CN109474259A - 一种高功率脉冲发生器及高功率脉冲电源 - Google Patents

一种高功率脉冲发生器及高功率脉冲电源 Download PDF

Info

Publication number
CN109474259A
CN109474259A CN201811340703.3A CN201811340703A CN109474259A CN 109474259 A CN109474259 A CN 109474259A CN 201811340703 A CN201811340703 A CN 201811340703A CN 109474259 A CN109474259 A CN 109474259A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mentioned
pulse
power
mode group
solid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811340703.3A
Other languages
English (en)
Inventor
刘克富
邱剑
王亦凡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fudan University
Original Assignee
Fudan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fudan University filed Critical Fudan University
Priority to CN201811340703.3A priority Critical patent/CN109474259A/zh
Publication of CN109474259A publication Critical patent/CN109474259A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0068—Battery or charger load switching, e.g. concurrent charging and load supply
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/01—Details
    • H03K3/017—Adjustment of width or dutycycle of pulses
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K4/00—Generating pulses having essentially a finite slope or stepped portions
    • H03K4/06—Generating pulses having essentially a finite slope or stepped portions having triangular shape
    • H03K4/063—Generating pulses having essentially a finite slope or stepped portions having triangular shape high voltage - or current generators
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00—Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/01—Shaping pulses
    • H03K5/04—Shaping pulses by increasing duration; by decreasing duration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

本发明属于高功率脉冲技术领域，具体公开了一种高功率脉冲发生器、脉冲电源，以及产生高功率脉冲的方法。脉冲发生器包括由逐级连接的多级脉冲模组组成的主体，脉冲模组响应于驱动信号以产生输出波形。脉冲模组包括：具有第一端和第二端的储能电容；多个等电位的固态开关，固态开关包括驱动端、第一功率端和第二功率端，第二功率端连接储能电容的第二端；第一隔离器件串接于储能电容的第一端和固态开关的第一功率端之间；第二隔离器件串接于脉冲模组的储能电容的第二端与邻级脉冲模组的固态开关的第二功率端之间。本发明的有益效果在于能够产生高电压、大电流、快边沿、宽脉冲的高功率脉冲输出。

