CN108429547B - 一种产生负高压脉冲的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生负高压脉冲的装置，属于高压脉冲电源结构设计领域，本发明通过将两个固态开关直接串联构成一个开关组，并把若干个开关组通过悬浮级联的方式连接起来，每组开关都并联有一个储能器件，从而共同组成一个开关模块。对开关模块中的每一个开关组分别输入高压直流信号和控制信号，通过控制每个开关组的输入信号，可以产生拥有所需参数特征的负高压脉冲输出。该装置电路结构简单且易于实现，能够通过控制悬浮级联的若干个开关组的工作状态，得到拥有所需参数特征的负高压脉冲输出。

Description

一种产生负高压脉冲的装置

技术领域

本发明属于高压脉冲电源结构设计领域，具体涉及一种产生负高压脉冲的装置。

背景技术

高压脉冲电源在加速器技术、激光技术和快速照相技术等领域有着广泛的应用。现有的产生负高压脉冲的方法和装置主要采用以下方法实现：(1)基于谐振充电原理，采用磁开关和氢闸流管作为开关产生负高压脉冲，输出负脉冲的电压幅值可以达到几十至上百千伏，但是重复频率比较低，只有几千赫兹；(2)基于触发管与平面三极管的负高压脉冲产生方法，脉冲前沿时间可达几纳秒，抖动低于1纳秒；(3)基于单个大功率固体MOSFET管作为开关的方式产生负高压脉冲，电路的复杂性较低，稳定性较高，但受单个MOSFET管耐压值限制，输出电压幅值只有几千伏；(4)基于多个功率MOSFET串联作为开关的方式产生负高压脉冲，直接用脉冲触发功率MOSFET，舍弃驱动电路，减小了驱动电路带来的分布电感影响，缺点是脉冲参数不可变。除功率MOSFET外，还有采用双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和半浮栅晶体管(SFGT)等半导体开关的负高压脉冲产生方法。

但是，上述的产生负高压脉冲方法的装置均无法实现脉冲波形参数可变的功能。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种产生负高压脉冲的装置，能够通过控制悬浮级联的若干个开关组的工作状态，得到拥有所需参数特征的负高压脉冲输出。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种产生负高压脉冲的装置，包括低压直流电源模块、高压直流电源模块、控制模块和开关模块；

低压直流电源模块，分别为高压直流电源模块、控制模块和开关模块提供低压直流供电输入；高压直流电源模块，为开关模块提供高压直流输入；控制模块，为开关模块提供控制信号输入；开关模块，用于输出负高压脉冲；

所述开关模块，由悬浮级联的m级开关组SWi和对应的m级储能器件组成；每一个开关组均由一个高端固态开关Kax和一个低端固态开关Kby串联组成，其中，i＝1,2,…,m，x＝1,2,…,m，y＝1,2,…,m，m大于2；每一个固态开关都设有高压端D、低压端S和控制端G；

所述高压直流电源模块，由m个高压直流电源子模块DC₁，DC₂，…，DC_m组成，m个高压直流电源子模块相互隔离；

所述控制模块，由m个相互独立的控制信号组成，m个控制信号G1，G2，…，Gm分别和开关组SW1，SW2，…，SWm的控制端G相连，每一级开关组的控制信号输入相互独立，每一路控制信号能够单独控制对应开关组SWi的导通和关断。

优选地，高压直流电源模块为开关模块提供高压直流输入时，高压直流电源模块可以由m个高压直流电源子模块组成，分别给对应的m个开关组提供高压直流输入，m个高压直流电源子模块之间相互隔离；或者，由一个高压直流电源子模块给m个开关组提供高压直流输入，m个开关组之间相互隔离。

进一步优选地，高压直流电源模块给开关模块提供的高压直流输入为正压输入或负压输入；m组开关的m个高压直流输入全都是正压输入，或者全都是负压输入，或者一部分是正压输入，其余部分是负压输入；

高压直流电源模块中各高压直流电源子模块的输出电压相同或不同，或者部分相同、部分不同。

优选地，高端固态开关Kax的高压端D为高压直流输入的高端Vp，低端固态开关Kby的低压端S为低端GND，高端固态开关Kax的低压端S和低端固态开关Kby的高压端D直接相连构成开关组的输出端Vout。

