CN107565933A - 一种高压脉冲电源参数化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压脉冲电源参数化装置及方法，本发明中将m个开关组串联，并给每个开关组均提供直流电压；数据处理模块通过控制这m个固体开关组的开关时序，使这m个固体开关组导通和关断的起始时间、持续时间、以及结束时间不同，从而产生具有一定电压幅值的脉冲电压，并且该脉冲的上升沿和下降沿可调、脉冲宽度可调。数据处理模块根据参数输入端所设置的参数，产生有一定特征控制信号，分别对m个开关组进行参数控制和分配，是高压脉冲电源参数化并最终产生所需高压脉冲的关键。

Description

一种高压脉冲电源参数化装置及方法

技术领域

本发明属于高压脉冲电源领域，具体涉及一种高压脉冲电源参数化装置及方法。

背景技术

高压脉冲电源对气体放电产生的电子能量密度，能耗、活性粒子的效率和种类等具有决定性作用，在材料表面处理、环境污染治理、生物医学、等离子体点火和辅助燃烧等国防和民用前沿领域具有广泛的应用前景。目前国内外的高压脉冲电源输出脉冲的参数一般均是固定不变的，不利于脉冲气体放电机理、特性和应用的深入研究。本发明提出了一种高压脉冲电源参数化的方法和装置，通过把高压脉冲电源输出的脉冲参数化并进行分析和处理，控制高压脉冲电源中固体开关组模块的开关时序，可以得到脉冲上升沿、下降沿，脉冲幅值、脉冲宽度、脉冲频率和脉冲数等脉冲参数可以灵活调节的参数化高压脉冲电源。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种高压脉冲电源参数化装置及方法，通过数据处理模块对高压脉冲源的开关组模块工作状态进行调节和控制，实现全部高压脉冲波形参数的设置和调节。

为了达到上述目的，一种高压脉冲电源参数化装置，包括数据处理模块和高压直流电源模块，数据处理模块和高压直流电源模块均连接固体开关组模块，数据处理模块连接参数输入模块；

固体开关组模块包括m个通过串联方式耦合的开关组，每个开关组均设置有控制端，控制端接入数据处理模块，每个开关组均包括高端开关S1和低端开关S2，高端开关S1和低端开关S2均接入高压直流电源模块，前端开关组连接后端开关组的GND端，首端开关组通过GND端连接高压脉冲输出GND端，末端开关组设置有高压脉冲输出V_H端。

一种高压脉冲电源参数化装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤一，数据处理模块接收参数输入模块发来的输出脉冲的参数信息；

步骤二，数据处理模块将参数信息转化为控制信号发送至固体开关组模块；

步骤三，固体开关组模块通过高压直流电源模块提供的直流电压供电，并将控制信号转化为符合目标参数的高压脉冲发送至高压脉冲输出端。

步骤三中，目标参数包括上升沿参数、下降沿参数、电压参数、宽度参数和频率参数。

对高压脉冲上升沿参数调控时，输入端给定输出脉冲的上升沿参数为T₁，T₁≥t₁，t₁为固体开关的导通时间，经数据处理模块处理后，产生的控制信号对固体开关组模块中每个开关组进行延时分配，开关组根据各自延时依次开始导通。

对高压脉冲下降沿参数调控时，当输入端给定输出的下升沿参数为T₂，T₂≥t₂，t₂为固体开关的关断时间，经数据处理模块产生的控制信号会对固体开关组模块中每个开关组进行延时分配，开关组根据各自延时依次开始关断。

高压脉冲电压参数的调控就是根据输出要求的电压值，给m个开关组进行电压分配的过程，具体过程如下：

第一步，m个开关组在电路结构上是以串联的方式耦合在一起的，数据处理模块通过控制信号将电压参数分配给每一个固体开关组；

第二步，固体开关组的相关电路在高压直流电源模块的驱动下，产生相应幅值的电压；

第三步，工作的开关组产生的电压通过串联结构叠加起来，最终在输出端产生所要求幅值的高压脉冲；

当产生的电压幅值达到稳定时，m个开关组的开关处于完全导通或者关断的状态，此时所有的高端开关S₁是完全导通或关断的，所有的低端开关S₂是完全导通或者关断的；在允许的工作范围内，每个开关组产生的脉冲电压的幅值是连续调节的，串联叠加后在输出端产生高压脉冲在一定范围内也是连续可调的。

