CN104617808A - 新型极性可调方波高压脉冲电源电路及产生双极性脉冲的控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型极性可调方波高压脉冲电源电路及产生双极性脉冲的控制策略，半桥式单极性Marx电路、H桥电路，IGBT驱动电路，信号发生电路；半桥式单极性Marx选用IGBT晶体管作为开关；H桥选用IGBT开关，将二极管串联组成IGBT反向并联二极管，将IGBT串联组成桥臂；IGBT驱动电路采用浮地驱动的设计，利用DC-DC高压隔离电源模块，实现驱动电源与高压主回路安全隔离；信号发生电路稳定地产生脉冲源控制信号；Marx电路级联H桥实现对高压脉冲极性的调节。本发明的脉冲电源电路采用双极性脉冲控制策略，避免了复杂的动态均压设计，减小开关损耗，在该控制策略下，脉冲电源实现了良好的多负载适应性。

Description

新型极性可调方波高压脉冲电源电路及产生双极性脉冲的控制策略

技术领域

本发明涉及电气工程领域，尤其涉及一种新型极性可调方波高压脉冲电源电路及产生双极性脉冲的控制策略。

背景技术

在工业循环冷却水系统中，目前虽主要通过添加化学药品杀菌灭藻，但利用高压脉冲处理水中的细菌等微生物已经体现出良好的杀灭效果，脉冲功率技术凭借其可持续、高效、环保、无副作用的巨大优势，被认为是最有前途实现工业化应用的杀菌灭藻方法之一，具有巨大的市场价值和广泛的应用前景。

高压脉冲电源作为高压脉冲杀菌灭藻系统中的核心设备，其参数和性能直接影响到系统的处理效果。研究表明，脉冲电场强度、作用时间、脉冲上升沿以及脉冲波形的不同对生物细胞的灭活效果起着重要影响。研究发现，在其它因素都相同的条件下，陡前沿的方波脉冲电场比上升时间长的方波脉冲电场对金葡菌的杀灭效果更好；在其他条件相同的情况下，分别用于大肠杆菌、枯草杆菌、酿酒酵母等微生物的灭活时，双极性方波具有最好的灭活效果。另外，当高压脉冲直接在含有菌类、藻类的液体中放电时，负载特性较难确定，这就要求所设计的电源具有多负载适应性，能够在阻性、感性、容性等负载下正常工作。

发明内容

本发明旨在实现脉冲电源电压、频率、脉宽、极性可调，并具有较快的上升沿和良好的多负载适应性。为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种新型极性可调方波高压脉冲电源电路，其关键在于，包括：半桥式Marx电路、H桥电路，信号发生电路；

所述半桥式Marx电路输入端连接可调高压直流电源输出端，所述可调高压直流电源输入端连接信号发生电路调压信号输出端，所述半桥式Marx电路输出端连接所述H桥电路输入端，所述H桥电路信号输入端连接信号发生电路PWM信号输出端，通过控制H桥电路正向或负向放电通道开闭的不同时序实现对高压脉冲极性的调节，所述H桥电路内部设置负载，所述H桥电路信号输出端连接探头。

所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，优选的，所述半桥式Marx电路包括：第一级半桥式Marx电路，第n级半桥式Marx电路，所述n≥2，

第1级半桥式Marx电路包括：开关T_c0、开关T_c1、开关T_d1，

半桥式Marx电路连接可调高压直流电源U_dc，所述可调高压直流电源内阻为r_dc；所述内阻r_dc一端连接电源U_dc，所述内阻r_dc另一端连接开关T_c0一端、所述开关T_c0另一端分别连接电容C₁一端和开关T_d1一端，所述开关T_d1另一端分别连接开关T_c1一端和第n级半桥式Marx电路另一端，所述开关T_c1另一端连接电容C₁另一端，所述电容C₁另一端还连接电源U_dc另一端和H桥电路一端，所述开关T_d1一端还连接第n级半桥式Marx电路一端；

第n级半桥式Marx电路包括：开关T_cn和开关T_dn、电容C_n、二极管D_cn，

所述开关T_d1一端连接二极管D_cn正极，所述二极管D_cn负极分别连接电容C_n一端和开关T_dn一端，所述开关T_dn另一端连接开关T_cn一端，所述开关T_cn另一端分别连接H桥电路另一端和电容C_n另一端，所述电容C_n另一端还连接开关T_c1一端。