进一步优选地，高一级开关组的高端Vp与低一级开关组的输出端Vout直接相连，高一级开关组的低端GND与低一级开关组的输出端Vout之间通过储能器件相连。

优选地，储能器件为电容、电感或电容和电感的组合。

优选地，m个高压直流电源子模块之间通过变压器或单向导通器件隔离。

优选地，低压直流电源模块包括若干个低压直流电源子模块，若干个低压直流电源子模块之间相互隔离，分别为开关模块、控制模块和高压直流电源模块提供低压直流电源。

进一步优选地，低压直流电源模块中的各个低压直流电源子模块的负端与对应的负载的低端相连，正端与对应的负载的高端相连；各个低压直流电源子模块采用DC-DC变换模块，也可以是其它方式的电源产生装置。

优选地，同一组的各固态开关可以是同一种类型的开关，也可以是不同类型的开关；不同组的各固态开关可以是同一种类型的开关，也可以是不同类型的开关。构成开关Kax和Kby的开关类型包括MOSFET、IGBT、SiC-MOSFET、快速电离器件、光导开关、延迟击穿二极管、阶跃漂移恢复二极管或阶跃恢复二极管等，但是不限于这类开关。

在控制信号的控制下，每一级开关组中的高端固态开关Kax和低端固态开关Kby不能同时导通，能够同时关断；

悬浮级联的开关组中，当每组开关中的高端固态开关Kax和低端固态开关Kby由一组开关构成时，构成高端固态开关Kax和低端固态开关Kby的开关由几个子开关串联或并联构成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过悬浮级联的固态开关组产生负高压脉冲输出，将两个固态开关直接串联构成一个开关组，并把若干个开关组通过悬浮级联的方式连接起来，每组开关都并联有一个储能器件，从而共同组成一个开关模块。对开关模块中的每一个开关组分别输入高压直流信号和控制信号，通过控制每个开关组的输入信号，可以产生拥有所需参数特征的负高压脉冲输出。本发明通过悬浮级联的固态开关组的导通和关断控制储能器件的工作状态，从而输出周期的、非周期的或者任意数目的负高压脉冲。固态开关组中开关的时序和导通时间等均可调，使得与输出的负高压脉冲相关的全部参数都可以连续或非连续地调节。本发明的电路结构设计简单且易于实现。负高压脉冲输出的各项参数均可通过控制输入信号来连续或非连续地调节。其中，负高压脉冲输出的幅值可由高压直流电源的输出电压和开关组导通的级数控制，重复频率可由控制信号的频率控制，脉冲宽度可由控制信号的占空比控制，脉冲上下沿时间可由控制信号的时序控制。

附图说明

图1是本发明装置的系统结构图；

图2是本发明装置中负高压脉冲产生电路可能的结构组成；

图3是本发明实施例1中产生负高压脉冲的电路结构图；

图4是本发明实施例2中产生负高压脉冲的电路结构图；

图5是本发明实施例3中产生负高压脉冲的电路结构图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明的产生负高压脉冲的装置，由低压直流电源模块、高压直流电源模块、控制模块和开关模块四个部分组成。低压直流电源模块分别给高压直流电源模块、控制模块和开关模块提供低压直流供电输入，高压直流电源模块给开关模块提供高压直流输入，控制模块给开关模块提供控制信号输入，最终由开关模块输出负高压脉冲。每个高压直流电源子模块、控制子模块和开关子模块均需要一路低压直流电源，这些路低压直流电源需要分别进行隔离。其中：

开关模块的作用是，通过悬浮级联的开关组和储能器件结合的电路，直接在最后一级电路产生负高压脉冲输出，各开关组之间工作状态相互独立，互不影响。开关模块由悬浮级联的m组开关SW1，SW2，…，SWm和对应的m级储能器件(m不小于2)共同组成，其中每一个开关组均由一个高端固态开关Kax(x＝1,2,…,m)和一个低端固态开关Kby(y＝1,2,…,m)串联组成。开关组中的每一个固态开关都有高压端D，低压端S和控制端G。高端固态开关Kax的高压端D是高压直流输入的高端Vp，低端固态开关Kby的低压端S是低端GND，Kax的低压端S和Kby的高压端D直接相连作为开关组的输出端Vout。高一级开关组的高端Vp与低一级开关组的输出端Vout直接相连，高一级开关组的低端GND与低一级开关组的输出端Vout之间通过储能器件相连。储能器件可以是电容，也可以是电感，或者是电容和电感的组合。

