CN111987930A - 基于Marx并联结构的脉冲功率发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种基于Marx并联结构的脉冲功率发生器，属于脉冲发生器领域。本发明提供了两种电路拓扑，一种包括m‑1个A类n级Marx发生器，每个A类n级Marx发生器单元具有一个电容、至少一个限流器件与放电开关，B类n级Marx发生器，每个B类n级Marx发生器单元具有一个电容、至少一个限流器件、一个放电开关以及一个充电开关，直流电源，负载以及电源开关。一种包括m个A类n级Marx发生器，p个相互串联的充电开关，负载，直流电源以及电源开关。由于采用了多个n级Marx发生器并联及使用了较少的半导体开关，所以增加了低阻负载下的带载能力，实现了容性负载下输出方波脉冲的能力，具有更强的抗电磁干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲发生器领域，具体涉及一种基于Marx并联结构的脉冲功率发生器。
背景技术
Marx发生器是一种基于电容的并联充电、串联放电的高压脉冲发生器，随着半导体技术的发展，大功率固态开关器件广泛应用于高功率电子领域，对于不同的负载，需求不同参数的脉冲电源，如在污水处理﹑肿瘤消融等领域，通常要求电源输出高压﹑大电流的窄脉冲。然而受到半导体器件耐压、通流以及开通速度的限制，要输出高电压、大电流的快脉冲变得非常困难。
现有技术中常见的大电流输出的Marx结构发生器，通常采用多个半导体开关并联的结构来提高通流能力。然而对于容性负载，在放电结束后，受寄生电容的影响，容性负载上的电压将会维持一段时间或是缓慢下降，导致脉冲后沿很慢，这将极大地限制放电的频率。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供基于Marx并联结构的脉冲功率发生器，用于提高脉冲功率发生器的输出电流以及在容性负载下输出方波脉冲。
本发明采用了如下技术方案：
<方案一>
本发明提供了一种基于Marx并联结构的脉冲功率发生器，用于产生瞬间高压脉冲，其特征在于，包括：m-1个A类n级Marx发生器，所有A类n级Marx发生器之间相互并联，用于产生脉冲，B类n级Marx发生器，与m-1个A类n级Marx发生器相并联，用于产生脉冲；直流电源，用于对m-1个A类n级Marx发生器以及B类n级Marx发生器进行充电；负载，与m-1个A类n级Marx发生器、B类n级Marx发生器以及直流电源连接，用于接收脉冲；以及电源开关，与直流电源、m-1个A类n级Marx发生器以及B类n级Marx发生器串联，用于在m-1个A类n级Marx发生器以及B类n级Marx发生器放电时隔离直流电源和负载，其中，B类n级Marx发生器中的每个单元具有一个电容、一个限流器件、一个放电开关以及一个充电开关，充电开关以及放电开关构成半桥电路叠加结构，其余m-1个A类n级Marx发生器中的每个单元具有一个电容、至少一个限流器件与一个放电开关，m为大于等于2的正整数，n为大于等于1的正整数，充电时，电源开关以及所有充电开关导通、所有放电开关断开，直流电源经A类n级Marx发生器中的限流器件以及B类n级Marx发生器的限流器件与充电开关向A类n级Marx发生器以及B类Marx发生器中的电容并联充电，充电完成后，断开电源开关和所有充电开关，导通所有放电开关，从而使每个Marx发生器中的所有电容串联起来向负载放电，由于所有的Marx发生器并联对负载放电，可以提高输出电流幅值，在放电开关可靠关断之后将所有充电开关同时导通，使负载与充电开关并联，负载被短路，从而得到方波脉冲。
在本发明提供的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器中，还可以具有这样的特征：其中，电源开关以及n级Marx发生器中的放电开关以及充电开关均为半导体开关。
在本发明提供的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器中，还可以具有这样的特征：其中，限流器件选自电阻、电感、二极管或半导体开关中的任意一种。
<方案二>