Description

一种高功率脉冲发生器及高功率脉冲电源
技术领域
本发明涉及高功率脉冲电源领域，具体涉及一种高功率脉冲发生器，一种高功率脉冲电源，以及一种产生高功率脉冲的方法。
背景技术
高功率脉冲电源在等离子体技术、核物理技术、强激光技术、高能粒子加速技术和电磁脉冲技术等军事工业领域都有着广泛的应用。
近年来，高功率脉冲电源开始逐渐被环保领域的污水降解和烟气脱硫脱硝；生物医学领域的人体细胞组织治疗；材料和精密加工领域的材料表面改性；以及食品加工领域的食品保鲜和杀菌消毒等民用领域所使用。
传统的高功率脉冲电源主要基于气体开关以产生脉冲输出，其重复运行频率较低，难以满足大规模工业应用需求。
随着半导体开关器件的发展，基于固态功率开关器件的串并联集成电路结构得到了长足发展，其中基于固态Marx电路的脉冲电压叠加器，以及基于固态LTD电路的脉冲电流源代表了新型固态高压脉冲电压源和新型固态高压脉冲电流源的发展方向。
固态Marx脉冲电压叠加器受限于单个固态开关最大通流能力的限制，始终无法大幅度地提升其输出电流。而简单地并联使用固态Marx脉冲电压叠加器，则容易导致各脉冲电压叠加器输出的电流不均衡，局部开关管容易发生过流损毁，进而引发火灾、爆炸等问题，存在极大的安全隐患。
固态LTD脉冲电流源受到磁芯饱和问题的限制，无法输出长脉冲宽度的脉冲波形。此外，由于固态LTD脉冲电流源是直接在电源的功率端采用磁芯进行能量耦合，其磁芯损耗非常严重，能量效率普遍较低，同时外部需配套复位电路，避免磁芯的饱和。
因此，目前在高功率脉冲电源领域，急需一种能够产生高电压、大电流、快边沿、宽脉冲的高功率脉冲电源，以应对上述领域对高功率脉冲电源的日益扩展的使用需求。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
为了应对上述领域对高功率脉冲电源的日益扩展的使用需求，本发明提供了一种能够产生高电压、大电流、快边沿、宽脉冲的高功率脉冲发生器，一种采用上述脉冲发生器的高功率脉冲电源，以及一种采用上述脉冲发生器以产生高功率脉冲的方法。
根据本发明的一方面，本文提供了一种高功率脉冲发生器，上述脉冲发生器可以包括：
主体，由逐级连接的多级脉冲模组组成，上述脉冲模组响应于驱动信号以产生输出波形，
上述脉冲模组包括：
储能电容，包括第一端和第二端；
多个等电位的固态开关，响应于上述驱动信号以开通或关断，
上述固态开关包括驱动端、第一功率端和第二功率端，上述第二功率端连接上述储能电容的第二端；
第一隔离器件，串接于上述储能电容的第一端和上述固态开关的第一功率端之间；
第二隔离器件，串接于上述脉冲模组的储能电容的第二端与邻级脉冲模组的上述固态开关的第二功率端之间。
优选的，在本发明提供的上述高功率脉冲发生器中，上述脉冲模组还可以进一步地包括多个等电位的脉冲模块，
上述脉冲模块可以包括上述储能电容、上述固态开关、上述第一隔离器件和上述第二隔离器件，上述固态开关的第二功率端连接上述储能电容的第二端。
优选的，在本发明提供的上述高功率脉冲发生器中，上述脉冲模组还可以进一步地设置为放射状，上述多个脉冲模块可以均匀的绕轴分布在上述脉冲模组上，
上述多级脉冲模组可以由固定件连接，逐层轴向排列以组成柱状的上述主体。
优选的，在本发明提供的上述高功率脉冲发生器中，上述脉冲模组还可以进一步地包括多个分离的上述脉冲模块，上述多级脉冲模组的对应脉冲模块可以由上述固定件分别连接，逐层轴向排列以组成多路柱状的脉冲支路，上述多路脉冲支路均匀的绕轴分布以组成上述柱状的主体。
优选的，在本发明提供的上述高功率脉冲发生器中，上述脉冲发生器的高压输出端和接地端还可以进一步地分别设于上述柱状主体两端的轴心。
优选的，在本发明提供的上述高功率脉冲发生器中，上述脉冲发生器的高压输出端可以设于上述主体的末级上述脉冲模组一端；相应的，上述接地端可以设于上述主体的首级上述脉冲模组一端。
可选的，在本发明提供的上述高功率脉冲发生器中，上述脉冲发生器的驱动端可以设置为上述固态开关的驱动端，上述脉冲发生器的驱动端可以设于每级上述脉冲模组的轴心。
可选的，在本发明提供的上述高功率脉冲发生器中，上述脉冲发生器也可以包括充电电源，所述充电电源连接所述多级脉冲模组。
可选的，在本发明提供的上述高功率脉冲发生器中，每个上述固态开关的功率端上都可以设有公共电位点；
每级上述脉冲模组的外沿都可以设有均压环，上述均压环电性连接该级脉冲模组的多个上述公共电位点。
可选的，在本发明提供的上述高功率脉冲发生器中，上述脉冲发生器的高压输出端还可以设有取样电阻，用于监测上述脉冲发生器的输出电流。
可选的，在本发明提供的上述高功率脉冲发生器中，上述输出波形可以包括方波、阶梯波、三角波、梯形波或正弦波。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种采用了上述脉冲发生器的高功率脉冲电源，上述脉冲功率电源可以包括：
驱动电路，用于产生上述驱动信号；
上述脉冲发生器，响应于上述驱动信号以产生上述输出波形；以及
变压器，隔离上述驱动电路和上述脉冲发生器，并向上述脉冲发生器传递上述驱动信号，
上述变压器包括变压器原边和变压器副边，上述变压器原边缠绕变压器磁芯，并连接上述驱动电路的输出端；上述变压器副边缠绕上述磁芯，并连接上述脉冲发生器的上述驱动端。
优选的，在本发明提供的上述高功率脉冲电源中，上述变压器磁芯还可以进一步设置为磁环的形式，上述变压器原边可以为穿过上述磁环的驱动线；上述变压器副边可以为穿过上述磁环的高压线，其中，
每级上述脉冲模组的轴心都可以设有一个绕轴设置的上述磁环。
可选的，在本发明提供的上述高功率脉冲电源中，上述变压器磁芯也可以设置为磁环的形式，上述变压器原边可以为穿过上述磁环的驱动线；上述变压器副边可以为穿过上述磁环的高压线，其中，
每个上述固态开关的驱动端都可以设有一个上述磁环，每级上述脉冲模组的多个上述磁环均匀的绕轴分布于上述脉冲模组的轴心。
优选的，在本发明提供的上述高功率脉冲电源中，上述脉冲功率电源的全部上述脉冲模块都可以由一根上述驱动线驱动；或
每级上述脉冲模组的全部上述脉冲模块都可以由一个上述驱动信号驱动；或
每路上述脉冲支路的全部上述脉冲模块都可以由一个上述驱动信号驱动；或
每个上述脉冲模块可以由一个上述驱动信号单独驱动。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种采用上述脉冲发生器，以产生高功率脉冲的方法，上述方法可以包括步骤：
向上述脉冲发生器发送驱动信号，从而在上述脉冲发生器的上述高压输出端产生上述输出波形。
优选的，在本发明提供的上述产生高功率脉冲的方法中，还可以进一步包括步骤：
同步驱动上述脉冲发生器的全部上述固态开关，从而产生高电压大电流的上述输出波形。
可选的，在本发明提供的上述产生高功率脉冲的方法中，也可以包括步骤：
层间同步驱动每级上述脉冲模组的全部上述固态开关，按照预设的时序驱动上述多级脉冲模组，从而产生相应电压波形的上述大电流输出波形。
可选的，在本发明提供的上述产生高功率脉冲的方法中，也可以包括步骤：
路间同步驱动每路上述脉冲支路的全部上述固态开关，按照预设的时序驱动上述多路脉冲支路，从而产生相应电流波形的上述高电压输出波形。
可选的，在本发明提供的上述产生高功率脉冲的方法中，也可以包括步骤：
按照预设的时序单独驱动每个上述固态开关，从而产生高精度相应波形的上述输出波形。
根据以上描述，本发明的有益效果在于：
高电压，在上述固态开关额定电压的基础上，成倍地提升输出电压；
大电流，在上述固态开关额定电流的基础上，成倍地提升输出电流；
快边沿，解决了多级、多路开关管串并联所导致的脉冲边沿变慢的问题；
宽脉冲，突破了磁芯饱和导致的脉冲宽度限制问题；
高能效，降低了磁芯损耗带来的低能效问题；
任意波形，能够通过脉冲宽度调制的方式，产生任意波形的高压输出波形；
可靠性，有效抑制各路上述固态开关电流不均的问题；
安全性，有效预防局部过流导致的火灾、爆炸等隐患。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1A为本发明一实施例提供的正高压高功率脉冲发生器的电路示意图。
图1B为本发明一实施例提供的负高压高功率脉冲发生器的电路示意图。
图2为本发明一实施例提供的一个脉冲模块的电路示意图。
图3A为本发明一实施例提供的正高压高功率脉冲发生器的充电示意图。
图3B为本发明一实施例提供的正高压高功率脉冲发生器的放电示意图。
图4为本发明一实施例提供的一级脉冲模组的结构示意图。
图5A为本发明一实施例提供的一体式高功率脉冲发生器的结构示意图。
图5B为本发明一实施例提供的分离式高功率脉冲发生器的结构示意图。
图6A为本发明一实施例提供的高功率脉冲电源的驱动结构示意图。
图6B为本发明一实施例提供的高功率脉冲电源的驱动结构示意图。
图6C为本发明一实施例提供的高功率脉冲电源的驱动结构示意图。
图7A为本发明一实施例提供的高功率脉冲发生器的阶梯式输出波形。
图7B为本发明一实施例提供的高功率脉冲发生器的阶梯式输出波形。
图8A为本发明一实施例提供的一级脉冲模组上的四个固态开关上的电流波形图。
图8B为本发明一实施例提供的一级脉冲模组上的四个固态开关上的电流波形图。
附图标记：
1 主体；
2 脉冲模组；
3 脉冲模块；
4 脉冲支路；
5 固定件；
6 充电电源；
7 负载；
8 磁环；
9 驱动线；
10 均压环；
L 限流电感；
C11-Cnm 储能电容；