控制模块的作用是，通过给开关模块提供控制信号来控制开关组中各开关的工作状态，从而实现对负高压脉冲输出波形参数的调节。控制模块给开关模块提供控制信号。其中，m个控制信号G1，G2，…，Gm分别和开关组SW1，SW2，…，SWm的控制端G相连。m个控制信号G1，G2，…，Gm是相互独立的，即每一路控制信号可以单独控制对应开关组SWi的导通和关断。控制模块中，控制信号G1，G2，…，Gm之间相互隔离。

高压直流电源模块给开关模块提供高压直流输入，其中，高压直流电源模块可以由m个高压直流电源组成，分别给对应的m组开关提供高压直流输入，m个高压直流电源之间相互隔离；或是一个高压直流电源给m组开关提供高压直流输入，m组开关之间相互隔离。控制模块给开关模块提供控制信号，每一级开关组中Kax和Kby不能同时导通，但可以同时关断。每一级开关组的控制信号输入是相互独立的，即通过控制信号可以单独控制每一级开关组的导通和关断，从而在最高一级开关组SWm的输出端得到拥有所需参数特征的负高压脉冲输出。

根据图1所示的装置系统结构，该电路的工作方式如下：

第一步：低压直流电源模块开始工作，分别给高压直流电源模块、控制模块和开关模块提供低压直流输入，并且这些低压直流电源子模块之间是相互隔离的。低压直流电源模块的具体输出电压、电流和电源种类等参数由其供电的目标模块的具体工作需求决定。

第二步，控制模块开始工作，将m个相互独立的控制信号G1，G2，…，Gm分别提供给对应的每一级开关组，并且单独控制其对应开关组中固态开关的导通和关断。控制模块提供的控制信号的具体时序、频率等参数由用户最终所需得到的负高压脉冲输出的参数来决定。

第三步，开关模块开始工作，其中，m组开关通过悬浮级联的方式连接在一起，通过一定时序的导通和关断控制储能器件的工作状态，并将最后一级储能器件的输出端作为最终的负高压脉冲的输出端。每一级开关组中的Kax和Kby由于受控制信号控制，不会同时导通，但可以同时关断。

第四步，高压直流电源模块开始工作，给开关模块中的每一级开关组分别提供高压直流输入，这些高压直流输入电压可以是相同的，也可以是不同的。由于当该模块开始工作时，其它模块已在工作状态中，因此开关模块将会在此时输出拥有所需参数特征的负高压脉冲。

以下通过具体的实施例来说明本发明提出的产生负高压脉冲的装置的工作过程。电路的具体连接方式如图2所示，假定所有高压直流电源子模块提供的电压均为-HV。

首先，开关组SW1，SW2，…，SWm中的高端固态开关Kax(x＝1,2,…,m)均导通，相应地，开关组SW1，SW2，…，SWm中的低端固态开关Kby(y＝1,2,…,m)均关断。此时，所有高压直流电源子模块DC₁，DC₂，…，DC_m的正端H均直接相连，与之相连的各级储能器件充电储能，则DC_m负端L的电压与DC₁的负端L电压相同。需要指出的是，最后一级储能器件的低端(即本发明装置的最后输出端)与DC_m的负端L通过单向器件连接，此单向器件在储能器件充电储能回路的方向是导通的，相应地，在充电储能回路的相反方向截止。因此，电路的输出端电压为DC₁的负端L电压，即0V。

接着，开关组SW1，SW2，…，SWm中的高端固态开关Kax(x＝1,2,…,m)均关断，相应地，开关组SW1，SW2，…，SWm中的低端固态开关Kby(y＝1,2,…,m)均导通。此时，SW1的输出电压为DC₁的负端L电压，即0V。由于SW1的输出端Vout和SW2的高端Vp、以及高压直流电源子模块DC₂的正端H相连，这时，储能器件将DC₂的负端L输出电压幅值抬高为-HV，因此，SW2的输出端电压也为-HV。依次类推，SW(m-1)的输出端电压为-(m-2)HV，SWm的输出端电压为-(m-1)HV，从而电路的输出端电压(即最后一级储能电容的低端电压)为-mHV。

