一种产生双极性高压脉冲的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种产生双极性高压脉冲的装置及方法，该装置由高压正脉冲模块和高压负脉冲模块级联而成，并且有多种连接方式。通过控制模块控制高压正脉冲模块和高压负脉冲模块中全部固体开关的导通和关断，决定高压直流电源模块是否对与开关组并联的储能电容进行充电，从而输出周期的、非周期的或者任意数目的双极性高压脉冲，这些双极性高压脉冲的幅值可以由高压正脉冲产生电路级数、高压负脉冲产生电路级数和高压直流电源的改变进行调节。

【技术实现步骤摘要】
一种产生双极性高压脉冲的装置和方法
本专利技术属于双极性高压脉冲领域，具体涉及一种产生双极性高压脉冲的装置和方法。
技术介绍
脉冲功率技术越来越广泛地应用到国防和民用工业等研究领域。现有的产生双极性高压脉冲的方法和电路主要采用以下方法实现：利用L-C脉冲成型网络产生的脉冲高压；利用脉冲电容储能、触发放电产生的脉冲高压；利用逆变，串联谐振来产生脉冲高压。这几种高压脉冲电源虽然能够产生较高的电压幅值，但脉冲波形得不到精确控制，重复频率低。除此之外，还有利用固体开关串联的半桥型电压逆变电路，但是该电路输出的电压幅值只能为输入高压直流电源的二分之一，直流两侧需两个电容器串联，控制两者电压的均衡。此外，还有利用半桥式Marx电路和H桥的级联方式产生双极性电路，但是这种电路的输出电压的最大幅值受固体开关最大耐压的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种产生双极性高压脉冲的装置和方法，用于解决现有技术的问题，本专利技术能够输出周期的、非周期的或者任意数目的双极性高压脉冲或者单极性的正/负高压脉冲，且本专利技术结构简单，能够得到稳定的且重复输出的双极性高压脉冲，具有非常广泛的应用领域。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种产生双极性高压脉冲的装置，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，所述高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路组成双极性高压脉冲产生电路，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。进一步地，所述正脉冲开关模块包括n级开关组，负脉冲开关模块包括k级开关组，且n≥1，k≥1，n+k＝2m，2m级开关组悬浮级联。进一步地，每级开关组包括高端固体开关K1和低端固体开关K2，高端固体开关K1和低端固体开关K2连接的节点为每级开关组的高压输出Vout，每级开关组的地端GND为低端固体开关K2的另一端，每级开关组的电源端Vp为高端固体开关K1的另一端。进一步地，在高压正脉冲产生电路中，高一级开关组SWn+1的地端GND和低一级开关组SWn的电源输出端Vout直接相连，其中n＝1，2，3，…，2m-1；在高压负脉冲产生电路中，高一级开关组SWk+1的电源端Vp和低一级开关组SWk的电源输出端Vout直接相连，其中k＝1，2，3，…，2m-1，且k≠n。进一步地，高端固体开关K1为一个开关或多个开关，且多个开关之间并联或串联连接；低端固体开关K2为一个开关或多个开关，且多个开关之间并联或串联连接。进一步地，每级开关组的高端固体开关K1和低端固体开关K2能够同时关闭，但不能同时导通。进一步地，双极性高压脉冲产生电路的前半部分由高压正脉冲模块组成，后半部分由高压负脉冲模块组成；或双极性高压脉冲产生电路的前半部分由高压负脉冲模块组成，后半部分由高压正脉冲模块组成；或双极性高压脉冲产生电路由高压正脉冲模块和高压负脉冲模块任意交错级联组成，即双极性高压脉冲产生电路的每一级为高压正脉冲模块或高压负脉冲模块，但是，至少有一级必须是和其它级是不一样的模块。进一步地，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通过变压器进行隔离或通过单向导通器件进行隔离；当采用单向导通器件进行隔离时，在高压正脉冲产生电路中，单向导通器件连接在高压直流电源模块的输出高端和正脉冲储能模块的输入高端之间；在高压负脉冲产生电路中，单向导通器件连接在高压直流电源模块的输出低端和负脉冲储能模块的输入低端之间。一种产生双极性高压脉冲的方法，包括以下步骤：步骤一：开启低压直流电源模块，为正脉冲控制模块、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；步骤二：正脉冲控制模块控制正脉冲开关模块中每个开关的导通或关断，负脉冲控制模块控制负脉冲开关模块中每个开关的导通或关断；步骤三：根据步骤二中正脉冲开关模块中每个开关的导通或关断，高压直流电源模块对正脉冲储能模块进行充电或放电；同时根据步骤二中负脉冲开关模块中每个开关的导通或关断，高压直流电源模块对负脉冲储能模块进行充电或放电；步骤四：每一级开关组的高压输出叠加，在双极性高压脉冲产生电路的最后一级，输出双极性高压脉冲。