所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，优选的，所述半桥式Marx电路包括：开关T_c0、开关T_c1、开关T_d1，

半桥式Marx电路连接可调高压直流电源U_dc，所述可调高压直流电源内阻为r_dc；所述内阻r_dc一端连接电源U_dc，所述内阻r_dc另一端连接开关T_c0一端、所述开关T_c0另一端分别连接电容C₁一端和开关T_d1一端，所述开关T_d1另一端分别连接开关T_c1一端和H桥电路另一端，所述开关T_c1另一端连接电容C₁另一端，所述电容C₁另一端还连接电源U_dc另一端和H桥电路一端。

所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，优选的，所述H桥电路包括：开关H₁₊、开关H_1-、开关H₂₊、开关H_2-，

所述开关H_1-一端分别连接开关H₂₊一端和半桥式Marx电路一端，所述开关H_2-另一端分别连接电阻R和开关H₁₊一端，所述H₁₊另一端分别连接半桥式Marx电路另一端和开关H₂₊一端，所述开关H₂₊另一端连接电感L一端和开关H_1-另一端，电阻R、电容C和电感L依次串联。

所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，优选的，所述开关H1+、开关H1-、开关H2+、开关H2-分别包括：M个晶体管，所述M≥3，所述M个晶体管依次串联。

所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，优选的，还包括：IGBT驱动电路，所述IGBT驱动电路为DC-DC高压隔离电源模块，非隔离型驱动芯片、光纤信号接收模块；

所述IGBT驱动电路采用浮地驱动的设计，并利用DC-DC高压隔离电源模块，实现驱动电源与高压主回路的安全隔离；驱动控制的PWM信号则通过光纤信号接收模块从微控制器传输到非隔离型驱动芯片的信号输入端，控制IGBT的通断。

本发明还公开一种新型极性可调方波高压脉冲电源电路产生双极性脉冲的控制策略，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，确定极性可调方波高压脉冲电源电路的控制工作时序，通过对该电路的控制工作时序，获得该电路在阻性负载状态下的稳定工作状态；

步骤2，根据步骤1该电路所确定的控制工作时序，对该电路的负载电容充电和放电操作，获得该电路在容性负载状态下的稳定工作状态；

步骤3，根据步骤1该电路所确定的控制工作时序，对该电路的负载电感储能和续流操作，获得该电路在感性负载状态下的稳定工作状态。

所述新型极性可调方波高压脉冲电源电路产生双极性脉冲的控制策略，优选的，所述步骤1包括：

步骤1-1，分析极性可调方波高压脉冲电源电路，

t₀时刻使储能电容C_j并联充电完毕，此时V_o＝0；

t₀时刻过后预留死区时间，等待T_cn完全关断，

t₁时刻C_j通过T_dj和H_1+/-构成的放电回路串联放电，输出高压，由于H桥正向通道的闭合，理想值V_o＝n×U_dc；当储能电容C_j足够大时，则得到顶部近似平稳的方波脉冲，

t₂时刻，C_j放电结束，V_o＝0，

t₂时刻过后预留了死区时间，直到t₃时刻C_j并联充电；

t₄时刻预留死区时间，再在t₅时刻提前闭合了H桥负向通道；

t₆时刻开始，H桥前端的Marx电路进入了下一个周期T，开始产生下一个高压脉冲，其控制时序和工作状态则与t₀时刻开始后保持一致，在新周期T内不同的是根据输出脉冲极性的要求来控制H桥正向或者负向通道的开通，实现不同极性脉冲的输出，t₆时刻停止C_j的充电，在t₂≤t≤t₆的时间段内，V_o＝0，