c1 储能电容第一端；
c2 储能电容第二端；
S11-Snm 固态开关；
s0 固态开关驱动端；
s1 固态开关第一功率端；
s2 固态开关第二功率端；
D11-Dnm 第一隔离器件；
d11-dnm 第二隔离器件；
R11-Rnm 限流电阻。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”，不应理解为对本发明的限制。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
为了应对上述各领域对高功率脉冲电源的日益扩展的使用需求，本发明提供了一种能够产生高电压、大电流、快边沿、宽脉冲的高功率脉冲发生器的实施例，一种采用上述脉冲发生器的高功率脉冲电源的实施例，以及一种采用上述脉冲发生器以产生高功率脉冲的方法的实施例。
如图1A所示，本发明提供的上述脉冲发生器可以包括：
主体1，由逐级连接的多级脉冲模组2组成，上述脉冲模组2响应于驱动信号以产生输出波形，
上述脉冲模组2包括：
储能电容C，用于储存电能，包括第一端c1和第二端c2；
多个等电位的固态开关S，响应于上述驱动信号以开通或关断，
上述固态开关S包括驱动端s0、第一功率端s1和第二功率端s2，上述第二功率端s2连接上述储能电容C的第二端c2；
第一隔离器件D，串接于上述储能电容C的第一端c1和上述固态开关S的第一功率端s1之间；
第二隔离器件d，串接于上述脉冲模组2的储能电容C的第二端c2与邻级脉冲模组2的上述固态开关S的第二功率端s2之间。
在本实施例提供的上述脉冲发生器中，上述脉冲模组2中可以包括多个等电位的脉冲模块3，上述脉冲模块3中可以包括上述固态开关S，而不包括上述储能电容C、上述第一隔离器件D和上述第二隔离器件d。
上述等电位可以是通过将上述多个脉冲模块3或固态开关S相互并联来实现的。上述并联并不仅限于直接并联，还可以是广义的并联，即通过不影响电路特性的电路元件，例如：正向偏置的二极管，和/或直流电路中的电感等元件所构成的实质电性并联的关系。
可选的，上述脉冲模块3中也可以包括上述固态开关S、上述第一隔离器件D和上述第二隔离器件d，而不包括上述储能电容C，以确保在输出大电流时，上述第一隔离器件D和上述第二隔离器件d有足够的通流能力。
相应的，在上述两个技术方案中，每级上述脉冲模组2中可以设有多个等电位的上述脉冲模块3，以及一个或多个独立于上述脉冲模块3的储能电容C。
优选的，如图2所示，上述脉冲模块3中也可以包括上述储能电容C、上述固态开关S、上述第一隔离器件D和上述第二隔离器件d。
相应的，在上述优选方案中，每个上述脉冲模块3都设有相应的储能电容C。当上述脉冲发生器放电时，每个上述脉冲模块3的储能电容C通过对应的上述固态开关S放电，从而成倍地减小上述脉冲模组2中的分布电感，以加快输出脉冲的边沿，并在上述多个脉冲模块3之间更好地取得均衡电流的效果。
在本实施例提供的上述脉冲发生器中，上述主体1可以由逐级连接的多级脉冲模组2组成。上述脉冲发生器放电时，上述逐级连接的脉冲模组2上的电压可以逐级叠加，从而输出高压脉冲。
如图1A所示，上述逐级连接可以是：
首级脉冲模组的输入端（首级脉冲模组的储能电容C11-C1m的第二端c2）通过首级脉冲模组的第二隔离器件d11-d1m连接上述充电电源6的输出端；首级脉冲模组的储能电容C11-C1m的第一端c1接地。
第二级脉冲模组的输入端（第二级脉冲模组的储能电容C21-C2m的第二端c2）通过第二级脉冲模组的第二隔离器件d21-d2m连接上述首级脉冲模组的输入端，并通过上述首级脉冲模组连接到上述充电电源6；第二级脉冲模组的储能电容C21-C2m的第一端c1连接首级脉冲模组的输出端（首级脉冲模组的固态开关S11-S1m的第一功率端s1）。
依次类推，末级脉冲模组的输入端（末级脉冲模组的储能电容Cn1-Cnm的第二端c2）通过末级脉冲模组的第二隔离器件dn1-dnm连接前一级脉冲模组的输入端，并通过前级的脉冲模组连接到上述充电电源6；末级脉冲模组的储能电容Cn1-Cnm的第一端c1连接前一级脉冲模组的输出端；末级脉冲模组的输出端连接负载7的功率端。
上述脉冲模组2以上述储能电容C的第二端c2为输入端，以上述固态开关S的第一功率端s1为输出端。上述脉冲模组2响应于上述固态开关S的通断，以产生高压输出，或不产生高压输出。
上述脉冲发生器以上述首级脉冲模组的输入端为脉冲发生器的输入端，以上述末级脉冲模组的输出端为脉冲发生器的高压输出端。
上述负载7可以包括等离子体发生器、强激光发生器、高能粒子加速器、生物细胞组织、涂层材料，以及待消毒的食品等各种电阻性、电容性和/或电感性的负载。
本领域的技术人员可以理解，如图1A所示的逐级连接的方式只是一种产生正高压脉冲的具体实施方式。在其他实施例中，也可以采用其他逐级连接的方式以产生正高压脉冲；或采用如图1B所示的逐级连接的方式以产生负高压脉冲；或采用其他逐级连接的方式以产生负高压脉冲。
上述充电电源6连接上述多个脉冲模组2，可以直接为上述多个脉冲模组2的储能电容C同时充电，将每个上述储能电容C的第一端c1与第二端c2之间的电位差提升到与其输出电压VD相同。上述充电电源6优选为正极性或负极性的直流高压电源，其输出电压VD取决于上述固态开关S的耐压情况。
本领域的技术人员可以理解，上述直流充电电源6只是本实施例的一个优选方案，其电极性的正负与上述脉冲发生器输出波形电极性的正负没有必然联系。在其他实施例中，充电电源可以不必设置在上述脉冲发生器上，而是通过外接的方式为上述储能电容C充电；上述脉冲发生器也可以采用其他单极性的非直流充电电源为上述储能电容C充电。
在本实施例提供的上述脉冲发生器中，上述固态开关S可以包括金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、双极结型晶体管（BJT），以及其他具有上述驱动端s0、上述第一功率端s1和上述第二功率端s2的半导体固态开关。相较于传统的气体开关，上述固态开关S具有更高的工作频率、更快的开通和关断速度，能够产生快边沿的高压脉冲输出。
上述固态开关S的驱动端s0用于接收上述驱动信号，响应于上述驱动信号，以控制上述固态开关S的第一功率端s1和第二功率端s2之间导通或关断。上述驱动信号的电压值取决于上述固态开关S的具体型号，通常可以为5V、12V等3V-60V之间的低电压信号。这种以低压信号驱动上述脉冲发生器以产生高压脉冲输出的方式，能够有效解决固态直线变压器驱动源（LTD）存在的磁芯饱和磁芯损耗的问题，从而产生长脉冲宽度的高压脉冲输出。
上述脉冲发生器可以直接以上述多个固态开关S的驱动端s0作为多个驱动端，以实现独立驱动的效果；也可以将上述多个固态开关S的驱动端s0连接到一点作为一个驱动端，以实现同步驱动的效果。
本领域的技术人员可以理解，如图1A所示，以上述固态开关S的发射极为第一功率端s1，以上述固态开关S的集电极为第二功率端s2，只是本实施例的一种具体方案。在其他实施例中，也可以以上述固态开关S的集电极为第一功率端s1，以上述固态开关S的发射极为第二功率端s2；或以场效应管S的源极为第一功率端s1，以场效应管S的漏极为第二功率端s2；或以场效应管S的漏极为第一功率端s1，以场效应管S的源极为第二功率端s2。
在本实施例提供的上述脉冲发生器中，上述第一隔离器件D串接于上述储能电容C的第一端c1和上述固态开关S的第一功率端s1之间，即上述第一功率端s1通过上述第一隔离器件D连接上述储能电容C的第一端c1。上述第一隔离器件D可以包括定向设置的二极管和/或限流电阻R。上述二极管的设置方向根据上述脉冲发生器充、放电时的电流方向确定，用于阻隔在上述脉冲发生器放电时产生的瞬时反向电势差。
上述第二隔离器件d串接于上述脉冲模组2的储能电容C的第二端c2与前一级的上述固态开关S的第二功率端s2之间，可以包括定向设置的二极管或限流电感。上述二极管的设置方向根据上述脉冲发生器充、放电时的电流方向确定，用于阻隔在上述脉冲发生器放电时产生的瞬时反向电势差。
本领域的技术人员可以理解，上述第二隔离器件d串接于上述脉冲模组2的储能电容C的第二端c2与前一级的上述固态开关S的第二功率端s2之间，只是本实施例的一种具体实施方式。在其他实施例中，根据上述脉冲模块3的不同设置方式，上述第二隔离器件d也可能需要串接于上述脉冲模组2的储能电容C的第二端c2与后一级的上述固态开关S的第二功率端s2之间。上述第二隔离器件d具体的串接位置，取决于阻隔在上述脉冲发生器放电时产生的瞬时反向电势差的实际需求。
如图3A所示，在本实施例中，上述脉冲发生器可以直接以上述固态开关S的驱动端s0为脉冲发生器的驱动端，在上述脉冲发生器没有接收到上述驱动信号时，上述固态开关S关断。优选为正高压直流电源的上述充电电源6，可以通过上述第二隔离器件d为上述各级脉冲模组2的储能电容C充电。上述第二隔离器件可以为顺向设置的二极管d。上述第一隔离器件可以为逆向设置的二极管D，以及与上述二极管D并联的限流电阻R。
充电完成后，上述每级脉冲模组2的储能电容C的第二端c2的电位都等于上述直流充电电源6的电压VD，上述每级脉冲模组2的储能电容C的第一端c1通过上述第一隔离器件D接地，其电位都为0。
本领域的技术人员可以理解，由于本实施例中的上述充电电源6为直流电源，上述顺向设置的二极管d在充电时可以等效为短路状态，将不会影响上述充电电源6为上述储能电容C充电。上述逆向设置的二极管D被反向偏置无法导通，上述储能电容C的c1端可以通过上述限流电阻R接地，以构成完整的充电回路。