进一步地，步骤三具体为：在高压正脉冲产生电路中，当高端固体开关K1断开，低端固体开关K2导通，高压直流电源模块对正脉冲储能模块进行充电；当高端固体开关K1导通，低端固体开关K2断开，高压直流电源模块对正脉冲储能模块进行放电；在高压负脉冲产生电路中，当高端固体开关K1导通，低端固体开关K2断开，高压直流电源模块对负脉冲储能模块进行充电；当高端固体开关K1断开，低端固体开关K2导通，高压直流电源模块对负脉冲储能模块进行放电。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术电路中高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路直接串联，不需要其它电路进行隔离和控制正负脉冲的输出，输出的正负脉冲可以是任意脉冲数的交错输出，也可以是单独的正脉冲或负脉冲。本专利技术产生的不同周期中的双极性高压脉冲的幅值可以相同，也可以不相同，相邻两个输出正负脉冲的幅值可以相同，也可以不同，结构简单，能够得到稳定的且重复输出的双极性高压脉冲，具有非常广泛的应用领域。进一步地，本专利技术采用固体开关悬浮级联的方式产生双极性高压脉冲，电路结构简单，有多种拓扑结构，由高压正脉冲模块和高压负脉冲模块级联成的电路有多种连接方式，可以是电路前半部分由高压正脉冲模块组成，后半部分由高压负脉冲模块组成；也可以是电路前半部分由高压负脉冲模块组成，后半部分由高压正脉冲模块组成，还可以是由高压正脉冲模块和高压负脉冲模块任意交错级联组成。进一步地，本专利技术所述的双极性高压脉冲产生电路，采用固体开关取代传统Marx发生器充电回路中的电阻，解决了传统Marx发生器随着级数增加，充电时间变长，效率变低的问题；采用固体开关还解决了因为储能器件周围接地电阻放电而导致脉冲顶降的问题；此外，本专利技术所述的双极性高压脉冲产生电路在主脉冲结束后将负载短路，因此正/负脉冲能获得陡峭的下降沿，很好地解决了脉冲拖尾的现象。进一步地，电路中每个开关组需要一个高压直流电源输入，可以使用一个高压直流电源对所有开关组进行高压直流输入，也可以使用多个高压直流电源子模块对每个开关组进行高压直流输入，这些高压直流电源子模块的输出电压可以是相同的，也可以是不同的。高压直流电源子模块和对应的与开关模块并联的储能电容之间应该是相互隔离的，若隔离方式是单向器件隔离，那么单向器件连接在高压直流电源的输出端和储本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产生双极性高压脉冲的装置，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，所述高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路组成双极性高压脉冲产生电路，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。

【技术特征摘要】
1.一种产生双极性高压脉冲的装置，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，所述高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路组成双极性高压脉冲产生电路，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。2.根据权利要求书1所述的一种产生双极性高压脉冲的装置，其特征在于，所述正脉冲开关模块包括n级开关组，负脉冲开关模块包括k级开关组，且n≥1，k≥1，n+k＝2m，2m级开关组悬浮级联。3.根据权利要求书2所述的一种产生双极性高压脉冲的装置，其特征在于，每级开关组包括高端固体开关K1和低端固体开关K2，高端固体开关K1和低端固体开关K2连接的节点为每级开关组的高压输出Vout，每级开关组的地端GND为低端固体开关K2的另一端，每级开关组的电源端Vp为高端固体开关K1的另一端。4.根据权利要求书3所述的一种产生双极性高压脉冲的装置，其特征在于，在高压正脉冲产生电路中，高一级开关组SWn+1的地端GND和低一级开关组SWn的电源输出端Vout直接相连，其中n＝1，2，3，…，2m-1；在高压负脉冲产生电路中，高一级开关组SWk+1的电源端Vp和低一级开关组SWk的电源输出端Vout直接相连，其中k＝1，2，3，…，2m-1，且k≠n。5.根据权利要求书3所述的一种产生双极性高压脉冲的装置，其特征在于，高端固体开关K1为一个开关或多个开关，且多个开关之间并联或串联连接；低端固体开关K2为一个开关或多个开关，且多个开关之间并联或串联连接。6.根据权利要求书3所述的一种产生双极性高压脉冲的装置，其特征在于，每级开...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小宁，刘颖，李晓焕，樊瑞，屠震涛，张军，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