高压脉冲的脉冲宽度参数的调控通过对开关组模块导通延时的调控来实现，具体过程如下：

第一步，数据处理模块将高压脉冲的脉冲宽度参数值转化为延时信息；

第二步，当经过上升沿，高压脉冲的电压达到稳定时，处于工作状态的开关组全部处于完全导通的状态，设各个开关组完全导通的时刻为t_1o＜t_2o＜t_(n-1)o＜t_no，n≤m，在t＝t_no时最后一个开关组完全导通，此时，脉冲幅值理论上达到所设定参数值；

根据控制信号的延时信息，所有工作的开关组开始同时维持完全导通的状态，且保持导通状态的时间为t₀，假设先导通的开关组也先关断，则第一个开关组在t＝t_no+t₀+t_x1时开始关断，第二个开关组在t＝t_no+t₀+t_x2时开始关断，t_xn为开关组在下降沿被分配的关断延时，以此类推，脉冲波形出现下降沿。

对高压脉冲频率参数的调控是通过数据处理模块产生的控制信号对各开关组中开关通断频率的控制来实现的，具体过程如下：

第一步，数据处理模块根据接收到的频率参数，周期性地对固体开关组模块发送相同的控制信号，发送的频率为f；

第二步，固体开关组模块通过接收端接收到具有固定频率f的控制信号，周期性地导通和关断，开关组模块的每一次完整的导通和关断的过程都会产生一个高压脉冲，且每一路控制信号在一个周期中彼此的导通和关断的开关延时信息都是固定的，故在输出端会周期性地产生相同的高压脉冲信号，并且在允许的频率范围内，当所有开关组都完成同一个周期的导通和关断后，才会进入下一个产生脉冲的周期。

与现有技术相比，本发明的脉冲波形的产生由数据处理模块和固体开关组模块的配合来实现。通过数据处理模块对作为高压脉冲源的固体开关组模块工作状态进行调节和控制，实现全部高压脉冲波形参数的设置和调节。高压脉冲波形的参数包括上升沿、下降沿、电压、脉冲宽度、频率和脉冲数等，通过设置和调节这些脉冲参数，可以得到不同特征的脉冲波形。

本发明的方法中将m个开关组串联，并给每个开关组均提供直流电压；数据处理模块通过控制这m个固体开关组的开关时序，使这m个固体开关组导通和关断的起始时间、持续时间、以及结束时间不同，从而产生具有一定电压幅值的脉冲电压，并且该脉冲的上升沿和下降沿可调、脉冲宽度可调。数据处理模块根据参数输入端所设置的参数，产生有一定特征控制信号，分别对m个开关组进行参数控制和分配，是高压脉冲电源参数化并最终产生所需高压脉冲的关键。

进一步的，本发明控制m个固体开关组开关时序的信号可以是周期性的信号、也可以是非周期性信号；可以是有限周期性信号，也可以是无限周期性信号。因此，输出的高压脉冲可以是周期性高压脉冲、也可以是非周期性高压脉冲；可以是任意有限脉冲数的高压脉冲，也可以是无限脉冲数的高压脉冲。

附图说明

图1是本发明参数化流程图；

图2是本发明中高压脉冲电源实现参数化的装置；

图3是本发明中n个开关组均处于工作状态且导通延时非均匀分配的上升沿参数化方法示意图(n≤m)；

图4是本发明中m个开关组均处于工作状态且导通延时均匀分配的上升沿参数化方法示意图；

图5是本发明中n个开关组均处于工作状态且关断延时非均匀分配的下降沿参数化方法示意图(n≤m)；

图6是本发明中m个开关组均处于工作状态且关断延时均匀分配的下降沿参数化方法示意图；

图7是本发明中m个开关组均处于工作状态的脉冲电压幅值参数化方法示意图；

图8是本发明中脉冲宽度参数化方法示意图；

图9是本发明中脉冲频率参数化方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的高压脉冲参数化流程如图1所示。以下对本发明中，对上升沿、下降沿、电压、频率、脉宽和脉冲数实现参数化的具体过程进行说明。可能用到的参数或变量的名称如下：