本发明提供了一种基于Marx并联结构的脉冲功率发生器，用于产生瞬间高压脉冲，其特征在于，m个n级Marx发生器，所有n级Marx发生器之间相互并联，用于产生脉冲；负载，与n级Marx发生器连接，用于接收脉冲；p个相互串联的充电开关，与负载并联，用于控制m个n级Marx发生器充电；直流电源，与p个相互串联的充电开关以及负载连接，用于对m个n级Marx发生器进行充电；电源开关，与m个n级Marx发生器以及直流电源串联，用于在n级Marx发生器的放电时隔离直流电源和负载，其中，m，n，p均为大于等于1的正整数，m个所述n级Marx发生器中的每个单元均具有一个电容、至少一个限流器件与一个放电开关，充电时，直流电源经电源开关、n级Marx发生器中的限流器件以及p个相互串联的充电开关中向n级Marx发生器中的电容充电，充电完成后，断开电源开关以及p个相互串联的充电开关，导通n级Marx发生器中的放电开关，从而使电容串联起来向负载放电，在放电开关可靠关断之后导通所有充电开关，使p个充电开关与负载并联，负载被短路，从而得到方波脉冲。
在本发明提供的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器中，还可以具有这样的特征：其中，电源开关以及n级Marx发生器中的放电开关以及充电开关均为半导体开关。
在本发明提供的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器中，还可以具有这样的特征：其中，限流器件选自电阻、电感、二极管或半导体开关中的任意一种。
在本发明提供的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器中，还可以具有这样的特征：其中，p＝n。
发明的作用与效果
根据本发明提供的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器，因为采用了多个n级Marx发生器并联提高了输出电流，所以增加了低阻负载下的带载能力，因为使用了相对较少的半导体开关控制了多台n级Marx发生器的充电，所以不仅节约了成本，还实现了容性负载下输出方波脉冲的能力，此外还减少了驱动电路与控制信号的数量，优化了电磁兼容，具有更强的抗电磁干扰能力。
附图说明
图1是本发明的实施例1中基于Marx并联结构的脉冲功率发生器的结构框图；
图2是本发明的实施例1中基于Marx并联结构的脉冲功率发生器的电路原理图；以及
图3是本发明的实施例2中基于Marx并联结构的脉冲功率发生器的电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例1>
图1是本发明的实施例1中基于Marx并联结构的脉冲功率发生器的结构框图。
如图1所示，本实施例中由直流电源对三个并联的n级Marx发生器进行充电，在充电完成后，n级Marx发生器对负载进行放电。
图2是本实施例的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器的电路原理图。
如图2所示，本实施例的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器100适用于充电回路的影响可被忽略的情况，包括两个A类n级Marx发生器20、1个B类n级Marx发生器30、直流电源1、电源开关5、负载3。
两个A类n级Marx发生器20之间相互并联，本实施例中，A类n级Marx发生器含有n个A类n级Marx发生器单元，每个A类n级Marx发生器单元均由两个电感6、一个电容7和一个放电开关8组成，在本实施例中，A类n级Marx发生器中的每个单元各部件的连接方式为：电容7和其中一个电感6串联，再与放电开关8并联，最后整体与剩余的一个电感6串联。
B类n级Marx发生器30，同时与两个A类n级Marx发生器20并联，本实施例中，B类n级Marx发生器含有n个B类n级Marx发生器单元，每个B类n级Marx发生器中的每个单元均由一个电感6、一个电容7、一个放电开关8和一个充电开关9组成，在本实施例中，B类Marx发生器单元各部件的连接方式为：电容7与充电开关2串联，再与放电开关8并联，最后整体与电感6串联，其中放电开关8与充电开关2构成半桥结构9。