t₇时刻，C_j放电，输出高压，H桥负向通道的闭合，理想值V_o＝-n×U_dc，t₈时刻C_j放电结束，V_o＝0；

t₉时刻C_j再次并联充电；

t₁₀时刻预留死区时间直到t₁₁时刻，为下个周期T产生正向高压脉冲做好准备，

t₁₂时刻，结束本次产生负向高压脉冲的周期，并开始了新的周期T；

在t₈≤t≤t₁₂的时段内，V_o＝0。

所述新型极性可调方波高压脉冲电源电路产生双极性脉冲的控制策略，优选的，所述步骤2还包括：

步骤1-2，当极性可调方波高压脉冲电源电路保持容性负载时，采用步骤1的控制工作时序，每当半桥式Marx电路的高压脉冲来临时，通过C_j的串联放电回路对负载电容充电，充电电压至V_o＝n×U_dc；当半桥式Marx电路高压脉冲结束后，负载电容需要放电回路，使V_o＝0，否则V_o的幅值一直保持在n×U_dc；t₂时刻负载电容没有放电回路，V_o仍维持n×U_dc的电平，直到t₃时刻负载电容才通过反并联二极管构成的回路进行快速放电，V_o＝0。

上述技术方案的有益效果为：能够在极性可调方波高压脉冲电源电路保持容性负载时，保持负载电容正常充电和放电。

所述新型极性可调方波高压脉冲电源电路产生双极性脉冲的控制策略，优选的，所述步骤3包括：

步骤1-3，当极性可调方波高压脉冲电源电路保持感性负载时，采用步骤1的控制工作时序，每当半桥式Marx电路高压脉冲来临时，通过C_j的串联放电回路对负载电感储能；当半桥式Marx电路高压脉冲结束时，由于电感电流不能突变，负载电感则需要续流通路，同时V_o由高压变为0的时间大于电阻负载时的用时；t₂时刻负载电感则通过两个反并联二极管和回路分别续流；直到t₃时刻另一反并联二极管和回路也成为了负载电感的续流通路；t₄时刻续流结束，V_o＝0；t₈时刻负载电感则通过两个反并联二极管和回路分别续流，直到t₉时刻由另一反并联二极管和回路也成了负载电感的续流通路；t₁₀时刻续流结束，V_o＝0，完成了感性负载时的双极性高压脉冲的输出。

上述技术方案的有益效果为：能够在极性可调方波高压脉冲电源电路保持感性负载时，保持负载电感正常储能和续流。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

提出了一种新型极性可调方波高压脉冲源电路，实际的脉冲电源通过IGBT开关有效地将直流充电电源隔离开来，使脉冲源工作更加安全可靠。另外，脉冲电源产生双极性脉冲的控制策略则有效地避免了H桥IGBT开关在高压下的通断。H桥正向或者负向放电通道总会在前端Marx的高压脉冲产生前闭合，结束后断开，因而H桥IGBT开关总是在Vce≈0时完成通断。不但避免了复杂的动态均压设计，减小了开关损耗，而且实现了脉冲源良好的多负载适应性。其次，自行设计的IGBT驱动电路不但提供了足够的峰值电流和驱动功率，还采用了浮地驱动的设计方法控制IGBT的通断，其具有12kV的隔离能力，将驱动电源通过光纤将信号发生电路与高压侧隔离开来，使驱动系统工作安全可靠。另外，驱动采用负压关断的方式，有效地防止了因寄生参数导致IGBT误开通问题的发生，提高了系统工作稳定性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源主拓扑系统结构示意图；

图2是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源半桥式Marx级联H桥拓扑电路示意图；

图3(1)是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源双极性方波高压脉冲及其开关控制时序示意图；

