一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源技术方案

本发明专利技术公开了等离子体放电技术领域的一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，包括主功率部分和控制信号部分，所述主功率部分由AC‑DC整流模块可调输出单元、N路微秒脉冲电源功率模块以及等离子体放电负载单元构成，所述控制信号部分由初始PWM信号发生单元、(N‑1)路移相交错控制单元以及以及N路微秒脉冲电源模块的PWM信号输入接口组成，用的多模块式IPOP的分布式架构，在满足相同功率等级条件下，整机体积减小，功率密度增加，效率高且低成本。

【技术实现步骤摘要】
一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源
本专利技术涉及等离子体放电
，具体为一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源。
技术介绍
等离子体应用存在多种放电形式，不同的放电形式具有不同的应用场景，如空气射流放电产生低温等离子体广泛应用于等离子体医学，能够有效地灭活各种细菌、病毒等致病微生物，同时弥补传统化学试剂处理的低效和化学残留的问题，同时也可进行工业应用中的等离子体表面改性和表面处理等。该类型的等离子体应用场合需要大功率微秒高压脉冲电源输出的脉冲幅度可调、脉冲宽度可调、脉冲频率可调以及脉冲输出个数可调等特性。传统的隔离式高压脉冲发生电路多采用控制原边开关功率晶体管的开通与关断，通过变压器的匝比直接将低压转换为高压脉冲。这种方法，当脉冲频率较低时，变压器提价庞大，并且高压端的脉冲电压幅值不宜控制。还有一种高压发生器电路是将高压源输出端与功率开关管串联，通过控制次级高压电源串联的功率开关管实现高压脉冲的输出，这样的控制电路复杂，供电电路需要重复设计，且控制在高压侧，易受到高压侧功率干扰而损坏。现有的已知的隔离储能元件式微秒脉冲电源实现的方案中，均采用单一拓扑的电路结构形式实现不同脉冲功率等级电源的设计，区别主要体现在储能变压器元件参数设计上，不同发热储能充电时间，不同的脉冲输出频率等。如专利CN206294098U通过控制绝缘栅晶体管的开关频率，来实现精确控制高压脉冲电源的输出电压的精准控制，但是由于高压侧无反馈回路很难实现高精度的脉冲电压幅值控制，同时该高压脉冲电源适用于高压侧容性负载较大电子枪应用场合。同时具有相同拓扑结构的还有专利CN110233577A，其添加了高压侧反馈采样单元来控制PWM控制信号从而实现输出高压功率脉冲电压幅值稳定，同时方便脉冲控制电路与高压电路的分离，适用于脉冲频率较低的工况条件。故已有类似的微秒脉冲电源技术方案均存在储输出脉冲频率低，脉冲功率持续的时间短，放电脉宽时间不可控，体积大，效率低，可靠性差等缺点。应用于等离子体放电应用领域的高压脉冲电源主要可分为两类，分别为基于储能元件式和基于高压开关式。而基于高压开关式的高压脉冲电源一般适用于小功率输出场合，无法满足大功率等离子体放电应用的功率需求，故传统高压脉冲电源实现方案大部分采用储能元件方案。然而，基于储能元件式的高压脉冲电源需要较长的充电时间，保证储能元件可存储足够的多的能量，再瞬间释放能量形成放电脉冲功率，所以存在输出脉冲功率频率低下的问题。其二，储能元件式高压脉冲电源在放电瞬间，释放存储能量，脉冲功率持续的时间短，具有放电脉宽时间不可控的问题。其三，由于放电脉冲能量需要存储于储能元件中，故需求的脉冲功率越大，储能元件的参数和体积也就越大，效率越低，可靠性越差，成本越高。基于此，本专利技术设计了一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，以解决上述提到的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，采用多路微秒脉冲电源模块输入并联输出并联IPOP的系统架构，通过控制多个脉冲功率源移相交错式输出脉冲功率，合成等效输出超高频率的脉冲功率，很好地解决了储能式微秒脉冲电源输出脉冲频率低下的问题。同时在保证移相控制时间小于脉冲功率持续时间的工况条件下，可以实现可编辑的宽脉冲宽度的脉冲功率输出，而不需要额外降低脉冲输出频率来提高储能时间。并且采用的多模块式IPOP的分布式架构，在满足相同功率等级条件下，整机体积减小，功率密度增加，效率高且低成本。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，包括主功率部分和控制信号部分，所述主功率部分由AC-DC整流模块可调输出单元、N路微秒脉冲电源功率模块以及等离子体放电负载单元构成，所述AC-DC整流模块可调输出单元输入市电交流220V供电，输出可调的直流电压Udc，所述可调的直流电压Udc输入至所述微秒脉冲电源功率模块的输入端口，所述微秒脉冲电源功率模块的输出端口连接等离子体放电负载单元，所述控制信号部分由初始PWM信号发生单元、(N-1)路移相交错控制单元以及N路微秒脉冲电源模块的PWM信号输入接口组成，所述初始PWM信号发生单元产生低频的PWM驱动信号PWM_1，控制所述微秒脉冲电源模块内部的开关晶体管，实现模块内部储能元件的充电和放电状态，所述移相交错控制单元将驱动信号PWM_1进行移相，生成相应的移相控制信号PWM_2，…，PWM_n，分别送入(N-1)个从所述微秒脉冲电源功率模块内部的开关晶体管，对(N-1)个从所述微秒脉冲电源功率模块进行移相交错式充电和放电，实现N个所述微秒脉冲电源功率模块输出的脉冲功率为移相交错式脉冲功率。优选的，所述微秒脉冲电源功率模块的数量为N个，其中，N＞1，N个所述微秒脉冲电源功率模块之间的输入端口相并联，输入相同的电压幅值Udc，N个所述微秒脉冲电源功率模块之间的输出端口相并联。优选的，所述路移相交错控制单元通过硬件移相电路实现或者通过数字控制器实现多路移相交错式PWM信号输出。优选的，所述微秒脉冲电源模块包括稳压滤波储能电容Cin、开关晶体管Q和高压变压器T，所述开关晶体管Q基极接入PWM控制信号，集电极接高压变压器T低压侧的一端，所述开关晶体管Q发射极与高压变压器T低压侧的另一端接稳压滤波储能电容Cin的两端。优选的，所述高压变压器T的高压侧并联两个共阳极串联形式的高压硅堆二极管D2和D3。优选的，所述高压变压器T的高压侧输出正线串联一个高压硅堆二极管D1。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术解决了储能元件式微秒脉冲电源输出脉冲功率频率低的问题，同时保留了微秒脉冲电源大功率输出特性，结构简单，可靠性高，成本低等优点。2.本专利技术采用分布式多模块IPOP系统架构，在相同的功率等级条件下，本专利技术提出的分布式微秒脉冲电源的整机体积更小，输出脉冲特性可编辑，更灵活，可适用更广泛的等离子放电研究应用领域。3.相比于当前广泛应用的高重复频率的纳秒脉冲电源，本专利技术提出的IPOP多模块架构中的单模块放电脉冲频率仍然是低频脉冲，各个模块之间对控制信号的一致性、快速性和PCB布线没有严格要求，系统方案设计更简单，更有利于实际工程的应用。4.相比于传统的微秒脉冲电源拓扑，本专利技术在单模块微秒脉冲电源变压器高压输出侧并接了两个共阳极连接形式的高压硅堆二极管D2和D3，实现了高压脉冲的电压幅值嵌位保护功能，减小了充电阶段的能量损失，提高了单次放电脉冲的放电功率。5.本专利技术提出的移相交错控制技术，还应用于实现微秒脉冲电源输出脉冲宽度可编辑的脉冲功率的功能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，其特征在于：包括主功率部分和控制信号部分，/n所述主功率部分由AC-DC整流模块可调输出单元、N路微秒脉冲电源功率模块以及等离子体放电负载单元构成，所述AC-DC整流模块可调输出单元输入市电交流220V供电，输出可调的直流电压U