直流电源1，分别与电源开关1、负载3、两个A类n级Marx发生器20以及B类n级Marx发生器30连接，用于对两个A类n级Marx发生器以及B类n级Marx发生器进行充电。
电源开关5，分别与直流电源1、两个A类n级Marx发生器20以及B类n级Marx发生器30连接，用于在两个A类n级Marx发生器20以及B类n级Marx发生器30放电时隔离直流电源1和负载3。
负载3，与直流电源1、两个A类n级Marx发生器20以及B类n级Marx发生器30连接，用于接收脉冲。
在本实施例中，充电时，电源开关5以及充电开关2导通、放电开关8断开，直流电源1经A类n级Marx发生器20中的电感6以及B类n级Marx发生器30的电感与充电开关2向A类n级Marx发生器20以及B类n级Marx发生器30中的电容7并联充电，充电完成后，断开电源开关5和所有充电开关2，导通所有放电开关8，从而使电容7串联起来向负载3放电，在放电开关8可靠关断之后将所有充电开关2同时导通，负载3与充电开关2并联，负载3被短路，寄生在所述电容上的残存电荷获得了泄放通道，所述负载上的输出脉冲得到了快速的下降沿，从而得到方波脉冲。
在本实施例中电源开关5、所有放电开关8以及所有充电开关2均为半导体开关。
实施例的作用与效果
根据本实施例提供的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器，采用了多个n级Marx发生器并联提高了输出电流，增加了低阻负载下的带载能力，使用了相对较少的半导体开关控制了多台n级Marx发生器的充电，节约了成本，实现了容性负载下输出方波脉冲的能力，此外还减少了驱动电路与控制信号的数量，优化了电磁兼容，具有更强的抗电磁干扰能力。
另外，所有开关均为半导体开关，因此能够承受较大的电流，工作寿命长，环境要求低。
此外，本实施例中的A类n级Marx发生器和B类n级Marx发生器中的电感均可以使用电阻、二极管或半导体开关代替，使实际选择中范围更大。
<实施例2>
本实施例中，对于与实施例一相同的结构给予相同的符号并省略相关说明。
图3是本发明实施2的电路原理图。
如图3所示，本实施例的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器100适用于充电回路的影响不可被忽略的情况，包括三个A类n级Marx发生器20、n个相互串联的充电开关10、直流电源1、电源开关5、负载3。
三个A类n级Marx发生器20之间相互并联，A类n级Marx发生器20的单元具体电路连接结构与实施例1相同，在此不再赘述。
直流电源1，分别与电源开关1、负载3以及三个A类n级Marx发生器20连接，用于对三个A类n级Marx发生器进行充电。
电源开关5，分别与直流电源1以及三个A类n级Marx发生器20连接，用于在三个A类n级Marx发生器2放电时隔离直流电源1和负载3。
负载3，与直流电源1以及三个A类n级Marx发生器20连接，用于接收脉冲。
n个相互串联的充电开关10，与负载3并联，用于控制三个A类n级Marx发生器20充电。
在本实施例中，充电时，电源开关5以及n个相互串联的充电开关10导通、放电开关2断开，直流电源经电源开关5、三个A类n级Marx发生器20中的电感6以及n个相互串联的充电开关10向三个n级Marx发生器20中的电容7充电，充电完成后，断开电源开关5以及p个相互串联的充电开关10，导通放电开关8，从而使电容7串联起来向负载3放电，在放电开关8可靠关断之后导通n个相互串联的充电开关10，n个充电相互串联开关10与负载3并联，负载3被短路，将负载上的寄生电容短路，得到快速的下降沿，从而得到方波脉冲。
在本实施例中电源开关5、所有放电开关8以及所有n个相互串联的充电开关10均为半导体开关。
实施例的作用与效果
根据本实施例提供的基于Marx并联结构的脉冲功率发生器，采用了多个Marx发生器并联提高了输出电流，增加了低阻负载下的带载能力，使用了相对较少的半导体开关控制了多台Marx发生器的充电，节约了成本，实现了容性负载下输出方波脉冲的能力，此外还减少了驱动电路与控制信号的数量，优化了电磁兼容，具有更强的抗电磁干扰能力。