固体开关组数量及其对应控制信号的路数m(m＝2，3，4，……，500)；

固体开关组模块中每个开关的固有导通时间t₁；

固体开关组模块中每个开关的固有关断时间t₂；

输出脉冲的上升沿参数T₁；

输出脉冲的下降沿参数T₂；

开关组的导通或关断延时参数t_x为延时均匀分配，t_xm为延时非均匀分配；m＝2，3，4，……，500；

输出脉冲的脉宽参数t₀；

第一个开关组导通的时刻为t_1o，第二个开关组导通的时刻为t_2o，以此类推，第m个开关组导通的时刻为t_mo；

周期性控制信号的频率f。

本发明中，数据处理模块1与固体开关组模块2的组合方式如图2所示。数据处理模块1产生包含输出脉冲参数信息的控制信号，控制信号分为G₁，G₂，……，G_m，共m路，分别对固体开关组模块2中的每一个开关组进行参数控制和分配。这里的控制信号可以是包含全部参数信息的单一控制信号，也可以是一个脉冲周期里分别具有各个参数信息的一系列控制信号的总合。固体开关组模块2由m个开关组通过串联的方式耦合在一起，每个开关组均有相应的控制端，通过控制端接收对应的控制信号。每个开关组包含高端开关S₁和低端开关S₂。就实际开关而言，每个开关都不是理想的，因此导通和关断都不能瞬间完成，都有其固定的导通时间和关断时间；本发明中所使用的开关均为同一种开关，故开关的导通时间和关断时间可以分别认为是一个常数，其误差可以忽略。此外，外接高压直流电源模块3对每个开关组提供直流工作电压，驱动固体开关组模块在控制信号的调控下产生相应的高压脉冲。

对高压脉冲上升沿参数的调控，实际上就是对开关组模块导通时序的控制。如图3所示，每一个开关都有固定的导通时间，且同一种开关的导通时间是相同的，设该常数为t₁。假定当输入端给定输出脉冲的上升沿参数为T₁(T₁≥t₁)，经数据处理模块处理，产生的控制信号会对固体开关组模块中每个开关组进行延时分配，开关组根据各自延时依次开始导通，假设有n个开关组工作(n≤m)，从第一个开关组开始导通，到第n个开关组也开始导通并经过时间t₁完全导通时，所用的时间即为上升沿T₁，即T₁＝t_x1+t_x2+……+t_xn+t₁。

如图4所示，在产生上升沿时，m个开关组可以均处于工作状态(n＝m)，也可以只有部分处于工作状态(n＜m)；延时的分配方式可以是均匀分配，也可以是非均匀分配。以m个开关组均处于工作状态且延时均匀分配为例，假设t＝0时第一个开关组打开(未导通)，经延时t_x后第二个开关组打开(未导通)，再经过延时t_x后，第三个开关组打开(未导通)；以此类推，当t＝(m－1)·t_x时，第m个开关组打开，并且在t＝(m－1)·t_x+t₁时完全导通。此时，所有的m个开关组也必定完全导通。若达到了输出参数所要求的上升沿T₁，则每个开关组的开启延时t_x满足等式(m－1)·t_x+t₁＝T₁，即延时t_x＝(T₁－t₁)/(m－1)，tx与上升沿T₁之间呈简单的线性关系。因此，按照t_x＝(T₁－t₁)/(m－1)来进行开关组延时的分配，可以使的上升沿达到要求的上升沿参数T₁。此外，由于受到开关性能及其他因素的限制，所能实现的上升沿T₁与开关导通延时t₁之间实际满足T₁>t₁。考虑到为了更有效的利用数据处理模块的存储资源，使得控制信号与开关组之间参数分配与调控更加高效，本发明中上升沿参数按照一定梯度设置，是间断可调的。