如果按照上述时序循环控制Kax和Kby的导通和关断，就可以输出多个幅值为-mVH的负高压脉冲。

实施例1

本实施例中负高压脉冲产生电路如图3所示，高压直流电源子模块DC₁，DC₂，…，DC_m分别对每一级开关组提供-HV的电压，电路的输出端为最后一级储能器件的高端。

首先，开关组SW1，SW2，…，SWm中的高端固态开关Kax(x＝1,2,…,m)均导通，低端固态开关Kby(y＝1,2,…,m)均关断。此时，所有高压直流电源子模块DC₁，DC₂，…，DC_m的正端H均直接相连，与之相连的各级储能器件充电储能，电路的输出端电压为DC₁的正端H电压，即0V。

接着，开关组SW1，SW2，…，SWm中的高端固态开关Kax(x＝1,2,…,m)均关断，低端固态开关Kby(y＝1,2,…,m)均导通。此时，SW1的输出电压为DC₁的负端L电压，即-HV。由于SW1的输出端Vout和SW2的高端Vp、以及高压直流电源子模块DC₂的正端H相连，这时，储能器件将DC₂的负端L输出电压幅值抬高为-2HV，因此，SW2的输出端电压也为-2HV。依次类推，SW(m-1)的输出端电压为-(m-1)HV，SWm的输出端电压为-mHV，从而电路的输出端电压(即最后一级储能电容的高端电压)为-mHV。

如果按照上述时序循环控制Kax和Kby的导通和关断，就可以输出多个幅值为-mVH的负高压脉冲。

实施例2

本实施例中负高压脉冲产生电路如图4所示，高压电源模块给开关组提供一路幅值为HV的电压输入，开关组之间通过单向器件相互隔离，电路的输出端为最后一级储能器件的低端。

首先，开关组SW1，SW2，…，SWm中的高端固态开关Kax(x＝1,2,…,m)均导通，低端固态开关Kby(y＝1,2,…,m)均关断。此时，所有高压直流电源子模块DC₁，DC₂，…，DC_m的正端H均直接相连，单向器件处于导通状态，各级储能器件充电储能，电路的输出端电压为DC₁的负端L电压，即0V。

接着，开关组SW1，SW2，…，SWm中的高端固态开关Kax(x＝1,2,…,m)均关断，低端固态开关Kby(y＝1,2,…,m)均导通。此时，SW1的输出电压为DC₁的负端L电压，即0V。由于SW1的输出端Vout和SW2的高端Vp、以及高压直流电源子模块DC₂的正端H相连，这时，储能器件将DC₂的负端L输出电压幅值抬高为-HV，因此，SW2的输出端电压也为-HV。依次类推，SW(m-1)的输出端电压为-(m-2)HV，SWm的输出端电压为-(m-1)HV，从而电路的输出端电压(即最后一级储能电容的低端电压)为-mHV。。

如果按照上述时序循环控制Kax和Kby的导通和关断，就可以产生多个一定周期下幅值为-mVH的负高压脉冲。

实施例3

本实施例中负高压脉冲产生电路如图5所示，高压电源模块给开关组提供一路幅值为-HV的电压输入，开关组之间通过单向器件相互隔离，电路的输出端为最后一级储能器件的高端。

首先，开关组SW1，SW2，…，SWm中的高端固态开关Kax(x＝1,2,…,m)均导通，低端固态开关Kby(y＝1,2,…,m)均关断。此时，所有高压直流电源子模块DC₁，DC₂，…，DC_m的正端H均直接相连，单向器件处于导通状态，各级储能器件充电储能，电路的输出端电压为DC₁的正端H电压，即0V。

接着，开关组SW1，SW2，…，SWm中的高端固态开关Kax(x＝1,2,…,m)均关断，低端固态开关Kby(y＝1,2,…,m)均导通。此时，SW1的输出电压为DC₁的负端L电压，即-HV。由于SW1的输出端Vout和SW2的高端Vp、以及高压直流电源子模块DC₂的正端H相连，这时，储能器件将DC₂的负端L输出电压幅值抬高为-2HV，因此，SW2的输出端电压也为-2HV。依次类推，SW(m-1)的输出端电压为-(m-1)HV，SWm的输出端电压为-mHV，从而电路的输出端电压(即最后一级储能电容的高端电压)为-mHV。

如果按照上述时序循环控制Kax和Kby的导通和关断，就可以输出多个幅值为-mVH的负高压脉冲。

Claims (8)

1.一种产生负高压脉冲的装置，其特征在于，包括低压直流电源模块、高压直流电源模块、控制模块和开关模块；

低压直流电源模块，分别为高压直流电源模块、控制模块和开关模块提供低压直流供电输入；高压直流电源模块，为开关模块提供高压直流输入；控制模块，为开关模块提供控制信号输入；开关模块，用于输出负高压脉冲；

所述开关模块，由悬浮级联的m级开关组SWi和对应的m级储能器件组成；每一个开关组均由一个高端固态开关Kax和一个低端固态开关Kby串联组成，其中，i＝1,2,…,m，x＝1,2,…,m，y＝1,2,…,m，m大于2；每一个固态开关都设有高压端D、低压端S和控制端G；

所述高压直流电源模块，由m个高压直流电源子模块DC₁，DC₂，…，DC_m组成，m个高压直流电源子模块相互隔离；

所述控制模块，由m个相互独立的控制信号组成，m个控制信号G1，G2，…，Gm分别和开关组SW1，SW2，…，SWm的控制端G相连，每一级开关组的控制信号输入相互独立，每一路控制信号能够单独控制对应开关组SWi的导通和关断；

高压直流电源模块为开关模块提供高压直流输入时，采用：

由m个高压直流电源子模块分别给对应的m个开关组提供高压直流输入，m个高压直流电源子模块之间相互隔离；或者，由一个高压直流电源子模块给m个开关组提供高压直流输入，m个开关组之间相互隔离；高端固态开关Kax的高压端D为高压直流输入的高端Vp，低端固态开关Kby的低压端S为低端GND，高端固态开关Kax的低压端S和低端固态开关Kby的高压端D直接相连构成开关组的输出端Vout。

2.根据权利要求1所述的产生负高压脉冲的装置，其特征在于，高压直流电源模块给开关模块提供的高压直流输入为正压输入或负压输入；m组开关的m个高压直流输入全都是正压输入，或者全都是负压输入，或者一部分是正压输入，其余部分是负压输入；

高压直流电源模块中各高压直流电源子模块的输出电压相同或不同，或者部分相同、部分不同。

3.根据权利要求1所述的产生负高压脉冲的装置，其特征在于，高一级开关组的高端Vp与低一级开关组的输出端Vout直接相连，高一级开关组的低端GND与低一级开关组的输出端Vout之间通过储能器件相连。

4.根据权利要求1或3所述的产生负高压脉冲的装置，其特征在于，储能器件为电容、电感或电容和电感的组合。

5.根据权利要求1所述的产生负高压脉冲的装置，其特征在于，m个高压直流电源子模块之间通过变压器或单向导通器件隔离。

6.根据权利要求1所述的产生负高压脉冲的装置，其特征在于，低压直流电源模块包括若干个低压直流电源子模块，若干个低压直流电源子模块之间相互隔离，分别为开关模块、控制模块和高压直流电源模块提供低压直流电源。

7.根据权利要求6所述的产生负高压脉冲的装置，其特征在于，低压直流电源模块中的各个低压直流电源子模块的负端与对应的负载的低端相连，正端与对应的负载的高端相连。

8.根据权利要求1所述的产生负高压脉冲的装置，其特征在于，在控制信号的控制下，构成高端固态开关Kax和低端固态开关Kby的开关类型为MOSFET、IGBT、SiC-MOSFET、快速电离器件、光导开关、延迟击穿二极管、阶跃漂移恢复二极管或阶跃恢复二极管；

每一级开关组中的高端固态开关Kax和低端固态开关Kby不能同时导通，能够同时关断；

悬浮级联的开关组中，当每组开关中的高端固态开关Kax和低端固态开关Kby由一组开关构成时，构成高端固态开关Kax和低端固态开关Kby的开关由几个子开关串联或并联构成。

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