实施例中的所有开关均使用了半导体开关，因此能够承受较大的电流，工作寿命长，环境要求低。
此外，本实施例中的A类n级Marx发生器和B类n级Marx发生器中的电感均可以使用电阻、二极管或半导体开关代替，使实际选择中范围更大。
此外，本实施例中串联的充电开关数量与Marx发生器的级数相同，提高了脉冲发生器整体的耐压性。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于Marx并联结构的脉冲功率发生器，用于产生瞬间高压脉冲，其特征在于，包括：
m-1个A类n级Marx发生器，所有所述A类n级Marx发生器之间相互并联，用于产生脉冲，
B类n级Marx发生器，与m-1个所述A类n级Marx发生器相并联，用于产生脉冲；
直流电源，用于对所述m-1个A类n级Marx发生器以及所述B类n级Marx发生器进行充电；
负载，与所述m-1个A类n级Marx发生器、所述B类n级Marx发生器以及所述直流电源连接，用于接收所述脉冲；以及
电源开关，与所述直流电源、所述m-1个A类n级Marx发生器以及所述B类n级Marx发生器串联，用于在所述m-1个A类n级Marx发生器以及所述B类n级Marx发生器放电时隔离所述直流电源和所述负载，
其中，所述B类n级Marx发生器中的每个单元均具有一个电容、一个限流器件、一个放电开关以及一个充电开关，所述充电开关以及所述放电开关构成半桥电路叠加结构，其余m-1个所述A类n级Marx发生器中的每个单元均具有一个电容、至少一个限流器件与一个放电开关，
所述m为大于等于2的正整数，
所述n为大于等于1的正整数，
充电时，所述电源开关以及所有所述充电开关导通、所有所述放电开关断开，所述直流电源经所述A类n级Marx发生器中的所述限流器件以及所述B类n级Marx发生器的所述限流器件与所述充电开关向所述A类n级Marx发生器以及所述B类Marx发生器中的所述电容并联充电，充电完成后，断开所述电源开关和所有所述充电开关，导通所有所述放电开关，从而使所述电容串联起来向所述负载放电，在所述放电开关可靠关断之后将所有所述充电开关同时导通，使所述负载与所述充电开关并联，所述负载被短路，从而得到方波脉冲。
2.一种基于Marx并联结构的脉冲功率发生器，用于产生瞬间高压脉冲，其特征在于，包括：
m个n级Marx发生器，所有所述n级Marx发生器之间相互并联，用于产生脉冲；
负载，与所述n级Marx发生器连接，用于接收所述脉冲；
p个相互串联的充电开关，与所述负载并联，用于控制m个n级Marx发生器充电，
直流电源，与所述p个相互串联的充电开关以及所述负载连接，用于对所述m个n级Marx发生器进行充电；
电源开关，与所述m个n级Marx发生器以及所述直流电源串联，用于在所述n级Marx发生器的放电时隔离所述直流电源和所述负载，
其中，m，n，p均为大于等于1的正整数，
m个所述n级Marx发生器中的每个单元均具有一个电容、至少一个限流器件与一个放电开关，
充电时，所述直流电源经所述电源开关、所述n级Marx发生器中的限流器件以及所述p个相互串联的充电开关中向所述n级Marx发生器中的所述电容充电，充电完成后，断开所述电源开关以及所述p个相互串联的充电开关，导通所述n级Marx发生器中的所述放电开关，从而使所述电容串联起来向所述负载放电，在所述放电开关可靠关断之后导通所有所述充电开关，使所述p个充电开关与所述负载并联，所述负载被短路，从而得到方波脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的基于Marx结构的脉冲功率发生器，其特征在于：
其中，所述电源开关以及所述n级Marx发生器中的所述放电开关以及所述充电开关均为半导体开关。
4.根据权利要求1或2所述的基于Marx结构的脉冲功率发生器，其特征在于：
其中，所述限流器件选自电阻、电感、二极管或半导体开关中的任意一种。
5.根据权利要求2所述的基于Marx结构的脉冲功率发生器，其特征在于：
其中，p＝n。
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