上述脉冲发生器直接以上述固态开关S的驱动端s0为脉冲发生器的驱动端只是本实施例的一个具体实施方案。在其他实施例中，上述驱动信号也可以是光驱动信号，上述脉冲发生器也可以设有对应于上述光驱动信号的驱动端。上述脉冲发生器的驱动端可以通过信号转换装置，例如：对应于上述光驱动信号的光敏电阻等装置，将上述光驱动信号以上述低压电信号的形式耦合到上述固态开关S的驱动端s0。
如图3B所示，当上述脉冲发生器接收到上述驱动信号时，上述固态开关S导通。在上述固态开关S导通的瞬间，上述首级脉冲模组的储能电容C11-C1m的第二端c2与上述第二级脉冲模组的储能电容C21-C2m的第一端c1短接，上述第二级脉冲模组的储能电容C21-C2m的第一端c1的电位被抬升到VD。
由于在上述固态开关S导通的瞬间，电容器两端的电势差不会发生改变。相应的，上述第二级脉冲模组的储能电容C21-C2m的第二端c2的电位会被瞬间抬升到2VD；依次类推，最终在末级脉冲模组的储能电容Cn1-Cnm的第二端c2获得nVD的电位，并通过上述末级脉冲模组的固态开关Sn1-Snm的第一功率端s1输出到负载上。
由于输出电流是通过m路并联的脉冲支路4输出到负载上的，且上述输出电流在每一级上述脉冲模组2中，都流经m个并联的上述固态开关S，上述输出电流的理论上限可以达到mi 0，其中，上述i 0为一个上述固态开关S的额定电流上限。
基于以上描述，本领域的技术人员可以理解，本实施例提供的上述脉冲发生器可以根据上述驱动端接收到的驱动信号，以上述固态开关S的通断改变上述逐级连接的脉冲模组2的电路拓扑结构，从而产生高电压、大电流、快边沿、宽脉冲的正高压输出波形。
任一级上述脉冲模组2都可以独立地在上述脉冲发生器的高压输出端产生相应的输出波形。任意多级上述脉冲模组2也可以叠加地在上述脉冲发生器的高压输出端产生相应的输出波形。
任一个上述脉冲模块3都可以独立地在上述脉冲发生器的高压输出端产生相应的输出波形。任意多个上述脉冲模块3也可以叠加地在上述脉冲发生器的高压输出端产生相应的输出波形。
上述高压脉冲的电压幅值主要取决于上述固态开关S的耐压能力，以及上述脉冲发生器中上述脉冲模组2的级数。现有的固态开关S的耐压能力能达到百伏（V）量级和千伏（kV）量级。相应的，在现有的功率器件和绝缘技术的条件下，上述脉冲发生器能够产生几百伏到几百千伏的高压脉冲波形。而随着功率器件和绝缘技术的继续进步，本发明提供的上述脉冲发生器所能产生的脉冲波形的电压，也能进一步提升。
上述高压脉冲的电流幅值主要取决于上述固态开关S的通流能力，以及上述脉冲模组2中上述脉冲模块3的个数。现有的固态开关S（例如IGBT）的通流能力能达到十安培（A）量级到千安培量级。相应的，在现有的功率器件的技术条件下，上述脉冲发生器能够产生几十安培到数十千安（kA）的高压脉冲波形。而随着功率器件的继续进步，本发明提供的上述脉冲发生器所能产生的脉冲波形的电流，也能进一步提升。
上述高压脉冲的脉冲边沿，指的是上述脉冲波形的上升沿和下降沿，主要取决于上述脉冲发生器回路杂散参数、固态开关S的开通、关断速度，以及上述各脉冲模块3的同步性。现有的固态开关S（例如MOSFET）的开通、关断速度能达到纳秒（ns）量级。相应的，在现有的功率器件的技术条件下，上述脉冲发生器能够产生脉冲边沿为纳秒（ns）量级的高压脉冲波形。而随着功率器件的继续进步，本发明提供的上述脉冲发生器所能产生的脉冲波形的上升沿和下降沿，也能进一步加快。
上述高压脉冲的脉冲宽度主要取决于上述储能电容C的容值，以及上述负载7的具体情况。在本实施例中，上述高压脉冲发生器输出脉冲占空比可高于90%。而在其他实施例中，本领域的技术人员还可以在保证脉冲边沿速度的前提下，适当地增大上述储能电容的容值C，和/或上述负载7的阻值（容值），以进一步提升上述脉冲发生器能够产生的脉冲宽度。
本领域的技术人员还可以理解，上述第一隔离器件D和第二隔离器件d可以被用于隔离上述各级脉冲模组2之间产生的电势差，以实现上述电压的叠加，从而产生高电压脉冲输出。在本实施例中，上述第一隔离器件采用二极管D和限流电阻R，上述第二隔离器件采用的二极管d只是本实施例的一种具体实施方式。在其他具有相同拓扑实施例中，上述第一隔离器件也可以只采用限流电阻或限流电感，上述第二隔离器件也可以只采用限流电阻或限流电感，以实现相同的技术效果。而在其他具有不同拓扑结构的实施例中，本领域的技术人员也可以根据相同的原理，简单调整上述第一隔离器件和第二隔离器件的位置和设置方向，以实现相同的技术效果。
可选的，如图1B所示，在一个实施例提供的上述脉冲发生器中，上述主体1的输入端与上述充电电源6之间还可以串接有限流电感L。
相应的，上述逐级连接也可以是：
首级脉冲模组的输入端（首级脉冲模组的储能电容C11-Cm的第二端c2）通过首级脉冲模组的第二隔离器件d11-d1m和上述限流电感L连接上述充电电源6的输出端；首级脉冲模组的输出端（首级脉冲模组的储能电容C11-C1m的第一端c1）连接负载7的功率端。
第二级脉冲模组的输入端（第二级脉冲模组的储能电容C21-C2m的第二端c2）通过第二级脉冲模组的第二隔离器件d21-d2m连接上述首级脉冲模组的输入端，并通过上述首级脉冲模组连接到上述充电电源6；第二级脉冲模组的输出端（第二级脉冲模组22的储能电容C21-C2m的第一端c1）连接首级脉冲模组的固态开关S11-S1m的第一功率端s1。
依次类推，末级脉冲模组的输入端（末级脉冲模组的储能电容Cn1-Cnm的第二端c2）通过末级脉冲模组的第二隔离器件dn1-dnm连接前一级脉冲模组的输入端，并通过前级的脉冲模组连接到上述充电电源6；末级脉冲模组的输出端（末级脉冲模组的储能电容Cn1-Cnm的第一端c1）连接前一级脉冲模组的固态开关的第一功率端s1；末级脉冲模组的固态开关Sn1-Snm的第一功率端s1接地。
上述脉冲模组2以上述储能电容C的第二端c2为输入端，以上述储能电容C的第一端c1为输出端。上述脉冲模组2响应于上述固态开关S的通断，以产生高压输出，或不产生高压输出。
上述脉冲发生器以上述首级脉冲模组的输入端为脉冲发生器的输入端，以上述首级脉冲模组的输出端为脉冲发生器的高压输出端。
本领域的技术人员可以理解，在如图1A所示的实施例中，上述脉冲模组2产生的是大电流的正高压输出。而在以图1B为例的其他实施例中，上述脉冲模组也可以产生大电流的负高压输出。
如图1A和图1B所示的上述脉冲发生器的逐级连接方式，只是本实施例的两种具体实施方式。在其他实施例中，上述脉冲模块3也能够以旋转或镜面对称的形式设置在上述脉冲模组2中，并通过适当地改变上述第一隔离器件D和上述第二隔离器件d的位置，以实现叠加每级脉冲模组2的电压，输出高压脉冲的效果；或以不包括上述储能电容C的上述脉冲模块3和若干个独立于上述脉冲模块3的储能电容C，以实现叠加每级脉冲模组2的电压，输出高压脉冲的效果。
优选的，如图4所示，在一个实施例提供的上述脉冲发生器中，上述脉冲模组2还可以进一步地设置为放射状，上述多个脉冲模块3可以均匀的绕轴分布在上述脉冲模组2上。
上述放射状指的是围绕一个轴心，对称地向外延伸的形状。上述放射状可以包括圆形、等边三角形、正方形、正五边形等各种正多边形，以及各种关于上述轴心中心对称的形状。通过将上述脉冲模组2设置为放射状，可以进一步减小上述脉冲发生器中的分布电感，以起到更好的均流效果。
本领域的技术人员可以理解，为了便于电路元件的排布和上述脉冲模组2之间的组装，上述放射状可以是平面的，也就是说，上述对称地向外延伸的形状可以是二维对称地向外延伸的形状。但是基于相同原理，围绕一个轴心，三维对称地向外延伸的形状，也能起到减小上述脉冲发生器内分布电感的效果，因此，也应当属于本发明要求保护的范围。
本领域的技术人员还可以理解，将上述脉冲模组2设置为放射状的目的之一，在于进一步减小上述脉冲发生器中的分布电感，因此，上述放射状是基于上述脉冲模组2的电路元件部分而言的。通过简单地改变上述脉冲模组2的底板的形状，使上述脉冲模组2的底板不为放射状，而不对上述脉冲模组2的电路元件部分进行实质性修改，并不会对上述脉冲发生器的分布电感造成太大的影响。因此，上述脉冲模组2的电路元件部分为放射状，而上述脉冲模组2的底板不为放射状的技术方案，也应当属于本发明要求保护的范围。
在本实施例提供的上述脉冲发生器中，上述绕轴分布指的是上述脉冲模块3围绕上述轴心，分布在上述脉冲模组2上。为了更进一步地减小上述脉冲模组2的分布电感，还可以将上述脉冲模块3的固态开关S的驱动端s0，统一朝上述轴心设置，以简化上述脉冲模组2上的线路排布。
上述均匀指的可以是任意两个相邻脉冲模块3之间的间距相等，也可以是任意两个相邻脉冲模块3之间的夹角相等。可以理解的是，上述相等并不一定是完全相等，而是以上述脉冲模组2对分布电感的实际要求而确定的大致相等。本领域的技术人员也可以调整上述脉冲模块3之间的间距和/或夹角，使其略微不相等，以相对较差的性能，勉强实现均流效果。因此，满足上述脉冲模组2对分布电感的实际要求的，上述脉冲模块3之间的间距和/或夹角大致相等的技术方案，也应当属于本发明要求保护的范围。
如图5A所示，在本实施例提供的上述脉冲发生器中，上述多级脉冲模组2可以由固定件5连接，逐层轴向排列以组成柱状的上述主体1。这种将具有相同电位的多个脉冲模块3设置在一层脉冲模组2，并逐层排列具有不同电位的多级脉冲模组2的结构，有利于提高上述脉冲发生器中具有不同电位的电路元件之间的绝缘性，从而提升上述脉冲发生器的安全性和可靠性。
