块及负脉冲储能模块之间相互隔离，以及用于给正脉冲控制模块、负脉冲控制模块、正脉冲开关模块、负脉冲开关模块以及高压直流电源模块提供工作电压的低压直流电源模块，还包括参数输入模块，所述参数输入模块与正脉冲控制模块和负脉冲控制模块连接，所述正脉冲控制模块和负脉冲控制模块用于调节双极性高压脉冲的参数。进一步地，产生双极性脉冲的一个工作周期包括四个阶段，分别是：①高压正脉冲模块和高压负脉冲模块均处于充电状态，电路输出零电平；②高压正脉冲模块处于放电状态，高压负脉冲模块处于充电状态，电路输出高压正脉冲；③高压正脉冲模块和高压负脉冲模块均处于充电状态，电路输出零电平；④高压负脉冲模块处于放电状态，高压正脉冲模块处于充电状态，电路输出高压负脉冲；所述四个阶段能够任意组合，但是，阶段②和④之间必须至少间隔阶段①或阶段③，控制阶段②和阶段④之间时间的长短，即能够调节一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔。进一步地，双极性高压脉冲的参数包括双极性高压脉冲的频率、正/负脉冲宽度、一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲的上升时间和下降时间、正/负脉冲的电压幅值和输出的脉冲数，且双极性高压脉冲的参数能够连续调节。进一步地，正脉冲的上升时间和下降时间的调节方法具体为：正脉冲控制模块根据参数输入模块输入的正脉冲的上升时间和下降时间参数，产生特定的正脉冲控制信号，h级高压正脉冲产生电路的正脉冲控制模块给h个开关组分配不同的导通和关断的开始时间、持续时间和结束时间，其中h＝1，2，3，4，…，2m-1，h个开关组按一定时序依次导通或关断，得到具有不同上升时间和下降时间的正脉冲；负脉冲的上升时间和下降时间的调节方法具体为：负脉冲控制模块根据参数输入模块输入的负脉冲的上升时间和下降时间参数，产生特定的负脉冲控制信号，j级高压负脉冲产生电路的负脉冲控制模块给j个开关组分配不同的导通和关断的开始时间、持续时间和结束时间，其中j＝1，2，3，4，…，2m-1，且h+j＝2m，j个开关组按一定时序依次导通或关断，得到具有不同上升时间和下降时间的负脉冲。进一步地，正脉冲的电压幅值的调节方法具体为：在外加高压直流电源时，正脉冲控制模块根据参数输入模块输入的正脉冲的电压幅值产生特定的控制信号，控制高压直流电源模块输出一定的电压，达到正脉冲所需的电压幅值；负脉冲的电压幅值的调节方法具体为：在外加高压直流电源时，负脉冲控制模块根据参数输入模块输入的负脉冲的电压幅值产生特定的控制信号，控制高压直流电源模块输出一定的电压，达到负脉冲所需的电压幅值。进一步地，双极性高压脉冲的频率的调节方法为：正脉冲控制模块和负脉冲控制模块根据参数输入模块输入的双极性脉冲频率，产生不同频率的控制信号，分别控制高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路中的开关组，使双极性高压脉冲按照特定的频率持续产生。进一步地，正脉冲宽度的调节方法为：在高压正脉冲产生电路中，所有工作的开关组都完全导通后，维持相同的导通时间，再开始按照一定的顺序关断，使高压正脉冲具有所需的脉冲宽度；负脉冲宽度的调节方法为：在高压负脉冲产生电路中，所有工作的开关组都完全导通后，维持相同的导通时间，再开始按照一定的顺序关断，从而使高压负脉冲具有所需的脉冲宽度。进一步地，输出的脉冲数的调节方法具体为：如果参数输入模块设置有确定的脉冲数，当正脉冲控制模块和负脉冲控制模块中的计数器均计到目标脉冲数时，正脉冲控制模块和负脉冲控制模块分别控制高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路停止产生脉冲，从而输出所需的脉冲数；如果参数输入模块未设置脉冲数，或者设置的脉冲数超过允许的范围，电路则输出无穷多个脉冲。进一步地，正脉冲宽度、正脉冲的上升时间和下降时间以及正脉冲的电压幅值通过正脉冲控制模块改变正脉冲开关模块中开关的工作状态来调节；负脉冲宽度、负脉冲的上升时间和下降时间以及负脉冲的电压幅值通过负脉冲控制模块改变负脉冲开关模块中开关的工作状态来调节。进一步地，正脉冲控制模块和负脉冲控制模块为现场可编程逻辑门阵列、专用集成电路、复杂可编程逻辑器件、单片机、数字信号处理芯片、ARM处理器或计算机。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：根据本专利技术所述的双极性高压脉冲电源的控制系统及方法，每一级的固体开关模块均可单独控制，通过可编程的控制模块精确控制和补偿MOSFET器件之间的导通和关断时间差异，以及不同级MOSFET的开关时序，可实现输出正/负脉冲上升/下降时间以及一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲电压、正/负脉冲宽度、脉冲频率和脉冲数等其它参数的连续调节，以及电路的安全可靠工作，满足不同脉冲放电研究所需。