CN112072945B - 一种具有超高重复频率的ipop系统构架式高压微秒脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了等离子体放电技术领域的一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，包括主功率部分和控制信号部分，所述主功率部分由AC‑DC整流模块可调输出单元、N路微秒脉冲电源功率模块以及等离子体放电负载单元构成，所述控制信号部分由初始PWM信号发生单元、(N‑1)路移相交错控制单元以及以及N路微秒脉冲电源模块的PWM信号输入接口组成，用的多模块式IPOP的分布式架构，在满足相同功率等级条件下，整机体积减小，功率密度增加，效率高且低成本。

Description

一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源

技术领域

本发明涉及等离子体放电技术领域，具体为一种具有超高重复频率的IPOP 系统构架式高压微秒脉冲电源。

背景技术

等离子体应用存在多种放电形式，不同的放电形式具有不同的应用场景，如空气射流放电产生低温等离子体广泛应用于等离子体医学，能够有效地灭活各种细菌、病毒等致病微生物，同时弥补传统化学试剂处理的低效和化学残留的问题，同时也可进行工业应用中的等离子体表面改性和表面处理等。该类型的等离子体应用场合需要大功率微秒高压脉冲电源输出的脉冲幅度可调、脉冲宽度可调、脉冲频率可调以及脉冲输出个数可调等特性。

传统的隔离式高压脉冲发生电路多采用控制原边开关功率晶体管的开通与关断，通过变压器的匝比直接将低压转换为高压脉冲。这种方法，当脉冲频率较低时，变压器提价庞大，并且高压端的脉冲电压幅值不宜控制。还有一种高压发生器电路是将高压源输出端与功率开关管串联，通过控制次级高压电源串联的功率开关管实现高压脉冲的输出，这样的控制电路复杂，供电电路需要重复设计，且控制在高压侧，易受到高压侧功率干扰而损坏。

现有的已知的隔离储能元件式微秒脉冲电源实现的方案中，均采用单一拓扑的电路结构形式实现不同脉冲功率等级电源的设计，区别主要体现在储能变压器元件参数设计上，不同发热储能充电时间，不同的脉冲输出频率等。如专利CN206294098U通过控制绝缘栅晶体管的开关频率，来实现精确控制高压脉冲电源的输出电压的精准控制，但是由于高压侧无反馈回路很难实现高精度的脉冲电压幅值控制，同时该高压脉冲电源适用于高压侧容性负载较大电子枪应用场合。同时具有相同拓扑结构的还有专利CN110233577A，其添加了高压侧反馈采样单元来控制PWM控制信号从而实现输出高压功率脉冲电压幅值稳定，同时方便脉冲控制电路与高压电路的分离，适用于脉冲频率较低的工况条件。故已有类似的微秒脉冲电源技术方案均存在储输出脉冲频率低，脉冲功率持续的时间短，放电脉宽时间不可控，体积大，效率低，可靠性差等缺点。

应用于等离子体放电应用领域的高压脉冲电源主要可分为两类，分别为基于储能元件式和基于高压开关式。而基于高压开关式的高压脉冲电源一般适用于小功率输出场合，无法满足大功率等离子体放电应用的功率需求，故传统高压脉冲电源实现方案大部分采用储能元件方案。然而，基于储能元件式的高压脉冲电源需要较长的充电时间，保证储能元件可存储足够的多的能量，再瞬间释放能量形成放电脉冲功率，所以存在输出脉冲功率频率低下的问题。其二，储能元件式高压脉冲电源在放电瞬间，释放存储能量，脉冲功率持续的时间短，具有放电脉宽时间不可控的问题。其三，由于放电脉冲能量需要存储于储能元件中，故需求的脉冲功率越大，储能元件的参数和体积也就越大，效率越低，可靠性越差，成本越高。