【技术特征摘要】
1.一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，其特征在于：包括主功率部分和控制信号部分，
所述主功率部分由AC-DC整流模块可调输出单元、N路微秒脉冲电源功率模块以及等离子体放电负载单元构成，所述AC-DC整流模块可调输出单元输入市电交流220V供电，输出可调的直流电压Udc，所述可调的直流电压Udc输入至所述微秒脉冲电源功率模块的输入端口，所述所述微秒脉冲电源功率模块的输出端口连接等离子体放电负载单元，
所述控制信号部分由初始PWM信号发生单元、(N-1)路移相交错控制单元以及以及N路微秒脉冲电源模块的PWM信号输入接口组成，所述初始PWM信号发生单元产生低频的PWM驱动信号PWM_1，控制所述微秒脉冲电源模块内部的开关晶体管，实现模块内部储能元件的充电和放电状态，所述移相交错控制单元将驱动信号PWM_1进行移相，生成相应的移相控制信号PWM_2，…，PWM_n，分别送入(N-1)个从所述微秒脉冲电源功率模块内部的开关晶体管，对(N-1)个从所述微秒脉冲电源功率模块进行移相交错式充电和放电，实现N个所述微秒脉冲电源功率模块输出的脉冲功率为移相交错式脉冲功率。


2.根据权利要求1所述的一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：金珊珊，章春晖，彭月阳，方志，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32