此外，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双极性高压脉冲电源的控制系统，其特征在于，包括串联连接的高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路，其中，高压正脉冲产生电路由一系列高压正脉冲模块组成，高压负脉冲产生电路由一系列高压负脉冲模块组成，所述高压正脉冲模块包括正脉冲控制模块、正脉冲开关模块以及正脉冲储能模块，正脉冲控制模块通过控制正脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定正脉冲储能模块充电或放电；所述高压负脉冲模块包括负脉冲控制模块、负脉冲开关模块以及负脉冲储能模块，负脉冲控制模块通过控制负脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定负脉冲储能模块充电或放电；所述产生双极性高压脉冲的装置还包括用于给正脉冲储能模块和负脉冲储能模块提供高压直流输入的高压直流电源模块，且高压直流电源模块与正脉冲储能模块及负脉冲储能模块之间相互隔离，以及用于给正脉冲控制模块、负脉冲控制模块、正脉冲开关模块、负脉冲开关模块以及高压直流电源模块提供工作电压的低压直流电源模块，还包括参数输入模块，所述参数输入模块与正脉冲控制模块和负脉冲控制模块连接，所述正脉冲控制模块和负脉冲控制模块用于调节双极性高压脉冲的参数。

【技术特征摘要】
1.一种双极性高压脉冲电源的控制系统，其特征在于，包括串联连接的高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路，其中，高压正脉冲产生电路由一系列高压正脉冲模块组成，高压负脉冲产生电路由一系列高压负脉冲模块组成，所述高压正脉冲模块包括正脉冲控制模块、正脉冲开关模块以及正脉冲储能模块，正脉冲控制模块通过控制正脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定正脉冲储能模块充电或放电；所述高压负脉冲模块包括负脉冲控制模块、负脉冲开关模块以及负脉冲储能模块，负脉冲控制模块通过控制负脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定负脉冲储能模块充电或放电；所述产生双极性高压脉冲的装置还包括用于给正脉冲储能模块和负脉冲储能模块提供高压直流输入的高压直流电源模块，且高压直流电源模块与正脉冲储能模块及负脉冲储能模块之间相互隔离，以及用于给正脉冲控制模块、负脉冲控制模块、正脉冲开关模块、负脉冲开关模块以及高压直流电源模块提供工作电压的低压直流电源模块，还包括参数输入模块，所述参数输入模块与正脉冲控制模块和负脉冲控制模块连接，所述正脉冲控制模块和负脉冲控制模块用于调节双极性高压脉冲的参数。2.根据权利要求1所述系统的双极性高压脉冲电源的控制方法，其特征在于，产生双极性脉冲的一个工作周期包括四个阶段，分别是：①高压正脉冲模块和高压负脉冲模块均处于充电状态，电路输出零电平；②高压正脉冲模块处于放电状态，高压负脉冲模块处于充电状态，电路输出高压正脉冲；③高压正脉冲模块和高压负脉冲模块均处于充电状态，电路输出零电平；④高压负脉冲模块处于放电状态，高压正脉冲模块处于充电状态，电路输出高压负脉冲；所述四个阶段能够任意组合，但是，阶段②和④之间必须至少间隔阶段①或阶段③，控制阶段②和阶段④之间时间的长短，即能够调节一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔。3.根据权利要求2所述的双极性高压脉冲电源的控制方法，其特征在于，双极性高压脉冲的参数包括双极性高压脉冲的频率、正/负脉冲宽度、一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲的上升时间和下降时间、正/负脉冲的电压幅值和输出的脉冲数，且双极性高压脉冲的参数能够连续调节。4.根据权利要求3所述的双极性高压脉冲电源的控制方法，其特征在于，正脉冲的上升时间和下降时间的调节方法具体为：正脉冲控制模块根据参数输入模块输入的正脉冲的上升时间和下降时间参数，产生特定的正脉冲控制信号，h级高压正脉冲产生电路的正脉冲控制模块给h个开关组分配不同的导通和关断的开始时间、持续时间和结束时间，其中h＝1，2，3，4，…，2m-1，h个开关组按一定时序依次导通或关断，得到具有不同上升时间和下降时间的正脉冲；负脉冲的上升时间和下降时间的调节方法具体为：负脉冲控制模块根据参数输入模块输入的负脉冲的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小宁，刘颖，樊瑞，李晓焕，张军，屠震涛，向红丽，
申请(专利权)人：西安交通大学，西安灵枫源电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61