图3(2)是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源脉冲源带阻性负载仿真波形示意图；

图3(3)是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源脉冲源带容性负载仿真波形示意图。

图3(4)是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源脉冲源带感性负载仿真波形示意图。

图4是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源储能电容Cj并联充电回路示意图；

图5是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源Vo为正脉冲时储能电容Cj串联放电回路示意图；

图6是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源Vo为负脉冲时储能电容Cj串联放电回路示意图；

图7是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源Vo为正脉冲时的负载电容放电回路示意图。

图8是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源Vo为负脉冲时的负载电容放电回路示意图。

图9是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源负载电感正向续流回路示意图。

图10是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源负载电感负向续流回路示意图。

图11是本发明新型极性可调方波高压脉冲电源H桥单个桥臂的均压电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“输入端”、“输出端”、“正向”、“负向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“级联”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是半桥式Marx电路级联H桥，也可以是半桥式Marx电路与H桥连接，两种电路输入端与输出端分别的连通，可以是两端相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，该新型极性可调方波高压脉冲电源主拓扑系统结构由可调高压直流电源1、半桥式单极性Marx电路2、H桥电路3、负载4、信号发生电路5、高压和差分探头6、示波器7组成。信号发生电路5输出端分别连接可调高压直流电源1、半桥式单极性Marx电路2、H桥电路3的输入端，半桥式单极性Marx电路2输出端连接H桥电路3，H桥电路3输出端分别连接高压和差分探头6、信号发生电路5输入端以及负载4输入端，高压和差分探头6连接示波器7。通过改变信号发生电路5输出的PWM开关控制信号的频率和占空比即可改变频率和脉宽，而通过调节高压直流电源1的输出电压即可实现连续可调。

可调高压直流电源1采用直流电源(U_dc<800V)，r_dc选取70Ω、200W的铝壳电阻，即可实现7kV高压脉冲的输出。

所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，优选的，所述半桥式Marx电路包括：第一级半桥式Marx电路，第n级半桥式Marx电路，所述n≥2，

第1级半桥式Marx电路包括：开关T_c0、开关T_c1、开关T_d1，

半桥式Marx电路连接可调高压直流电源U_dc，所述可调高压直流电源内阻为r_dc；所述内阻r_dc一端连接电源U_dc，所述内阻r_dc另一端连接开关T_c0一端、所述开关T_c0另一端分别连接电容C₁一端和开关T_d1一端，所述开关T_d1另一端分别连接开关T_c1一端和第n级半桥式Marx电路另一端，所述开关T_c1另一端连接电容C₁另一端，所述电容C₁另一端还连接电源U_dc另一端和H桥电路一端，所述开关T_d1一端还连接第n级半桥式Marx电路一端；

第n级半桥式Marx电路包括：开关T_cn和开关T_dn、电容C_n、二极管D_cn，

所述开关T_d1一端连接二极管D_cn正极，所述二极管D_cn负极分别连接电容C_n一端和开关T_dn一端，所述开关T_dn另一端连接开关T_cn一端，所述开关T_cn另一端分别连接H桥电路另一端和电容C_n另一端，所述电容C_n另一端还连接开关T_c1一端。

所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，优选的，所述半桥式Marx电路包括：开关T_c0、开关T_c1、开关T_d1，

半桥式Marx电路连接可调高压直流电源U_dc，所述可调高压直流电源内阻为r_dc；所述内阻r_dc一端连接电源U_dc，所述内阻r_dc另一端连接开关T_c0一端、所述开关T_c0另一端分别连接电容C₁一端和开关T_d1一端，所述开关T_d1另一端分别连接开关T_c1一端和H桥电路另一端，所述开关T_c1另一端连接电容C₁另一端，所述电容C₁另一端还连接电源U_dc另一端和H桥电路一端。

所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，优选的，所述H桥电路包括：开关H₁₊、开关H_1-、开关H₂₊、开关H_2-，

所述开关H_1-一端分别连接开关H₂₊一端和半桥式Marx电路一端，所述开关H_2-另一端分别连接电阻R和开关H₁₊一端，所述H₁₊另一端分别连接半桥式Marx电路另一端和开关H₂₊一端，所述开关H₂₊另一端连接电感L一端和开关H_1-另一端，电阻R、电容C和电感L依次串联。

所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，优选的，所述开关H1+、开关H1-、开关H2+、开关H2-分别包括：M个晶体管，所述M≥3，所述M个晶体管依次串联。

所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，优选的，还包括：IGBT驱动电路，所述IGBT驱动电路为DC-DC高压隔离电源模块，非隔离型驱动芯片、光纤信号接收模块；

所述IGBT驱动电路采用浮地驱动的设计，并利用DC-DC高压隔离电源模块，实现驱动电源与高压主回路的安全隔离；驱动控制的PWM信号则通过光纤信号接收模块从微控制器传输到非隔离型驱动芯片的信号输入端，控制IGBT的通断。