上述固定件5可以是如图5A所示的多个固定件5，也可以是一体式的固定件5，用于固定上述多级脉冲模组2之间的间距与相对位置关系，防止不同电位的不同级脉冲模组2之间发生打火短路的问题。
上述固定件5可以以螺栓、卡扣或其他形式固定每一级脉冲模组2，使上述逐级连接的脉冲模组2逐层地轴向排列，以组成柱状的上述主体1。上述轴向指的是每一级上述脉冲模组2的轴心连接成的直线的方向。上述柱状可以是相应于上述放射状的圆柱、三棱柱、四棱柱、五棱柱等各种多棱柱，以及各种上述中心对称的形状沿轴向拉伸而成的柱状。
本领域的技术人员可以理解，如图4和图5A所示的一体式的脉冲模组2只是本实施例一种具体实施方案。而在其他实施例中，如图5B所示，上述脉冲模组2也可以可选地包括多个分离的上述脉冲模块3，上述多级脉冲模组2的对应脉冲模块3可以由上述固定件5分别连接，逐层轴向排列以组成多路柱状的脉冲支路4，上述多路脉冲支路4可以均匀的绕轴分布以组成上述柱状的主体1。
上述分离指的是一级脉冲模组2中的多个脉冲模块3可以不设置在同一块底板上，而是以独立的形式存在，均匀的围绕该级脉冲模组2的轴心分布，以组成该级脉冲模组2。
上述对应脉冲模块3指的可以是如图1A和图1B中所示的任一横行上的多个脉冲模块3。上述多个对应脉冲模块3逐级连接，可以构成上述脉冲支路4以单独实现多级脉冲模块3的电压叠加，从而输出高压脉冲。
如图5B所示，上述多路脉冲支路4中的多个对应脉冲模块3可以由上述固定件5分别连接，逐层轴向排列为多路柱状的结构。上述轴向指的是上述多级脉冲模组2的轴心连线构成的直线的方向。
上述多路脉冲支路4可以均匀的绕轴分布以组成上述柱状的主体1，即前文所述的上述脉冲模组2的电路元件部分为放射状，而上述脉冲模组2的底板不为放射状的一种具体实施方案，同样也能起到减小上述脉冲发生器中的分布电感，以提升均流效果的目的。
在本实施例提供的上述脉冲发生器中，脉冲发生器的高压输出端和接地端还可以进一步优选地根据上述脉冲发生器的具体电路结构，分别设于上述柱状主体1两端的轴心，从而实现物理结构上的高压同轴输出，降低脉冲发生器与负载之间引线导致的杂散电感，有利于实现高压快脉冲大电流输出。
如图1A所示，上述脉冲发生器以其末级脉冲模组的输出端为脉冲发生器的高压输出端，输出正高压脉冲；而首级脉冲模组接地。相应的，上述高压输出端可以设于上述主体1的末级脉冲模组的一端；而上述接地端可以设于上述主体1的首级脉冲模组的一端。
而如图1B所示，上述脉冲发生器以其首级脉冲模组的输出端为脉冲发生器的高压输出端，输出负高压脉冲；而末级脉冲模组接地。相应的，上述高压输出端可以设于上述主体1的首级脉冲模组的一端；而上述接地端可以设于上述主体1的末级脉冲模组的一端。
通过将上述脉冲发生器的高压输出端和接地端就近地设置在上述柱状主体1两端的轴心，可以有效地简化上述脉冲发生器中的线路结构，以进一步减小上述脉冲发生器中的分布电感，起到更好的均流效果。
出于使用安全和便于使用的考虑，上述脉冲模组2轴向排列的方向还可以优选为上下排列。通过将上述高压输出端设置在脉冲发生器的顶部，可以有效避免人员误触的安全隐患。而将上述接地端设置在脉冲发生器的底部，可以便于脉冲发生器及其机箱的接地连接。
在本实施例提供的上述脉冲发生器中，上述脉冲发生器的高压输出端还可以优选地设有取样电阻，用于监测上述脉冲发生器的输出电流。
本领域的技术人员可以理解，上述取样电阻只是一种监测电流的具体实施方案。在其他实施例中，也可以采用其他的电流监测方案，以监测上述脉冲发生器的输出电流。
每路上述脉冲支路4的高压输出端也都可以优选地设有取样电阻，用于更进一步地监测每路上述脉冲支路4的输出电流，以监控上述脉冲发生器的均流效果，从而提高其安全性和可靠性，
在本实施例提供的上述脉冲发生器中，如图4所示，每个上述固态开关S的第一功率端s1上都可以优选地设有公共电位点。每级上述脉冲模组2的外沿都可以优选地设有均压环10，上述均压环10电性连接该级脉冲模组2的多个上述公共电位点。
如图3A和图3B所示，理论上，在上述脉冲发生器的储能电容C进行充电和放电的过程中，上述各公共电位点的电位相同，不应有任何电流流经上述均压环10。然而，在脉冲发生器的实际工作过程中，上述脉冲发生器中存在分布电感，上述各脉冲模块3的电器元件之间也存在细微的静态、动态参数差异，每级上述脉冲模组2的对应脉冲模块3所输出的电压幅值和输出电压的速度都会存在细微差异。
通过设置上述均压环10，以电性连接每级脉冲模组2的多个上述公共电位点，可以使该级脉冲模组2上的每个脉冲模块3具有完全相同的输出，以避免上述细微差异的逐级叠加扩大，从而进一步提升上述各路脉冲支路4之间的均流效果。上述电性连接指的是电流可以通过上述均压环10，在上述各公共电位点之间流动。
本领域的技术人员可以理解，将上述均压环10设置在上述脉冲模组2的外沿，可以便于连接上述公共电位点。
上述均流环10还具有保护上述脉冲发生器的效果。在上述脉冲发生器的工作过程中，即使上述脉冲发生器中的某个脉冲模块3发生故障，在其他脉冲模块3的电器元件电流裕量充足的情况下，同级脉冲模组2上的其他脉冲模块3，可以通过上述均流环10分担该脉冲模块3的电流负荷，以保证上述脉冲发生器继续正常、稳定地工作。
将上述公共电位点设置在每个上述固态开关S的第一功率端s1上，只是本实施例的一个具体实施方案。在其他实施例中，也可以将上述公共电位点设置在每个上述固态开关S的第二功率端s2上；或优选地设置在电位绝对值较低的功率端上，以降低上述均压环10的绝缘要求。上述电位绝对值较低的功率端指的是电位更接近零的功率端。
在本实施例提供的上述脉冲发生器中，上述脉冲模组2可以响应于不同的驱动信号以产生不同输出波形。因此，上述输出波形并不局限于方波和脉冲方波，还可以进一步包括阶梯波、三角波、梯形波或正弦波等各种连续高压波形或高压脉冲波形。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种采用了上述脉冲发生器的高功率脉冲电源的实施例，上述脉冲功率电源可以包括：
驱动电路，用于产生上述驱动信号；
上述脉冲发生器，响应于上述驱动信号以产生上述输出波形；以及
变压器，隔离上述驱动电路和上述脉冲发生器，并向上述脉冲发生器传递上述驱动信号，
上述变压器包括变压器原边和变压器副边，上述变压器原边缠绕变压器磁芯，并连接上述驱动电路的输出端；上述变压器副边缠绕上述磁芯，并连接上述脉冲发生器的上述驱动端。
在本实施例提供的上述脉冲电源中，上述变压器的原边连接上述驱动电路的输出端，上述变压器的副边连接上述脉冲发生器的上述驱动端，以上述变压器磁芯隔离上述驱动电路和上述脉冲发生器。上述驱动信号可以进一步限定为上述低压电信号。
当上述驱动电路产生的低电压驱动信号，从上述驱动电路的输出端流经上述变压器的原边，上述变压器的副边上也会产生一个相应幅值的响应信号，从而实现上述传递驱动信号的效果。上述响应信号的电压幅值为：上述低电压驱动信号的电压幅值乘以上述副边与上述原边的线圈匝数比的乘积。
为了进一步减小上述脉冲电源中的分布电感，上述变压器磁芯还可以进一步优选地设置为磁环8的形式，上述变压器原边可以为穿过上述磁环8的驱动线9；上述变压器副边可以为穿过上述磁环8的高压线。
上述驱动线9可以是具有屏蔽层的同轴高压驱动线，上述屏蔽层可以保护上述驱动信号不受外界高强度电场的干扰，从而保证上述各脉冲模块3接收到的上述驱动信号具有更好的同步性。
上述变压器原边和上述变压器副边都可以采用具有强绝缘性的高压线，从而更好地保证上述驱动电路和上述固态开关S的驱动端s0，不会被上述脉冲电源功率端的高电压所损坏。
在如图6A所示的脉冲电源的驱动结构中，上述磁环8可以是设置在每级上述脉冲模组2的轴心的一个绕轴设置的磁环8。上述绕轴设置指的是上述磁环9的轴心与上述脉冲模组2的轴心相重合，且上述磁环9的轴向也与上述脉冲模组2的轴向相重合。
相应于上述磁环8的结构和设置方式，上述脉冲功率电源的全部上述脉冲模块3都可以由一个上述驱动信号驱动。
可以理解的是，在本实施例中，上述一个驱动信号可以是一根上述驱动线9上的一个驱动信号。而在其他实施例中，上述一个驱动信号也可以是多根上述驱动线9上的一个同步驱动信号。
上述驱动线9可以穿过全部上述磁环8的轴心，驱动线9的一端连接上述驱动电路的输出端，另一端接地以构成上述变压器原边。每个上述脉冲模块3的固态开关S的驱动端s0引出一根高压线，缠绕上述磁环8，高压线的另一端接地以构成上述变压器副边。上述变压器副边可以有多个。
响应于上述变压器原边的驱动信号，上述多个变压器副边可以各自产生一个相应幅值的上述响应信号，该响应信号的幅值应当能够高效地驱动上述固态开关开通。
这种以大磁环8和一根驱动线9同步驱动全部上述脉冲模块3的驱动结构，具有结构简单、分布电感小、同步性好、驱动电流较小的优点，能够产生更快的脉冲边沿。
可选的，在如图6B和6C所示的脉冲电源的驱动结构中，上述磁环8也可以是均匀地绕轴分布于上述每级脉冲模组2的多个磁环8。上述绕轴分布指的是每一级脉冲模组2上的多个磁环8围绕该级脉冲模组2的轴心，均匀地分布在该级脉冲模组2上。每个上述脉冲模块3对应一个上述磁环8。
上述多个磁环8可以如图6B所示地平行设置在上述脉冲模组2上，也可以如图6C所示地垂直设置在上述脉冲模组2上。
相应于如图6B或图6C所示的上述磁环8的结构和设置方式，每一个上述脉冲模块3都可以由一个上述驱动信号单独驱动。