高压脉冲下降沿参数调控的方法与对上升沿调控的原理相同。如图5所示，与导通时间相对应，每一个开关也有固定的关断时间，且同一种开关的关断时间是相同的，设该常数为t₂。当输入端给定输出的下升沿参数为T₂(T₂≥t₂)，经数据处理模块产生的控制信号会对固体开关组模块中每个开关组进行延时分配，开关组根据各自延时依次开始关断，假设有n个开关组工作(n≤m)，从第一个开关组开始关断，到最后一个开关组开始关断并经过时间t₂完全关断时，所用的时间即为下降沿参数T₂，即T₂＝t_x1+t_x2+……+t_xn+t₂。

在产生下降沿时，处于工作状态的开关组即为产生对应上升沿时工作的开关组；延时的分配方式可以是均匀分配，也可以是非均匀分配。如图6所示，以m个开关组均处于工作状态且延时均匀分配为例，假设t＝0时第一个开关组关闭(未关断)，经延时t_x后第二个开关组关闭(未关断)，再经过延时t_x后，第三个开关组关闭(未关断)；以此类推，当t＝(m－1)·t_x时，第m个开关组关闭,并且在t＝(m－1)·t_x+t₂时完全关断。此时，所有的m个开关组模块也均完全关断。若达到了输出参数所要求的上升沿T₂，则相每个开关组模块所分配的延时t_x满足(m－1)·t_x+t₂＝T₂，即延时t_x＝(T₂－t₂)/(m－1)，与上升沿T₂之间呈简单的线性关系。这样的开关组延时分配可以使得下降沿达到要求的下降沿参数T₂。由于受到开关性能及其他因素的限制，所能实现的上升沿T₂与开关导通延时t₂之间实际满足T₂>t₂。考虑到为了更有效的利用数据处理模块的存储资源，使得控制信号与开关组之间参数分配与调控更加高效，本发明中下降沿参数也按照一定梯度设置，是间断可调的。此外，开关组导通和关断的时序控制可以是任意的，即第一个导通的开关组可以第一个关断，也可以不是。

高压脉冲电压参数的调控就是根据输出要求的电压值，给m个开关组进行电压分配的过程。如图7所示，m个开关组在电路结构上是以串联的方式耦合在一起的，数据处理模块1通过控制信号将电压参数分配给每一个固体开关组，固体开关组的相关电路在高压直流电源模块3的驱动下，产生相应幅值的电压。工作的开关组产生的电压通过串联结构叠加起来，最终在输出端产生所要求幅值的高压脉冲。此外，由于上升沿和下降沿，以及电压过冲的要求，在产生脉冲电压时，开关组必然按一定时序依次打开。因此开关组中的开关并不是同时导通或者关断的，即对于固体开关组模块2而言，所有的高端开关S₁不一定是同时导通或者关断的，所有的低端开关S₂也不一定是同时导通或关断的。当产生的电压幅值达到稳定时，m个开关组的开关处于完全导通或者关断的状态，此时所有的高端开关S₁是完全导通或关断的，所有的低端开关S₂也是完全导通或者关断的。达到某个电压幅值的过程，与上升沿和下降沿的产生过程相对应，m个开关组可以均处于工作状态，也可以只有部分处于工作状态；且每个开关组产生的电压幅值可以是相同的，也可以是不同的。在允许的工作裕度内，每个开关组产生的脉冲电压的幅值是可以连续调节的，串联叠加后在输出端产生高压脉冲在一定范围内也是连续可调的。

高压脉冲的脉冲宽度参数的调控通过对开关组模块导通延时的调控来实现。如图8所示，数据处理模块1将高压脉冲的脉冲宽度参数值转化为延时信息。当经过上升沿，高压脉冲的电压达到稳定时，处于工作状态的开关组全部处于完全导通的状态。设各个开关组完全导通的时刻为t_1o＜t_2o＜t_(n-1)o＜t_no，(n≤m)。在t＝t_no时最后一个开关组完全导通，此时，脉冲幅值理论上达到所设定参数值。根据控制信号的延时信息，所有工作的开关组开始同时维持完全导通的状态，且保持导通状态的时间为t₀。假设先导通的开关组也先关断，则第一个开关组在t＝t_no+t₀+t_x1时开始关断，第二个开关组在t＝t_no+t₀+t_x2(t_xn为开关组在下降沿被分配的关断延时)时开始关断，以此类推，脉冲波形出现下降沿。因此，最终输出的高压脉冲波形有相应的脉冲宽度t₀，且脉冲宽度在该过程中是连续可调的。

如图9所示，对高压脉冲频率参数的调控，是通过数据处理模块1产生的控制信号对各开关组中开关通断频率的控制来实现的。m个开关组中所有开关S₁是相同的，所有低端开关S₂也是相同的；所有的高端开关S₁都具有相同的导通和关断时间，所有的低端开关S₂也具有相同的导通和关断时间，所以每一个开关组的导通和关断的性能是一样的，可以达到相同导通和关断的频率。数据处理模块1根据接收到的频率参数，周期性地对固体开关组模块2发送相同的控制信号，发送的频率为f。固体开关组模块2通过接收端接收到具有固定频率f的控制信号，周期性地导通和关断。开关组模块的每一次完整的导通和关断的过程都会产生一个高压脉冲，且每一路控制信号在一个周期中彼此的导通和关断的开关延时信息都是固定的，故在输出端会周期性地产生相同的高压脉冲信号。并且在允许的频率范围内，当所有开关组都完成同一个周期的导通和关断后，才会进入下一个产生脉冲的周期。即某个开关组开始新一个周期的导通或关断时，比其延时早的开关组必然都处于同一个周期的导通的状态，比其延时晚的开关组必然都处于完全关断的状态。输出的脉冲信号与控制信号具有相同的频率，满足所设置频率参数的要求。输出频率在一定范围内是连续可调的。

当频率参数给定后，在周期性的脉冲信号驱动下，m个开关组的导通和关断周期性地进行，按照一定频率连续地产生高压脉冲。从理论上讲，在所有工作条件允许的条件下，高压脉冲可以无穷尽地产生下去。但是在实际需求中，很多情况下要求脉冲数是有限的，因此需要产生具有一定脉冲数的高压脉冲。当参数输入模块输入具体的脉冲数参数后，数据处理模块会在对开关组发出控制信号的同时开始计数。当开关组模块完成一次完全导通和关断，产生一个高压脉冲时，数据处理模块计数加1；在周期性控制信号的作用下，固体开关组模块不断地完成导通和关断，产生周期性的高压脉冲，计数依次递增。当计数达到脉冲数时，控制信号会控制输出端不再产生脉冲，最终得到有限脉冲数的高压脉冲。若不要求输出脉冲数，则在工作期间会以固定频率持续地产生高压脉冲。脉冲数参数在一定数值范围内是连续可调的，当超过该数值之后可近似认为脉冲数是无穷的。

通过上述高压脉冲参数化的过程可知，数据处理模块产生的控制信号，可以是周期信号，也可以是非周期信号。一个完整的控制信号至少包含了固体开关组模块导通和关断时序的延时信，固体开关组模块保持导通状态的延时，以及每个开关组模块所分配的电压幅值；周期性的控制信号还必须具有特定的频率，且数据处理模块在产生高压脉冲时同步进行计数。最终，控制信号对脉冲的上升沿、下降沿、电压、频率、脉冲宽度以及脉冲数等参数进行准确地设置、调节和分配，在输出端产生电压、频率、脉冲宽度以及脉冲数在一定范围内连续可调，上升沿和下降沿间断可调的高压脉冲。

Claims (8)

1.一种高压脉冲电源参数化装置，其特征在于，包括数据处理模块(1)和高压直流电源模块(3)，数据处理模块(1)和高压直流电源模块(3)均连接固体开关组模块(2)，数据处理模块(3)连接参数输入模块(4)；

固体开关组模块(2)包括m个通过串联方式耦合的开关组，每个开关组均设置有控制端，控制端接入数据处理模块(1)，每个开关组均包括高端开关S1和低端开关S2，高端开关S1和低端开关S2均接入高压直流电源模块(3)，前端开关组连接后端开关组的GND端，首端开关组通过GND端连接高压脉冲输出GND端，末端开关组设置有高压脉冲输出V_H端。

2.权利要求1所述的一种高压脉冲电源参数化装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，数据处理模块(1)接收参数输入模块(4)发来的输出脉冲的参数信息；