如图2所示，新型极性可调方波高压脉冲电源由半桥式单极性Marx电路2级联H桥电路3，以及IGBT驱动电路组成。半桥式Marx电路2共9级，但不限于9级，设该半桥式Marx电路2为n级，n≥1时，其包括：2n+1个开关，n个电容，n-1个二极管，并与H桥电路3级联，通过控制H桥电路3正向或负向放电通道开闭的不同时序实现对高压脉冲极性的调节，当H₁₊和H_1-闭合，H₂₊和H_2-断开，即只有正向通道闭合时，为正向脉冲。当H₂₊和H_2-闭合，H₁₊和H_1-断开，即只有负向通道闭合时，为负向脉冲。H桥电路3选用IGBT晶体管，通过将3个快恢复二极管DH60-18A串联组成单个IGBT的反向并联二极管。IGBT驱动电路采用浮地驱动的设计方法，利用DC-DC高压隔离电源模块，实现驱动电源与高压主回路的安全隔离。

半桥式Marx电路2为n级，当n≥3时，第1级含有3个开关分别为T_c0、T_c1、T_d1，1个电容C₁，1个二极管D₁，第n级含有2个开关T_cn和T_dn，1个电容C_n，其他每级均含有2个开关T_ci和T_di，1个电容C_i和1个二极管D_i，2≤i≤n-1；当n＝2时，第1级和第2级分别和n≥3时的第1级和第n级有相同的组成连接方式。当n＝1时，其组成相比n≥3时的第1级少了1个二极管D₁，其他同n≥3时的第1级。所述半桥式Marx电路2的内部连接方式如图2所示。图2所示电路中所有的开关均采用IGBT，但不限于IGBT，也可采用其他类型的半导体开关。所采用的IGBT内部集成了快恢复的反并联射极控制二极管，该反并联二极管在Marx的控制信号不同步时发挥了关键的保护作用。

新型极性可调方波高压脉冲电源的负载由电感L、电容C、电阻R串联构成负载4，参数不同时体现不同的负载特性，负载4连接方式如图2所示；四桥臂上各有一个开关(H_1+/-，H_2+/-)，全桥输出端与权利要求所述2的半桥式Marx电路2相级联。如图11所示。

IGBT驱动电路采用浮地驱动的设计方法，利用DC-DC高压隔离电源模块，实现驱动电源与高压主回路的安全隔离；驱动控制的PWM信号则通过光纤从微控制器传输到驱动芯片IXDN609PI的信号输入端，控制IGBT的通断。所述DC-DC高压隔离电源模块，采用G_S-2W&H_S-2W系列高压隔离电源，隔离电压可达到6000VDC，是专门针对线路板上分布式电源系统中需要产生一组与输入电源高隔离的电源应用场合而设计的，是IGBT驱动板上起到电压隔离作用的一个模块；所述非隔离型驱动芯片IXDN609PI，当输入逻辑值为0或1时，输出逻辑值也对应为0或1，工作频率为50Hz，较低的输出阻抗可以区别输入电压和输出电压的幅值；所述光纤信号接收模块FHBR 2521Z，从左至右依次，“2”代表作为接收模块，“5”代表600nm的接收器，“2”代表水平封装，“1”代表5MBd的高性能链接，“Z”代表符合RoHS标准。所述IGBT驱动电路采用浮地驱动的设计方法，并利用DC-DC高压隔离电源模块，实现驱动电源与高压主回路的安全隔离；驱动控制的PWM信号则通过光纤信号接收和发送模块从微控制器传输到驱动芯片IXDN609PI的信号输入端，控制IGBT的通断。

通过改变信号发生电路5输出的PWM开关控制信号的频率和占空比即可改变V_o的频率和脉宽，信号发生电路6通过与可调高压直流电源1串口通信即可调节直流电源U_dc的输出电压，从而实现V_o的连续可调。

高压探头61采用P6015A型单端高压探头(测量峰值40kV、带宽70MHz)。由于电流探头61无法测量10A输出电流I_o的，故与负载4串联1个5.5Ω(由4个22Ω-5W的水泥电阻并联)的电流取样电阻，通过测量该取样电阻上的电压值得到I_o值和波形。取样电阻上电压的测量则选用高压探头62即P5200A高压差分探头62(带宽50MHz)。示波器8采用泰克公司TDS1012B-SC型示波器(采样率1GS/S，带宽100MHz)。