多根上述驱动线9可以分别穿过每一个上述磁环8的轴心，驱动线9的一端连接上述驱动电路的输出端，另一端接地以构成上述变压器原边。每一个上述脉冲模块3的固态开关S的驱动端s0引出一根高压线，缠绕对应的上述磁环8，高压线的另一端接地以构成上述变压器副边。
响应于上述变压器原边的驱动信号，上述多个磁环8的变压器副边可以各自产生一个相应幅值的上述响应信号，该响应信号的幅值应当能够高效地驱动上述固态开关S开通。
这种以小磁环8和多根驱动线9分别单独驱动每一个上述脉冲模块3的驱动结构，具有磁环8重量轻和驱动灵活的优点，能够降低磁环8重量，并产生各种波形的高压输出。
可选的，相应于如图6B所示的上述磁环8的结构和设置方式，每一路上述脉冲支路4的全部上述脉冲模块3都可以由一个上述驱动信号驱动。
多根上述驱动线9可以分别穿过每一路上述脉冲支路4的全部上述磁环8的轴心，驱动线9的一端连接上述驱动电路的输出端，另一端接地以构成上述变压器原边。每一脉冲支路4上的每个上述脉冲模块3的固态开关S的驱动端s0引出一根高压线，缠绕对应的上述磁环8，高压线的另一端接地以构成上述变压器副边。
响应于上述变压器原边的驱动信号，上述多个磁环8的变压器副边可以各自产生一个相应幅值的上述响应信号，该响应信号的幅值应当能够高效地驱动上述固态开关S开通。
这种以小磁环8和多根驱动线9分别同步驱动每一路脉冲支路4上的全部上述脉冲模块3的驱动结构，具有磁环8重量轻、分布电感较小、驱动电流较小、均压效果较好的优点，能够降低磁环8重量，并产生较快的脉冲边沿。
可选的，相应于如图6B所示的上述磁环8的结构和设置方式，上述脉冲电源的全部上述脉冲模块3都可以由一个上述驱动信号驱动。
上述驱动线9也可以同时穿过每一路上述脉冲支路4的全部上述磁环8的轴心，驱动线9的一端连接上述驱动电路的输出端，另一端接地以构成上述变压器原边。每个上述脉冲模块3的固态开关S的驱动端s0引出一根高压线，缠绕对应的上述磁环8，高压线的另一端接地以构成上述变压器副边。
响应于上述变压器原边的驱动信号，上述多个磁环8的变压器副边可以各自产生一个相应幅值的上述响应信号，该响应信号的幅值应当能够高效地驱动上述固态开关开通。
这种以小磁环8和一根驱动线9同步驱动上述脉冲电源的全部上述脉冲模块3的驱动结构，具有磁环8重量轻、同步性较好、驱动电流小的优点，能够降低磁环8重量，并在脉冲支路4较少的上述脉冲电源中产生较快的脉冲边沿。
可选的，相应于如图6C所示的上述磁环8的结构和设置方式，每一级上述脉冲模组2的全部上述脉冲模块3都可以由一个上述驱动信号驱动。
多根上述驱动线9可以分别穿过每一级上述脉冲模组2的全部上述磁环8的轴心，驱动线9的一端连接上述驱动电路的输出端，另一端接地以构成上述变压器原边。每一脉冲模组2上的每个上述脉冲模块3的固态开关S的驱动端s0引出一根高压线，缠绕对应的上述磁环8，高压线的另一端接地以构成上述变压器副边。
响应于上述变压器原边的驱动信号，上述多个磁环8的变压器副边可以各自产生一个相应幅值的上述响应信号，该响应信号的幅值应当能够高效地驱动上述固态开关开通。
这种以小磁环8和多根驱动线9分别同步驱动每一级脉冲模组2上的全部上述脉冲模块3的驱动结构，具有磁环8重量轻、分布电感较小、驱动电流较小、均流效果较好的优点，能够降低磁环8重量，并产生较快的脉冲边沿。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种采用上述脉冲发生器，以产生高功率脉冲的方法的实施例，上述方法可以包括步骤：
向上述脉冲发生器发送驱动信号，从而在上述脉冲发生器的上述高压输出端产生上述输出波形。
上述驱动信号可以是一个驱动信号或多个同步的驱动信号，从而同步驱动上述脉冲发生器的全部上述固态开关S，使全部上述固态开关S同步开通或同步关断，从而在上述高压输出端产生一个高电压、大电流的上述输出波形。
可选的，上述驱动信号也可以是按照一定时序的多个不同步的驱动信号，从而在上述高压输出端产生相应于上述时序的相应输出波形。可以理解的是，相应于不同时序的驱动信号，上述输出波形可以是上述的任意波形。
在如图7A所示的实施例中，上述多个不同步的驱动信号可以是一个在0ns时间点上升，800ns时间点下降的长脉冲低压信号，以及一个在200ns时间点上升，500ns时间点下降的短脉冲低压信号。上述两个驱动信号分别驱动两级上述脉冲模组2，每级上述脉冲模组2能够响应于上述驱动信号，以输出500V电压的输出波形。
当上述长脉冲低压信号层间同步驱动两级上述脉冲模组2的全部上述固态开关S，上述两级脉冲模组2的全部上述固态开关S同步开通或同步关断，从而在上述高压输出端产生1000V的大电流输出波形。上述层间同步驱动指的是同步驱动同一级上述脉冲模组2上的全部上述固态开关S的驱动方式。
当上述短脉冲低压信号层间同步驱动另外两级上述脉冲模组2的全部上述固态开关S，上述另外两级脉冲模组2的全部上述固态开关S同步开通或同步关断，从而在上述1000V大电流输出波形的基础上，进一步叠加1000V大电流输出波形，在上述高压输出端产生2000V的大电流输出波形。
基于相同原理，当上述短脉冲低压信号结束，上述高压输出端的大电流输出波形下降到1000V；当上述长脉冲低压信号结束，上述高压输出端的输出波形归零。
本领域的技术人员可以理解，采用上述长脉冲低压信号和上述短脉冲低压信号层间同步驱动上述脉冲发生器，只是产生如图7A所示的阶梯波的一种具体实施方案。在其他实施例中，也可以采用两个400ns脉宽的低压驱动信号，以时序重叠的形式层间同步驱动上述脉冲发生器，以产生如图7A所示的阶梯波；或采用多个短脉冲低压驱动信号，单独驱动上述脉冲发生器的每个固态开关S，再以上述输出波形叠加的方式，以产生如图7A所示的阶梯波。
如图7A所示的阶梯波也只是阶梯状输出波形的一种具体案例。在其他实施例中，上述阶梯状输出波形也可以如图7B所示的波形，或其他各种阶梯波。
在其他实施例中，本领域的技术人员还可以基于与上述实施例相同的构思，采用路间同步驱动的方式，同步驱动一路上述脉冲支路4的全部上述固态开关S。该路脉冲支路4的全部上述固态开关S同步开通或同步关断，从而在上述高压输出端产生高电压的输出波形。上述路间同步驱动指的是同步驱动同一路上述脉冲支路4上的全部上述固态开关S的驱动方式。上述高电压的输出波形指的可以是上述脉冲发生器的额定最高电压的输出波形。
本领域的技术人员还可以理解，上述阶梯波也只是上述输出波形的一种具体案例。在其他实施例中，采用上述同步驱动、上述层间同步驱动、上述路间同步驱动，以及上述单独驱动的方式，也能产生上述脉冲方波、三角波、梯形波或正弦波等各种高压波形。
上述同步驱动产生的输出波形具有脉冲边沿最快、电压最高、电流最大的特点。
上述层间同步驱动产生的输出波形具有较快的脉冲边沿，并能够根据不同时序的驱动信号，产生大电流的任意电压输出波形。
上述路间同步驱动产生的输出波形具有较快的脉冲边沿，并能够根据不同时序的驱动信号，产生高电压的任意电流输出波形。
上述单独驱动产生的输出波形具有任意可调性，可以通过调节上述脉冲发生器中的若干上述固态开关S的开通与关断的时序，高精度地任意调整输出波形的电压与电流。
为了更进一步说明本发明能够在上述多个固态开关S中取得较好的均流效果，本文还提供了一个采用上述驱动方法，驱动一个具有4级脉冲模组，4路脉冲支路的脉冲发生器的实施例。
在本实施例中，每级上述脉冲模组的上述储能电容C充电到230V，从而可以在上述脉冲发生器的高压输出端获得最高920V的高电压输出波形，并在4.4Ω（欧姆）的负载上获得最大209A的脉冲电流波形。
如图8A所示的波形图是采用上述路间同步驱动的方式，驱动上述脉冲发生器后，某一级上述脉冲模组上的4个上述固态开关S上的电流波形。上述4个固态开关S上流经的平均电流峰值在52A左右，即使瞬时电流最大的l4电流波形，其电流峰值也没有超过60A，具有较好的均流效果。
如图8B所示的波形图是采用上述层间同步驱动的方式，驱动上述脉冲发生器后，某一级上述脉冲模组上的4个上述固态开关S上的电流波形。由于上述4个固态开关S是由一根驱动线同步驱动的，其上流经的电流几乎完全一致，平均电流峰值在50A，具有更好的均流效果。
此外，本文还提供了一个采用上述驱动方法，驱动一个具有20级脉冲模组，8路脉冲支路的脉冲发生器的实施例。
在本实施例中，每级上述脉冲模组的上述储能电容C充电到500V，从而在上述脉冲发生器的高压输出端获得最高10kV的高电压输出波形，并在11Ω的负载上获得最大1kA的脉冲电流波形。
通过采用上述取样电阻，分别测量流经上述每一级脉冲模组上的8个上述固态开关S的电流情况。实验数据证明，每一级上述脉冲模组上的8个上述固态开关S上流经的电流峰值的差异性均不大于平均值的上下10%，即有较好的均流效果。
根据以上描述，本领域的技术人员可以了解，本发明的有益效果在于：
高电压，在上述固态开关额定电压的基础上，成倍地提升输出电压；
大电流，在上述固态开关额定电流的基础上，成倍地提升输出电流；
快边沿，解决了多级、多路开关管串并联所导致的脉冲边沿变慢的问题；
宽脉冲，突破了磁芯饱和导致的脉冲宽度限制问题；
高能效，降低了磁芯损耗带来的低能效问题；
任意波形，能够通过脉冲宽度调制的方式，产生任意波形的高压输出波形；
可靠性，有效抑制各路上述固态开关电流不均的问题；
安全性，有效预防局部过流导致的火灾、爆炸等隐患。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (20)

