CN107124163B - 一种复合模式固态脉冲源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合模式固态脉冲源，包括电源系统、控制系统、信号转换系统和高压形成系统。其中高压形成系统包括若干级，每一级包括Marx电路和LTD电路。所述Marx电路接入电源。所述控制信号通过信号转换系统注入并驱动Marx电路和LTD电路。所述LTD电路等效于变压器。同一级中，Marx电路的输出端接入LTD电路的一次侧。每一级的LTD电路的二次侧被依次串联。本发明结合了Marx电路和LTD电路各自的优点，在输出脉冲的电压和电流上面能够达到一个较好的平衡，使其应用范围更广。脉冲源可采用较低的供电电压，通过Marx电路和LTD电路的电压叠加后，得到较高的输出电压峰值。通过灵活的驱动控制方式，还可实现输出幅值可调、重复频率可调、输出脉宽可调、输出波形可调等功能。

Description

一种复合模式固态脉冲源

技术领域

本发明属于电气工程高压脉冲功率领域，具体涉及一种新颖复合模式固态脉冲源。

背景技术

脉冲发生器的基本原理都是采用将长时间储存起来的能量在较短的时间内或者较小的空间内释放出来，然后达到产生脉冲高电压、脉冲大电流的目的。目前主要的产生高压脉冲的电路主要有Marx拓扑结构的电路、LTD结构的电路、传输线结构的电路、磁压缩结构的电路等电路拓扑结构，每一种电路都有自己的优点和缺点。Marx电路采用“并联充电、串联放电”的主体思想，其适合于产生高电压脉冲，但是由于Marx电路的元件在放电的时候是采用串联的形式，其总的等效电容随着串联级数的增加而成反比例减小，所以其难以用于产生较大的脉冲电流。LTD电路其基本的等效电路是一个1:1的变压器，系统由多个这样的电路串联产生高电压，由于其每一级电路能够并联很多的电容和开关器件，所以其能够产生比较大的脉冲电流，适合于需要较大电流的应用，但是由于其在每一级串联之后其效率会因为磁芯的损耗而导致效率降低，所以其难以产生较高电压的脉冲。复合模式脉冲源是位于Marx电路和LTD电路拓扑结构中间的一种新型拓扑结构，其输出电压、电流的参数调节范围更加灵活，能有效的利用Marx电路拓扑和LTD电路拓扑的优点。复合模式脉冲源可以广泛的应用到需要阻抗灵活调节的应用，如等离子体射流、脉冲生物电学等领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合Marx电路和LTD电路的拓扑结构，吸取其各自电路的优点，在输出脉冲的电压和电流上面能够达到一个较好的平衡，使其应用范围更加大。其结合了Marx电路和LTD电路的新型复合模式的固态脉冲源，实现输出幅值可调、重复频率可调、输出脉宽可调、输出波形可调等功能。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种复合模式固态脉冲源，其特征在于:包括电源系统、控制系统、信号转换系统和高压形成系统。

所述电源系统对其他系统供电。

所述控制系统产生控制信号。所述信号转换系统接收控制系统将所述控制信号传递给高压形成系统，实现光电隔离。

所述高压形成系统包括若干级，每一级包括Marx电路和LTD电路。所述Marx电路接入电源。所述控制信号通过信号转换系统注入并驱动Marx电路和LTD电路。

所述LTD电路等效于变压器。同一级中，所述Marx电路的输出端接入LTD电路的一次侧。每一级的LTD电路的二次侧被依次串联。第一级和最后一级的LTD电路中，分别有一个未被串联的端子，这两个端子即为复合模式固态脉冲源的输出端。

值得说明的是，本发明的复合模式脉冲源中的Marx电路结构是基于Marx电路的原理，其主要原理是多个电容器通过并联充电，然后控制开关器件的导通从而形成串联放电，从而输出高压脉冲的原理。本复合模式的脉冲源中的LTD电路的原理是一个1:1的脉冲变压器，该脉冲变压器的原边是等电位的、副边电压是相互叠加的，从而可以达到将各级电压相叠加的目的，达到高压输出的目的。工作人员可以通过计算机在控制软件系统中设置脉冲参数后就可以达到灵活控制脉冲输出的目的。

进一步，所述控制系统包括计算机、单片机和FPGA控制模块。单片机解析计算机系统的发送来的控制信号，然后将该信号经过处理后转换为FPGA易于处理的参数传入到FPGA控制模块中，FPGA控制模块则根据传入的参数输出相应的控制信号波形。所述信号转换系统主要电光转换模块、光纤传输线路以及光电转换模块。所述控制系统中的FPGA控制模块发出的控制信号波形经过电光转换模块之后，成为与电信号相匹配的光信号，该光信号经过光纤传输线路传播到所述的光电转换模块，然后所述光信号经过光电转换模块之后转换成为相应的电信号。

进一步，所述电源系统包括市电电源、以及由所述市电电源供电的高压直流供电模块、开关电源以及DC转DC的隔离供电模块I和DC转DC的隔离供电模块II。其中，市电电源直接的或者间接的给本系统需要供电的模块提供电能。

市电电源直接给开关电源和计算机供电。开关电源输的直流电给高压直流供电模块、单片机、FPGA模块、DC转DC隔离供电模块I、DC转DC隔离供电模块II和电光转换模块进行供电。DC转DC的隔离供电模块II给光电转换模块进行供电。DC转DC的隔离供电模块I给触发电路进行供电。

进一步，所述高压形成系统主要包含充电隔离电阻、Marx电路、LTD电路以及触发电路。所述电源系统中的高压直流供电模块的输出端连接到充电隔离电阻上，经过充电隔离电阻之后，高压直流电输入到Marx电路和LTD电路，给Marx电路和LTD电路的储能电容充电。高压形成系统中的触发电路将所述信号转换系统中的光电转换模块输出的电信号进行电压、电流放大之后连接到Marx电路和LTD电路中的固态半导体开关器件的控制极，用于控制固态开关按照一定的时序进行导通/关断。

本发明的思路是采用在单级LTD电路中采取全固态Marx结构的方式，构成单板电路，然后在通过该Marx结构的单板电路组合成LTD电路，最后由多个LTD电路进行组装来构成脉冲源。

本发明的电源系统由220V，50Hz市电电源、高压直流供电模块、开关电源、DC转DC隔离供电模块。所述的市电电源，通过导线与开关电源相连接，高压直流供电模块的输入端通过导线和开关电源的直流输出端相连接，所述的高压直流供电模块为输出最高电压幅值1000V、最大电流幅值40mA的高压直流供电模块，所述的高压直流供电模块的输出端通过导线与脉冲形成系统的充电隔离电阻串联后再与脉冲形成系统的Marx电路和LTD电路的输入端连接，用于为脉冲系统的Marx电路和LTD电路中的储能电容提供电能。所述的开关电源的输入端通过导线与所述的市电电源连接。所述的开关电源将220V交流电转换为直流电后，通过导线与所述的DC转DC隔离供电模块的输入端连接，所述的DC转DC隔离供电模块1为驱动芯片提供电能。所述的DC转DC隔离供电模块2为光电转换模块提供电能。采用隔离供电模块的目的是隔离Marx电路不同级之间的电压，从而防止不同电位直接相连导致的短路问题。采用隔离供电模块还可以起到将kV级别的强电和V级别的弱电之间进行隔离，防止高压信号对低压控制信号形成干扰。所述的FPGA控制模块的供电采用从开关电源引出的直流电进行供电。所述的电源系统为本发明专利提供安全、稳定、可靠的供电保障。

所述的脉冲形成系统，包括充电隔离电阻、Marx电路、LTD电路以及触发电路。所述的充电隔离电阻的一端通过导线与所述电源系统的高压直流供电模块的输出端相连接，以起到限制充电电流和隔离在高压脉冲输出时的Marx电路和高压充电电源之间的电压差。所述电源系统中的Marx电路中的每一级包括储能电容、开关器件和其他隔离元件(如隔离二极管)。储能电容用于存储能量，其存储的能量和电容值成正比，和其电压值的平方成正比。MOSFET构成的全固态开关器件的栅极通过导线与触发电路的输出端相连接，所述触发电路的输入端通过导线与信号转换系统的光电转换模块的输出端相连接。

所述控制系统包括计算、单片机、和FPGA控制模块。在计算机上面安装有采用常见的操作系统，并配备有与该复合固态脉冲源配套的软件。通过计算机上面的软件可以很方便的和FPGA控制电路互相通讯，达到安全操作、方便操作和灵活调节的目的。

所述信号转换采用电光转换模块、光纤传输线路和光电转换模块构成。所述电光转换模块是把控制信号转换成为光信号，所述光信号经过光纤传播到光电转换模块，所述光电转换模块在接收到光信号之后，将接收到的光信号转换成为电信号。然后给所述高压成形系统中的触发电路使用。采用这种模式可以达到隔离强弱电压，并且提高控制安全性。

本系统采用固态开关器可以实现快速的上升沿和较高的重复频率，配合软件控制系统可以达到很好的操控性。

本全固态复合模式脉冲源具有如下的优良效果：因为本固态脉冲源采用全固态器件，相比于传统的气体火花开关或者真空开关，其更加易于控制，能够产生更高频率的脉冲。本全固态脉冲源采用FPGA可以精确的控制输出的脉冲的各种参数和控制脉冲输出的时机。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，采用固态器件构成的Marx电路由于其每一级子电路都处于不同的电压等级，所以对于其每一级的驱动芯片等元件的供电需要采用隔离供电模块来进行供电。当需要输出较高的电压时，隔离供电模块的选择就比较困难。而LTD电路由于其等效脉冲变压器的初级是采用导体连接起来的，所以其每一级之电路的初级是等电位的，其对于绝缘的要求就比较低。但是LTD电路为了实现较好的波形，其对于触发的同步性要求比较强。所以本发明结合了Marx电路和LTD电路，降低了对隔离供电模块隔离电压参数的要求，也降低了对触发同步性的要求。

附图说明

图1是本发明的原理框图

图2是本发明的结构图

图3是本发明的结构图的剖视图

图4是本发明的主电路图

图5是本发明的驱动电路原理图

图6是本发明的信号转换系统

图7是本发明的输出的典型的波形图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种复合模式固态脉冲源，其特征在于:包括电源系统1、控制系统2、信号转换系统3和高压形成系统4。

所述电源系统1对其他系统供电。

所述控制系统2产生控制信号。所述信号转换系统3接收控制系统2将所述控制信号传递给高压形成系统4，实现光电隔离。

所述高压形成系统4包括若干级，每一级包括Marx电路和LTD电路。所述Marx电路接入电源。所述控制信号通过信号转换系统3注入并驱动Marx电路和LTD电路。

所述LTD电路等效于变压器。同一级中，所述Marx电路的输出端接入LTD电路的一次侧。每一级的LTD电路的二次侧被依次串联。第一级和最后一级的LTD电路中，分别有一个未被串联的端子，这两个端子即为复合模式固态脉冲源的输出端。

所述控制系统2包括计算机、单片机和FPGA控制模块。计算机上面包含有可视化软件系统，操作人员可以直接在软件上面输入数据。单片机解析计算机系统的发送来的控制信号，然后将该信号经过处理后转换为FPGA易于处理的参数传入到FPGA控制模块中，FPGA控制模块则根据传入的参数输出相应的控制信号波形。该控制信号波形将会通过信号转换系统传输给后面的设备。该控制系统2可以指定允许参数范围之内的脉冲参数，可以灵活地实现对脉冲的频率，脉宽，时序等参数进行调节。

所述信号转换系统3主要电光转换模块、光纤传输线路以及光电转换模块。所述控制系统2中的FPGA控制模块发出的控制信号波形经过电光转换模块之后，成为与电信号相匹配的光信号，该光信号经过光纤传输线路传播到所述的光电转换模块，然后所述光信号经过光电转换模块之后转换成为相应的电信号。

所述电源系统1包括市电电源、以及由所述市电电源供电的高压直流供电模块、开关电源以及DC转DC的隔离供电模块I和DC转DC的隔离供电模块II。其中，市电电源直接的或者间接的给本系统需要供电的模块提供电能。

市电电源直接给开关电源和计算机供电。开关电源输的直流电给高压直流供电模块、单片机、FPGA模块、DC转DC隔离供电模块I、DC转DC隔离供电模块II和电光转换模块进行供电。DC转DC的隔离供电模块II给光电转换模块进行供电。DC转DC的隔离供电模块I给触发电路进行供电。

所述高压形成系统4主要包含充电隔离电阻、Marx电路、LTD电路以及触发电路。所述电源系统1中的高压直流供电模块的输出端连接到充电隔离电阻上，经过充电隔离电阻之后，高压直流电输入到Marx电路和LTD电路，给Marx电路和LTD电路的储能电容充电。该高压形成系统中的LTD电路的每一级由一个Marx电路构成，多个LTD电路组成该复合模式固态脉冲源的高压形成主体部分。高压形成系统中的触发电路将所述信号转换系统3中的光电转换模块输出的电信号进行电压、电流放大之后连接到Marx电路和LTD电路中的固态半导体开关器件的控制极，用于控制固态开关按照一定的时序进行导通/关断。

本实施例中，每级Marx电路在理论上输出电压至少是2倍电源电压。同一级LTD电路包含一个或者多个Marx模块。这样可以降低对每一级Marx电路的隔离供电模块的隔离电压的要求。同时，该电路采用全固态开关器件构成，可以输出复杂、灵活的波形。

实施例2：

如图1所示，一种基于半导体固态开关的复合模式脉冲源的结构图。

所述电源系统包括市电电源，开关电源，高压直流供电模块和DC转DC的隔离供电模块1和DC转DC的隔离供电模块2。其中的开关电源输入220V的交流电，输出5V的直流电，开关电源的输出电流的能力会影响到高压脉冲的输出参数，所以应该根据实际的需要选择合适的开关电源。高压直流供电模块的输入电压可以根据开关直流电源的输出电压而选择，但是其最大输出电压应该小于高压形成系统中的Marx电路和LTD电路的半导体固态开关器件的击穿电压(或者在要保证控制系统能控制高压直流供电模块的电压小于固态开关器件的击穿电压)。隔离供电模块的选择应该满足，首先是隔离供电模块的隔离电压必须大于每一级Marx电路的输出总电压，然后需要满足触发电路和光电转换模块的电流、电压等参数要求，最后应该还需要满足安装牢固程度、环保等要求。

如图1所示所述控制系统(2)包括计算机、单片机和FPGA控制模块。操作人员可以将需要的脉冲波形参数输入到计算机上的软件系统中，计算机的软件系统通过运算与转换将数据传输到单片机上，然后单片机在将接收到的数据进行提取之后发送给FPGA，FPGA根据单片机传来的数据输出指定形状，参数的脉冲波形到电光转换模块。在这儿采用计算机可以方便操作人员进行输入，并且可视化的显示界面可以方便操作人员观看。采用单片机接收计算机的信息的主要原因是FPGA是一种比较昂贵的芯片，其用于普通的数据接收显得有些大材小用，并且中间采用单片机进行通讯协议的编程可以降低编程难度。所以本固态脉冲源通过单片机接收数据并进行处理之后再传输给FPGA模块，FPGA的全称是现场可编程逻辑门阵列，其最大的特点是并行计算，非常适合于时序控制。

如图1所述的信号转换系统(3)包括电光转换模块，光纤传输线路，光电转换模块。FPGA发出的控制信号经过电光转换模块之后通过光纤传输到电光转换模块，然后再传输给触发电路。采用该种方式进行信号转换的主要目的是隔离强电和弱电，使得脉冲输出端的高电压，大电流信号和控制系统的低压信号相屏蔽，并且采用光纤隔离电路相比于光耦隔离电路的优点是隔离电压高、传输速率高、波形失真小，相比于磁隔离的优点是控制灵活、输出波形调节范围大。

所述高压成形系统主要包括触发电路，Marx电路、LTD电路和隔离电阻。高压直流供电模块输出的高电压经过充电隔离电阻之后给储能电容进行充电，其等效电路图如图4所示，每一级储能电容之间的隔离元件可以采用传统的电阻和电感隔离，也可以采用半导体器件-如二极管进行隔离，采用二极管隔离的优点是可以降低脉冲形成系统的损耗，提高系统的效率。

如图2所示的是该复合模式的脉冲形成系统的效果图。

如图3系统剖视图所示，每一级LTD之间交错排布，这样的话就可以将每一级电路输出的电压进行叠加，最后输出脉冲高电压、脉冲大电流。

图5是本发明的触发电路原理图，其中的驱动芯片需要满足开关器件的导通条件，其中的电容C1和C2是用于储能和滤波的电容，其电容值需根据驱动芯片的要求进行选择。该触发电路中的驱动电阻Rg是连接驱动芯片和固态开关器件的控制脚之间的电阻，该电阻可与用于调节上升时间，以及避免开关器件的米勒效应导致的波形震荡。

图6是本发明的光电转换模块的原理图，其可以将光信号转换成为电信号，其中的电阻起到上拉电阻的作用——可以将一个不确定的信号钳位在高电平，并且同时起到限流的作用。其中的电容可以滤出高频干扰，防止误触发，电容的取值需要根据实际的情况进行调整。

实验结果如图7所示，是复合模式脉冲源的输出的波形。其中每一级Marx电路包含3级子电路，组成一个LTD模块，一共4级LTD模块组成的复合模式脉冲源在高压直流供电模块供电电压大约在700V时的输出波形。可以看出，输出电压是达到了最终设计的目的。

Claims (3)

1.一种复合模式固态脉冲源，其特征在于：包括电源系统(1)、控制系统(2)、信号转换系统(3)和高压形成系统(4)；

所述电源系统(1)对其他系统供电；

所述控制系统(2)产生控制信号；所述信号转换系统(3)接收控制系统(2)将所述控制信号传递给高压形成系统(4)，实现光电隔离；

所述控制系统(2)包括计算机、单片机和FPGA控制模块；单片机解析计算机系统的发送来的控制信号，然后将该信号经过处理后转换为FPGA易于处理的参数传入到FPGA控制模块中，FPGA控制模块则根据传入的参数输出相应的控制信号波形；

所述信号转换系统(3)包括电光转换模块、光纤传输线路以及光电转换模块；所述控制系统(2)中的FPGA控制模块发出的控制信号波形经过电光转换模块之后，成为与电信号相匹配的光信号，该光信号经过光纤传输线路传播到所述的光电转换模块，然后所述光信号经过光电转换模块之后转换成为相应的电信号；

所述高压形成系统(4)包含充电隔离电阻、Marx电路、LTD电路以及触发电路；所述高压形成系统(4)包括若干级，每一级由Marx电路和LTD电路组成，输出脉冲电压的叠加同时通过Marx电路和LTD电路共同实现；所述Marx电路接入电源；所述控制信号通过信号转换系统(3)注入并驱动Marx电路和LTD电路；

所述LTD电路等效于变压器；同一级中，所述Marx电路的输出端接入LTD电路的一次侧；每一级的LTD电路的二次侧被依次串联；第一级和最后一级的LTD电路中，分别有一个未被串联的端子，这两个端子即为复合模式固态脉冲源的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种复合模式固态脉冲源，其特征在于：所述电源系统(1)包括市电电源、以及由所述市电电源供电的高压直流供电模块、开关电源以及DC转DC的隔离供电模块I和DC转DC的隔离供电模块II；其中，市电电源直接的或者间接的给本系统需要供电的模块提供电能；

市电电源直接给开关电源和计算机供电；开关电源输的直流电给高压直流供电模块、单片机、FPGA模块、DC转DC隔离供电模块I、DC转DC隔离供电模块II和电光转换模块进行供电；DC转DC的隔离供电模块II给光电转换模块进行供电；DC转DC的隔离供电模块I给触发电路进行供电。

3.根据权利要求1或2所述的一种复合模式固态脉冲源，其特征在于：所述电源系统(1)中的高压直流供电模块的输出端连接到充电隔离电阻上，经过充电隔离电阻之后，高压直流电输入到Marx电路和LTD电路，给Marx电路和LTD电路的储能电容充电；高压形成系统中的触发电路将所述信号转换系统(3)中的光电转换模块输出的电信号进行电压、电流放大之后连接到Marx电路和LTD电路中的固态半导体开关器件的控制极，用于控制固态开关按照一定的参数进行导通/关断。

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