脉冲电源产生双极性脉冲的控制策略，即是控制H桥正向或负向通道在Marx高压脉冲来临前闭合，不但避免了复杂的动态均压设计，减小了开关损耗，而且实现了脉冲源良好的多负载适应性。

脉冲电源产生双极性脉冲的控制策略的具体实施方法为：通过改变H桥开关H_1+/-和H_2+/-的控制信号时序，即可方便的实现输出脉冲单双极性的转变，以输出双极性方波高压脉冲为例，分析极性可调方波高压脉冲源拓扑结构在阻性、容性、感性负载情况下的工作原理。以高压脉冲及其开关控制时序作为基础，并且以阻性负载情况为例，分析极性可调方波高压脉冲源工作原理。在t₀时刻，充电开关T_ci由闭合变为断开，T_ci和二极管D_ck构成的充电回路断开，直流电源U_dc结束了对储能电容C_j的并联充电，放电开关T_dj处于断开状态，H桥正向通道开关H_1+/-(即开关H₁₊和H_1-)已在上个周期T内闭合，负向通道开关H_2+/-(即开关H₂₊和H_2-)处于断开状态，为脉冲源产生正向高压脉冲做好了准备，此时V_o＝0。充电回路见图4所示。t₀时刻过后预留一定的死区时间等待T_ci完全关断，再在t₁时刻闭合T_dj，以防止同一级的充电开关T_ci和放电开关T_dj出现直通。t₁时刻，T_dj闭合，C_j通过T_dj和H_1+/-构成的放电回路串联放电，输出高压，由于H桥正向通道的闭合，理想值V_o＝n×U_dc，正向放电回路如图5所示。t₂时刻，T_dj断开，放电回路断开，C_j放电结束，V_o＝0，同理，t₂时刻过后，也预留了一定的死区时间，直到t₃时刻，闭合T_ci，U_dc通过T_ci和D_ck构成的充电回路开始对C_j并联充电。t₄时刻，H_1+/-断开，并预留一定的死区时间，再在t₅时刻闭合H_2+/-，防止H桥上下桥臂直通，t₅时刻则提前闭合了H桥负向通道，为下个周期T产生负向高压脉冲做好了准备。t₆时刻开始，H桥前端的Marx电路则进入了下一个周期T，开始产生下一个高压脉冲，其控制时序和工作状态则与t0时刻开始后保持一致，在新周期T内所不同的是需要根据输出脉冲极性的要求来控制H桥正向或者负向通道的开通，以实现不同极性脉冲的输出。t₆时刻，T_ci断开，U_dc停止对C_j的充电，在t₂≤t≤t₆的时间段内，V_o＝0。t₇时刻，T_dj闭合，C_j通过T_dj和H_2+/-构成的放电回路串联放电输出高压，由于H桥负向通道的闭合，理想值V_o＝-n×U_dc，负向放电回路如图6所示。t₈时刻，T_dj断开，放电回路断开，C_j放电结束，V_o＝0。t₉时刻，T_ci闭合，U_dc再次开始对C_j并联充电，t₁₀时刻，H_2+/-断开，同理预留一定的死区时间直到t₁₁时刻，闭合H_1+/-，为下个周期T产生正向高压脉冲做好准备，t₁₂时刻，T_ci断开，则结束了本次产生负向高压脉冲的周期，并开始了新的周期T，在t8≤t≤t12的时段内，V_o＝0。令U_dc＝900V，r_dc＝400Ω，Marx级数n＝9，输出脉冲频率1kHz，脉冲源带阻性负载，R＝700Ω。通过PSIM方法，波形如图3(2)所示。图3(2)中V₁，V₂，V₃，V₄分别依次对应T_ci，T_dj，H_1+/-，H_2+/-的触发脉冲(电平进行归一化处理)，V₀和I₀分别对应输出电压V_o和负载电流Io的波形，可知，图1所示极性可调方波高压脉冲源拓扑电路可在阻性负载下正常工作。

然后再观察高压双极性方波脉冲电源主拓扑结构分别在容性、感性负载情况下的工作情况。如图3(3)(4)所示，可观察容性、感性负载情况下的仿真波形示意图。可知采用的开关控制时序与阻性负载下相同，但是与阻性负载所不同的是控制的Marx高脉冲来临时，容性负载正、负脉冲电容放电回路不同，如图7、8所示；感性负载正、负向续流回路不同，如图9、10所示。具体不同之处如本发明内容中所述。

为证实图1所示拓扑电路的可行性和实用性，根据本发明提出的设计参数，最后对本发明提出的一种新型高压双极性方波脉冲电源进行了性能测试。验证该发明提出的新型高压双极性方波脉冲电源达到了设计指标，即输出电压达±7kV，输出电流达±10A，脉冲数达1kpps，额定输出时上升沿可达160ns，脉宽3.5us，能在阻性、容性、感性等各类负载下正常工作，并可以实现电压、频率、脉宽、极性的调节。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“如图所示”、“如要求所述”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种新型极性可调方波高压脉冲电源电路，其特征在于，包括：半桥式Marx电路、H桥电路，信号发生电路；

所述半桥式Marx电路输入端连接可调高压直流电源输出端，所述可调高压直流电源输入端连接信号发生电路调压信号输出端，所述半桥式Marx电路输出端连接所述H桥电路输入端，所述H桥电路信号输入端连接信号发生电路PWM信号输出端，通过控制H桥电路正向或负向放电通道开闭的不同时序实现对高压脉冲极性的调节，所述H桥电路内部设置负载，所述H桥电路信号输出端连接探头。

2.根据权利要求1所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，其特征在于，所述半桥式Marx电路包括：第一级半桥式Marx电路，第n级半桥式Marx电路，所述n≥2，

第1级半桥式Marx电路包括：开关T_c0、开关T_c1、开关T_d1，

半桥式Marx电路连接可调高压直流电源U_dc，所述可调高压直流电源内阻为r_dc；所述内阻r_dc一端连接电源U_dc，所述内阻r_dc另一端连接开关T_c0一端、所述开关T_c0另一端分别连接电容C₁一端和开关T_d1一端，所述开关T_d1另一端分别连接开关T_c1一端和第n级半桥式Marx电路另一端，所述开关T_c1另一端连接电容C₁另一端，所述电容C₁另一端还连接电源U_dc另一端和H桥电路一端，所述开关T_d1一端还连接第n级半桥式Marx电路一端；

第n级半桥式Marx电路包括：开关T_cn和开关T_dn、电容C_n、二极管D_cn，

所述开关T_d1一端连接二极管D_cn正极，所述二极管D_cn负极分别连接电容C_n一端和开关T_dn一端，所述开关T_dn另一端连接开关T_cn一端，所述开关T_cn另一端分别连接H桥电路另一端和电容C_n另一端，所述电容C_n另一端还连接开关T_c1一端。

3.根据权利要求1所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，其特征在于，所述半桥式Marx电路包括：开关T_c0、开关T_c1、开关T_d1，

半桥式Marx电路连接可调高压直流电源U_dc，所述可调高压直流电源内阻为r_dc；所述内阻r_dc一端连接电源U_dc，所述内阻r_dc另一端连接开关T_c0一端、所述开关T_c0另一端分别连接电容C₁一端和开关T_d1一端，所述开关T_d1另一端分别连接开关T_c1一端和H桥电路另一端，所述开关T_c1另一端连接电容C₁另一端，所述电容C₁另一端还连接电源U_dc另一端和H桥电路一端。

4.根据权利要求1所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，其特征在于，所述H桥电路包括：开关H₁₊、开关H_1-、开关H₂₊、开关H_2-，

所述开关H_1-一端分别连接开关H₂₊一端和半桥式Marx电路一端，所述开关H_2-另一端分别连接电阻R和开关H₁₊一端，所述H₁₊另一端分别连接半桥式Marx电路另一端和开关H₂₊一端，所述开关H₂₊另一端连接电感L一端和开关H_1-另一端，电阻R、电容C和电感L依次串联。

5.根据权利要求4所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，其特征在于，所述开关H₁₊、开关H_1-、开关H₂₊、开关H_2-分别包括：M个晶体管，所述M≥3，所述M个晶体管依次串联。

6.根据权利要求5所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路，其特征在于，还包括：IGBT驱动电路，所述IGBT驱动电路为DC-DC高压隔离电源模块，非隔离型驱动芯片、光纤信号接收模块；