1.一种高功率脉冲发生器，其特征在于，包括：
主体，由逐级连接的多级脉冲模组组成，所述脉冲模组响应于驱动信号以产生输出波形，
所述脉冲模组包括：
储能电容，包括第一端和第二端；
多个等电位的固态开关，响应于所述驱动信号以开通或关断，
所述固态开关包括驱动端、第一功率端和第二功率端，所述第二功率端连接所述储能电容的第二端；
第一隔离器件，串接于所述储能电容的第一端和所述固态开关的第一功率端之间；
第二隔离器件，串接于所述脉冲模组的储能电容的第二端与邻级脉冲模组的所述固态开关的第二功率端之间。
2.如权利要求1所述的高功率脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲模组包括多个等电位的脉冲模块，
所述脉冲模块包括所述储能电容、所述固态开关、所述第一隔离器件和所述第二隔离器件，所述固态开关的第二功率端连接所述储能电容的第二端。
3.如权利要求2所述的高功率脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲模组为放射状，所述多个脉冲模块均匀的绕轴分布在所述脉冲模组上，
所述多级脉冲模组由固定件连接，逐层轴向排列以组成柱状的所述主体。
4.如权利要求3所述的高功率脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲模组包括多个分离的所述脉冲模块，所述多级脉冲模组的对应脉冲模块由所述固定件分别连接，逐层轴向排列以组成多路柱状的脉冲支路，所述多路脉冲支路均匀的绕轴分布以组成所述柱状的主体。
5.如权利要求3或4所述的高功率脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器的驱动端为所述固态开关的驱动端，所述脉冲发生器的驱动端设于每级所述脉冲模组的轴心。
6.如权利要求3或4所述的高功率脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器的高压输出端和接地端分别设于所述柱状主体两端的轴心。
7.如权利要求6所述的高功率脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器的所述高压输出端设于所述主体的末级所述脉冲模组一端；所述接地端设于所述主体的首级所述脉冲模组一端。
8.如权利要求1所述的高功率脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器包括充电电源，所述充电电源连接所述多级脉冲模组。
9.如权利要求1所述的高功率脉冲发生器，其特征在于，每个所述固态开关的功率端上设有公共电位点；
每级所述脉冲模组的外沿设有均压环，所述均压环电性连接该级脉冲模组的多个所述公共电位点。
10.如权利要求1所述的高功率脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器的高压输出端设有取样电阻。
11.如权利要求1所述的高功率脉冲发生器，其特征在于，所述输出波形包括方波、阶梯波、三角波、梯形波或正弦波。
12.一种高功率脉冲电源，其特征在于，采用如权利要求1-11之一所述的脉冲发生器，所述脉冲功率电源包括：
驱动电路，用于产生所述驱动信号；
所述脉冲发生器，响应于所述驱动信号以产生所述输出波形；以及
变压器，隔离所述驱动电路和所述脉冲发生器，并向所述脉冲发生器传递所述驱动信号，
所述变压器包括变压器原边和变压器副边，所述变压器原边缠绕变压器磁芯，并连接所述驱动电路的输出端；所述变压器副边缠绕所述磁芯，并连接所述脉冲发生器的所述驱动端。
13.如权利要求12所述的高功率脉冲电源，其特征在于，所述变压器磁芯为磁环，所述变压器原边为穿过所述磁环的驱动线；所述变压器副边为穿过所述磁环的高压线，其中，
每级所述脉冲模组的轴心设有一个绕轴设置的所述磁环。
14.如权利要求12所述的高功率脉冲电源，其特征在于，所述变压器磁芯为磁环，所述变压器原边为穿过所述磁环的驱动线；所述变压器副边为穿过所述磁环的高压线，其中，
每个所述固态开关的驱动端设有一个所述磁环，每级所述脉冲模组的多个所述磁环均匀的绕轴分布于所述脉冲模组的轴心。
15. 如权利要求14所述的高功率脉冲电源，其特征在于，所述脉冲功率电源的全部所述脉冲模块都由一个所述驱动信号驱动；或
每级所述脉冲模组的全部所述脉冲模块由一个所述驱动信号驱动；或
每路所述脉冲支路的全部所述脉冲模块由一个所述驱动信号驱动；或
每个所述脉冲模块由一个所述驱动信号驱动。
16.一种产生高功率脉冲的方法，其特征在于，向如权利要求1-11之一所述的脉冲发生器发送驱动信号，从而在所述脉冲发生器的所述高压输出端产生所述输出波形。
17.如权利要求16所述的产生高功率脉冲的方法，其特征在于，所述产生高功率脉冲的方法更包括：
同步驱动所述脉冲发生器的全部所述固态开关，从而产生高电压大电流的所述输出波形。
18.如权利要求16所述的产生高功率脉冲的方法，其特征在于，所述产生高功率脉冲的方法更包括：
层间同步驱动每级所述脉冲模组的全部所述固态开关，按照预设的时序驱动上述多级脉冲模组，从而产生相应电压波形的所述大电流输出波形。
19.如权利要求16所述的产生高功率脉冲的方法，其特征在于，所述产生高功率脉冲的方法更包括：
路间同步驱动每路所述脉冲支路的全部所述固态开关，按照预设的时序驱动上述多路脉冲支路，从而产生相应电流波形的所述高电压输出波形。
20.如权利要求16所述的产生高功率脉冲的方法，其特征在于，所述产生高功率脉冲的方法更包括：
按照预设的时序单独驱动每个所述固态开关，从而产生高精度相应波形的所述输出波形。
CN201811340703.3A 2018-11-12 2018-11-12 一种高功率脉冲发生器及高功率脉冲电源 Pending CN109474259A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811340703.3A CN109474259A (zh) 2018-11-12 2018-11-12 一种高功率脉冲发生器及高功率脉冲电源