步骤二，数据处理模块(1)将参数信息转化为控制信号发送至固体开关组模块(2)；

步骤三，固体开关组模块(2)通过高压直流电源模块(3)提供的直流电压供电，并将控制信号转化为符合目标参数的高压脉冲发送至高压脉冲输出端。

3.根据权利要求2所述的一种高压脉冲电源参数化装置的工作方法，其特征在于，步骤三中，目标参数包括上升沿参数、下降沿参数、电压参数、宽度参数和频率参数。

4.根据权利要求3所述的一种高压脉冲电源参数化装置的工作方法，其特征在于，对高压脉冲上升沿参数调控时，输入端给定输出脉冲的上升沿参数为T₁，T₁≥t₁，t₁为固体开关的导通时间，经数据处理模块处理后，产生的控制信号对固体开关组模块中每个开关组进行延时分配，开关组根据各自延时依次开始导通。

5.根据权利要求3所述的一种高压脉冲电源参数化装置的工作方法，其特征在于，对高压脉冲下降沿参数调控时，当输入端给定输出的下升沿参数为T₂，T₂≥t₂，t₂为固体开关的关断时间，经数据处理模块产生的控制信号会对固体开关组模块中每个开关组进行延时分配，开关组根据各自延时依次开始关断。

6.根据权利要求3所述的一种高压脉冲电源参数化装置的工作方法，其特征在于，高压脉冲电压参数的调控就是根据输出要求的电压值，给m个开关组进行电压分配的过程，具体过程如下：

第一步，m个开关组在电路结构上是以串联的方式耦合在一起的，数据处理模块(1)通过控制信号将电压参数分配给每一个固体开关组；

第二步，固体开关组的相关电路在高压直流电源模块(3)的驱动下，产生相应幅值的电压；

第三步，工作的开关组产生的电压通过串联结构叠加起来，最终在输出端产生所要求幅值的高压脉冲；

当产生的电压幅值达到稳定时，m个开关组的开关处于完全导通或者关断的状态，此时所有的高端开关S₁是完全导通或关断的，所有的低端开关S₂是完全导通或者关断的；在允许的工作范围内，每个开关组产生的脉冲电压的幅值是连续调节的，串联叠加后在输出端产生高压脉冲在一定范围内也是连续可调的。

7.根据权利要求3所述的一种高压脉冲电源参数化装置的工作方法，其特征在于，高压脉冲的脉冲宽度参数的调控通过对开关组模块导通延时的调控来实现，具体过程如下：

第一步，数据处理模块(1)将高压脉冲的脉冲宽度参数值转化为延时信息；

第二步，当经过上升沿，高压脉冲的电压达到稳定时，处于工作状态的开关组全部处于完全导通的状态，设各个开关组完全导通的时刻为t_1o＜t_2o＜t_(n-1)o＜t_no，n≤m，在t＝t_no时最后一个开关组完全导通，此时，脉冲幅值理论上达到所设定参数值；

根据控制信号的延时信息，所有工作的开关组开始同时维持完全导通的状态，且保持导通状态的时间为t₀，假设先导通的开关组也先关断，则第一个开关组在t＝t_no+t₀+t_x1时开始关断，第二个开关组在t＝t_no+t₀+t_x2时开始关断，t_xn为开关组在下降沿被分配的关断延时，以此类推，脉冲波形出现下降沿。

8.根据权利要求3所述的一种高压脉冲电源参数化装置的工作方法，其特征在于，对高压脉冲频率参数的调控是通过数据处理模块(1)产生的控制信号对各开关组中开关通断频率的控制来实现的，具体过程如下：

第一步，数据处理模块(1)根据接收到的频率参数，周期性地对固体开关组模块(2)发送相同的控制信号，发送的频率为f；

第二步，固体开关组模块(2)通过接收端接收到具有固定频率f的控制信号，周期性地导通和关断，开关组模块的每一次完整的导通和关断的过程都会产生一个高压脉冲，且每一路控制信号在一个周期中彼此的导通和关断的开关延时信息都是固定的，故在输出端会周期性地产生相同的高压脉冲信号，并且在允许的频率范围内，当所有开关组都完成同一个周期的导通和关断后，才会进入下一个产生脉冲的周期。