所述IGBT驱动电路采用浮地驱动的设计，并利用DC-DC高压隔离电源模块，实现驱动电源与高压主回路的安全隔离；驱动控制的PWM信号则通过光纤信号接收模块从微控制器传输到非隔离型驱动芯片的信号输入端，控制IGBT的通断。

7.一种新型极性可调方波高压脉冲电源电路产生双极性脉冲的控制策略，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，确定极性可调方波高压脉冲电源电路的控制工作时序，通过对该电路的控制工作时序，获得该电路在阻性负载状态下的稳定工作状态；

步骤2，根据步骤1该电路所确定的控制工作时序，对该电路的负载电容充电和放电操作，获得该电路在容性负载状态下的稳定工作状态；

步骤3，根据步骤1该电路所确定的控制工作时序，对该电路的负载电感储能和续流操作，获得该电路在感性负载状态下的稳定工作状态。

8.根据权利要求7所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路产生双极性脉冲的控制策略，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤1-1，分析极性可调方波高压脉冲电源电路，

t₀时刻使储能电容C_j并联充电完毕，此时V_o＝0；

t₀时刻过后预留死区时间，等待T_cn完全关断，

t₁时刻C_j通过T_dj和H_1+/-构成的放电回路串联放电，输出高压，由于H桥正向通道的闭合，理想值V_o＝n×U_dc；当储能电容C_j足够大时，则得到顶部近似平稳的方波脉冲，

t₂时刻，C_j放电结束，V_o＝0，

t₂时刻过后预留了死区时间，直到t₃时刻C_j并联充电；

t₄时刻预留死区时间，再在t₅时刻提前闭合了H桥负向通道；

t₆时刻开始，H桥前端的Marx电路进入了下一个周期T，开始产生下一个高压脉冲，其控制时序和工作状态则与t₀时刻开始后保持一致，在新周期T内不同的是根据输出脉冲极性的要求来控制H桥正向或者负向通道的开通，实现不同极性脉冲的输出，t₆时刻停止C_j的充电，在t₂≤t≤t₆的时间段内，V_o＝0，

t₇时刻，C_j放电，输出高压，H桥负向通道的闭合，理想值V_o＝-n×U_dc，t₈时刻C_j放电结束，V_o＝0；

t₉时刻C_j再次并联充电；

t₁₀时刻预留死区时间直到t₁₁时刻，为下个周期T产生正向高压脉冲做好准备，

t₁₂时刻，结束本次产生负向高压脉冲的周期，并开始了新的周期T；

在t₈≤t≤t₁₂的时段内，V_o＝0。

9.根据权利要求7所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路产生双极性脉冲的控制策略，其特征在于，所述步骤2还包括：

步骤1-2，当极性可调方波高压脉冲电源电路保持容性负载时，采用步骤1的控制工作时序，每当半桥式Marx电路的高压脉冲来临时，通过C_j的串联放电回路对负载电容充电，充电电压至V_o＝n×U_dc；当半桥式Marx电路高压脉冲结束后，负载电容需要放电回路，使V_o＝0，否则V_o的幅值一直保持在n×U_dc；t₂时刻负载电容没有放电回路，V_o仍维持n×U_dc的电平，直到t₃时刻负载电容才通过反并联二极管构成的回路进行快速放电，V_o＝0。

10.根据权利要求7所述的新型极性可调方波高压脉冲电源电路产生双极性脉冲的控制策略，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤1-3，当极性可调方波高压脉冲电源电路保持感性负载时，采用步骤1的控制工作时序，每当半桥式Marx电路高压脉冲来临时，通过C_j的串联放电回路对负载电感储能；当半桥式Marx电路高压脉冲结束时，由于电感电流不能突变，负载电感则需要续流通路，同时V_o由高压变为0的时间大于电阻负载时的用时；t₂时刻负载电感则通过两个反并联二极管和回路分别续流；直到t₃时刻另一反并联二极管和回路也成为了负载电感的续流通路；t₄时刻续流结束，V_o＝0；t₈时刻负载电感则通过两个反并联二极管和回路分别续流，直到t₉时刻由另一反并联二极管和回路也成了负载电感的续流通路；t₁₀时刻续流结束，V_o＝0，完成了感性负载时的双极性高压脉冲的输出。