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811340703.3A CN109474259A (zh) 2018-11-12 2018-11-12 一种高功率脉冲发生器及高功率脉冲电源

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109474259A true CN109474259A (zh) 2019-03-15

Family

ID=65672272

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811340703.3A Pending CN109474259A (zh) 2018-11-12 2018-11-12 一种高功率脉冲发生器及高功率脉冲电源

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109474259A (zh)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110022082A (zh) * 2019-04-04 2019-07-16 浙江迅蓝智能科技有限公司 一种多路输出小型脉冲功率装置
CN110995210A (zh) * 2019-11-23 2020-04-10 重庆大学 多匝ltd脉冲发生器
CN112767673A (zh) * 2020-12-29 2021-05-07 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种大功率数字脉冲电源分布式控制系统
EP4235735A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235738A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235742A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235734A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235740A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235741A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235736A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235739A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235737A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235733A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses

Cited By (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110022082A (zh) * 2019-04-04 2019-07-16 浙江迅蓝智能科技有限公司 一种多路输出小型脉冲功率装置
CN110022082B (zh) * 2019-04-04 2021-03-26 浙江迅蓝智能科技有限公司 一种多路输出脉冲功率装置
CN110995210A (zh) * 2019-11-23 2020-04-10 重庆大学 多匝ltd脉冲发生器
CN112767673A (zh) * 2020-12-29 2021-05-07 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种大功率数字脉冲电源分布式控制系统
EP4235737A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235733A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235742A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235734A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235740A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235741A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235736A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235739A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235735A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
EP4235738A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-30 TRUMPF Huettinger Sp. Z o. o. High power generator and method of supplying high power pulses
WO2023161502A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Trumpf Huettinger Sp. Z O. O. High power generator and method of supplying high power pulses
WO2023161511A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Trumpf Huettinger Sp. Z O. O. High power generator and method of supplying high power pulses
WO2023161510A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Trumpf Huettinger Sp. Z O. O. High power generator and method of supplying high power pulses
WO2023161517A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Trumpf Huettinger Sp. Z O. O. High power generator and method of supplying high power pulses
WO2023161518A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Trumpf Huettinger Sp. Z O. O. High power generator and method of supplying high power pulses
WO2023161501A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Trumpf Huettinger Sp. Z O. O. High power generator and method of supplying high power pulses
WO2023161509A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Trumpf Huettinger Sp. Z O. O. High power generator and method of supplying high power pulses
WO2023161503A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Trumpf Huettinger Sp. Z O. O. High power generator and method of supplying high power pulses
WO2023161521A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Trumpf Huettinger Sp. Z O. O. High power generator and method of supplying high power pulses
WO2023161522A1 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Trumpf Huettinger Sp. Z O. O. High power generator and method of supplying high power pulses

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109474259A (zh) 一种高功率脉冲发生器及高功率脉冲电源
CN105119517B (zh) 多个等离子体合成射流激励器同步放电的高压脉冲电源
CN103326612B (zh) 一种单极性微秒脉冲高压电源
Zhong et al. Review on solid-state-based Marx generators
US20110065161A1 (en) Bipolar solid state marx generator
Hochberg et al. A fast modular semiconductor-based Marx generator for driving dynamic loads
CN104467795B (zh) 多级串联的ltd驱动源及其同步触发方法
CN107124163A (zh) 一种复合模式固态脉冲源
CN102035378A (zh) 具有正负脉冲输出的全固态高压电源
CN104467772A (zh) 脉冲变压器型触发器
CN108923641A (zh) 一种基于dsrd的高压快脉冲电源
CN102594127B (zh) 基于Fitch电路的重复频率紧凑脉冲倍增器
CN209072445U (zh) 一种高功率脉冲发生器及高功率脉冲电源
CN108462482A (zh) 一种产生双极性高压脉冲的装置和方法
Qiu et al. Stray parameters in a novel solid state pulsed power modulator
CN103501170A (zh) 一种ltd模块及其同步触发的方法
CN110518824A (zh) 一种双极性全固态高压脉冲叠加器
CN109412453A (zh) 一种基于mmc的前后沿可调高压纳秒脉冲发生器
Jin et al. Improved Marx pulse generator with auxiliary trigger topology (2022)
Wu et al. Bipolar Marx circuit based on double transformers
CN103762864A (zh) 用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源
CN210608958U (zh) 一种双极性全固态高压脉冲叠加器
Lee et al. Solid-state bipolar pulsed-power modulator based on a half-bridge power cell structure
CN102664606A (zh) 一种脉冲发生器
CN110429926B (zh) 一种基于单片机的模块化脉冲高压电源

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination