本发明专利技术公开了一种用于等离子体放电的紧凑型混合式隔离Marx脉冲发生器，包括电源系统、MOSFET驱动电路系统、光纤控制电路系统和脉冲电压输出系统。其中脉冲电压输出系统包括若干级，每一级包括一个储能电容、一个接地电阻和一个隔离元器件(电阻或二极管)。所述的Marx电路由电源系统供电，通过Marx结构先进行各级并联对电容进行充电，再通过信号发生器产生触发信号输送到光纤控制电路系统，光纤控制电路系统接收到信号后开始对MOSFET驱动电路系统进行开断控制，进而由于开关的导通使各级电容进行串联放电，产生的脉冲电压幅值可达几千伏，脉宽可持续数百纳秒。本系统的特点是首先采用正负极性两个电源进行充电，提高充电效率；其次充电电容采用背靠背式摆放方式，保证电路尽可能紧凑，减小该装置体积；最后正负充电回路隔离位置采用两种不同元器件进行隔离，这种混合式隔离方式缩短了充电时间，提高了充电的能量效率，在重频工作时有明显优势。本发明专利技术可通过调节充电电源输出电压幅值，调节信号发生器产生信号的脉宽和频率来实现输出脉冲电压幅值0～9kV可调、输出脉宽0～900ns可调、重复频率0～2000HZ可调等功能。重复频率0～2000HZ可调等功能。重复频率0～2000HZ可调等功能。
【技术实现步骤摘要】
一种用于等离子体放电的紧凑型混合式隔离Marx脉冲发生器
[0001]本专利技术属于电气工程高压脉冲功率领域，具体涉及一种用于等离子体放电的紧凑型混合式隔离Marx脉冲发生器。
技术介绍
[0002]随着高功率脉冲技术的发展，Marx发生器由于其输出峰值电压高、储能大、结构简单等优势，得到越来越成熟发展，其应用领域也不断拓展。是脉冲功率装置系统中用来获得幅值从数百kV到数MV，持续时间从几十ns到数μs高压脉冲功率源的重要设备。Marx发生器的基本原理可以简单地概括为:若干电容器通过并联充电后再以串联方式放电产生高电压脉冲。其相关概念于1923年由Marx E教授提出，进而被命名为“Marx发生器”并取得了专利权，最早被用于雷电冲击电压实验。对于目前众多的Marx发生器装置按照体积并参考开关类型可以大致划分为4类:大型、中型、紧凑型和全固态Marx发生器系统。
[0003]全固态Marx发生器在开关类型上区别于以上三种Marx发生器，其尺寸跨度比较大，较小的为印刷电路板级别，利用双极型晶体管作为闭合开关，使其工作在雪崩模式，以获得较快的上升前沿，可以输出脉宽为0.1ns～10ns、幅值在1kV～10kV范围内的脉冲电压，能量一般在1mJ量级，可用于产生尺度为微米量级的等离子体；而较大的固态Marx发生器通常利用闸流管或IGBT作为开关元件，可以输出上百kV的高压，适合用作高重频高压脉冲电源。
[0004]在等离子体应用方面，Marx脉冲发生器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、牙齿美白、根管治疗、牙齿表面处理等方面，具有很好的医疗价值。
技术实现思路
[0005]本专利技术吸取了全固态Marx发生器高重复频率，高电压等级的优点，针对全固态Marx发生器现存的充电时间长、充电能量效率低、体积较大等问题，本专利技术提出了一种用于等离子体放电的紧凑型混合式隔离Marx脉冲发生器，其主要特征在于包括电源系统、MOSFET驱动电路系统、光纤控制电路系统、脉冲电压输出系统。
[0006]进一步，所述电源系统包括220V市电、型号为RD
‑
125B，功率50W的220V转24V/5V双通道开关电源变压器、型号为LRS
‑
35/50，功率133.4W的220V转24V单通道开关电源变压器、型号为URB2405YMD
‑
10WR3，功率10W的24V转5V电源模块，以及两个功率2kW，能够最大产生1000V电压的直流电源。
[0007]进一步，转换后的5V直流电给所有MOSFET驱动电路PCB板供电；转换后的24V直流电通过隔离后给两个直流电源供电；24V转5V电源模块给光纤控制电路PCB板供电；两直流电源为多级Marx电路中的所有储能电容充电。
[0008]进一步，所述MOSFET驱动电路系统由多级MOSFET驱动电路PCB板组成，每级所用的MOSFET型号为C2M0080120D，其耐压等级为1200V，由于一级Marx电路包括两个储能电容，所
以一级MOSFET驱动电路所加最大电压为2000V，该装置采用两个相同型号的MOSFET串联进行分压，为解决分压不均问题，对串联后的两MOSFET分别并联一个阻值为1MΩ的大电阻。
[0009]进一步，所述MOSFET驱动电路系统每级包括两个型号为C2M0080120D，耐压1200V，最大通流31.6A，功率耗散208W，上升沿34ns，下降沿21ns的MOSFET开关管；两个型号为IXDN609PI的MOSFET驱动芯片；两个阻值为1MΩ，功率为3W的均压电阻；两个绝缘电压8kV，功率5W，型号为REC3.5
‑
0515SRW/R10/C的5V转15V隔离电源；两个绝缘电压8kV，功率3.5W，型号为RHV3
‑
0505S/R20的5V转5V隔离电源。
[0010]进一步，所述光纤控制电路系统通过信号发生器发出触发信号到光纤控制电路PCB板，控制板接受到信号后把电信号转换为光信号通过10路光纤发射头把信号沿着光纤传输线传送到所述MOSFET驱动电路PCB板上的光纤接收头上，接收头把光信号转变为电信号后发送给MOSFET驱动芯片IXDN609PI，该芯片控制MOSFET开断。
[0011]进一步，所述光纤控制电路系统组成元器件包括一个型号为FY2300，波形调制脉宽20ns可调的信号发生器；一个型号为URB2405YMD
‑
10WR3的24V转5V电源模块；10路型号为HFBR
‑
1414TZ的光纤发射头；10路型号为HFBR
‑
2412TZ的光纤接收头；10根型号为多模双芯ST
‑
ST的光纤传输线；10个光纤驱动芯片；一个反向逻辑芯片；一个八路收发器。
[0012]进一步，所述脉冲电压输出系统由电源系统供电，通过Marx结构先进行各级并联对电容进行充电，再通过各级开关依次导通使各级电容进行串联放电。每级的两个储能电容采用背靠背式摆放方式，保证电路尽可能紧凑，减小该装置体积。隔离位置采用两种不同元器件进行隔离，这种混合式隔离方式缩短了充电时间，提高了充电的能量效率，在重频工作时有明显优势。
[0013]进一步，所述脉冲电压输出系统由多级Marx电路组成。一级Marx电路包括正极性充电回路和负极性充电回路两部分，其中每级正极性充电回路组成元器件包括一个型号为HMS12P105，电容值2uF，耐压1200V的储能电容；一个型号为R
‑
180，功率5W，耐压2kV，阻值100Ω的隔离电阻和一个型号为TO220
‑
247，功率35W，耐压8kV，阻值3000Ω的接地电阻。每级负极性充电回路组成元器件包括一个型号为HMS12P105，电容值2uF，耐压1200V的储能电容和一个型号为DSPE
‑
12A的快恢复型隔离二极管。
[0014]本专利技术提出的一种用于等离子体放电的紧凑型混合式隔离Marx脉冲发生器，该结构优势包括：
①
每级Marx电路包括正极性充电回路和负极性充电回路两部分，每级的MOSFET驱动电路也是由完全相同的两个PCB板组成，这样设计首先便于拆卸组装，其次即使一部分故障时另一部分也能正常工作，方便排查错误；
②
可以利用一个直流电源、一块MOSFET驱动电路PCB板、一级Marx电路正极性充电回路来构造正极性多级Marx电路，同理也可以构造负极性多级Marx电路，这样就实现了把一个多级Marx电路拆分成两个充电极性相反，输出电压减半的多级Marx电路；
③
正负极性充电回路分别使用电阻、二极管进行隔离，这种混合式隔离模式相对于传统的纯电阻隔离模式缩短了充电时间，提高了充电的能量效率，在重频工作时有明显优势；
④
储能电容采用背靠背式摆放方式，所有元器件摆放都尽可能紧凑，减小装置体积，本专利技术预计体积不超过0.01m3本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于等离子体放电的紧凑型混合式隔离Marx脉冲发生器，其特征在于：包括电源系统(1)、MOSFET驱动电路系统(2)、光纤控制电路系统(3)和脉冲电压输出系统(4)；所述电源系统(1)对其他系统实现供电；所述MOSFET驱动电路系统(2)相当于整个电路的开关部分，控制该装置的开断；所述电源系统(1)对所述脉冲电压输出系统(4)进行充电，再通过所述光纤控制电路系统(3)产生的触发信号作用在所述MOSFET驱动电路系统(2)上使其导通进行放电，产生所需的理想脉冲电压。2.如权利要求1所述的一种用于等离子体放电的紧凑型混合式隔离Marx脉冲发生器，其特征在于：所述电源系统(1)包括220V市电、以及220V交流电通过开关电源变压器转换后的5V直流电和24V直流电，还包括两个能够产生0～1000V电压的直流电源。其中转换后的5V直流电给10路光纤控制板、MOSFET驱动电路板供电；转换后的24V直流电通过隔离后给两个直流电源供电；两直流电源为多级Marx电路中的储能电容充电。3.如权利要求1所述的一种用于等离子体放电的紧凑型混合式隔离Marx脉冲发生器，其特征在于：所述MOSFET驱动电路系统(2)所用的MOSFET型号为C2M0080120D，其耐压等级为1200V，由于一级Marx电路包括两个储能电容，所以一级MOSFET驱...
【专利技术属性】
技术研发人员：张赢，程显，罗永利，卓远，王鹏浩，吕彦鹏，邴龙，葛国伟，
申请(专利权)人：郑州大学国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。