基于此，本发明设计了一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，以解决上述提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，采用多路微秒脉冲电源模块输入并联输出并联IPOP的系统架构，通过控制多个脉冲功率源移相交错式输出脉冲功率，合成等效输出超高频率的脉冲功率，很好地解决了储能式微秒脉冲电源输出脉冲频率低下的问题。同时在保证移相控制时间小于脉冲功率持续时间的工况条件下，可以实现可编辑的宽脉冲宽度的脉冲功率输出，而不需要额外降低脉冲输出频率来提高储能时间。并且采用的多模块式IPOP的分布式架构，在满足相同功率等级条件下，整机体积减小，功率密度增加，效率高且低成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有超高重复频率的IPOP 系统构架式高压微秒脉冲电源，包括主功率部分和控制信号部分，所述IPOP系统为输入并联输出并联系统，

所述主功率部分由AC-DC整流模块可调输出单元、N路IPOP微秒脉冲电源功率模块以及等离子体放电负载单元构成，所述AC-DC整流模块可调输出单元输入市电交流220V供电，输出可调的直流电压U_dc，所述可调的直流电压U_dc输入至所述微秒脉冲电源功率模块的输入端口，所述微秒脉冲电源功率模块的输出端口连接等离子体放电负载单元，

所述控制信号部分由初始PWM信号发生单元、N-1路移相交错控制单元组成，所述初始PWM信号发生单元产生低频的PWM驱动信号PWM_{_1}，控制第一个所述微秒脉冲电源模块内部的开关晶体管，实现模块内部储能元件的充电和放电状态，所述移相交错控制单元将驱动信号PWM_{_1}进行移相，生成相应的移相控制信号PWM_{_2}，…，PWM_{_n}，分别送入N-1个所述微秒脉冲电源功率模块内部的开关晶体管，对N-1个所述微秒脉冲电源功率模块进行移相交错式充电和放电，实现N个所述微秒脉冲电源功率模块输出的脉冲功率为移相交错式脉冲功率，所述微秒脉冲电源功率模块的数量为N个，其中，N＞1；

所述微秒脉冲电源功率模块包括稳压滤波储能电容C_in、开关晶体管Q和高压变压器T，所述开关晶体管Q基极接入PWM控制信号，集电极接高压变压器T低压侧的一端，所述开关晶体管Q发射极与高压变压器T低压侧的另一端接稳压滤波储能电容C_in的两端；

所述高压变压器T的高压侧并联两个共阳极串联形式的高压硅堆二极管D₂和D₃。

优选的，N个所述微秒脉冲电源功率模块之间的输入端口相并联，输入相同的电压幅值U_dc，N个所述微秒脉冲电源功率模块之间的输出端口相并联。

优选的，所述N-1路移相交错控制单元通过硬件移相电路实现或者通过数字控制器实现多路移相交错式PWM信号输出。

优选的，所述高压变压器T的高压侧输出正线串联一个高压硅堆二极管D₁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明解决了储能元件式微秒脉冲电源输出脉冲功率频率低的问题，同时保留了微秒脉冲电源大功率输出特性，结构简单，可靠性高，成本低等优点。

2.本发明采用分布式多模块IPOP系统架构，在相同的功率等级条件下，本发明提出的分布式微秒脉冲电源的整机体积更小，输出脉冲特性可编辑，更灵活，可适用更广泛的等离子放电研究应用领域。

3.相比于当前广泛应用的高重复频率的纳秒脉冲电源，本发明提出的IPOP 多模块架构中的单模块放电脉冲频率仍然是低频脉冲，各个模块之间对控制信号的一致性、快速性和PCB布线没有严格要求，系统方案设计更简单，更有利于实际工程的应用。

4.相比于传统的微秒脉冲电源拓扑，本发明在单模块微秒脉冲电源变压器高压输出侧并接了两个共阳极连接形式的高压硅堆二极管D₂和D₃，实现了高压脉冲的电压幅值嵌位保护功能，减小了充电阶段的能量损失，提高了单次放电脉冲的放电功率。

5.本发明提出的移相交错控制技术，还应用于实现微秒脉冲电源输出脉冲宽度可编辑的脉冲功率的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构方框图；

图2为本发明单个微秒脉冲电源单模块的基本电路拓扑结构及工作波形示意图；

图3为本发明移相交错控制方法在不同工作模式下的控制工作原理示意图；

图4为本发明移相交错控制方法在不同移相时间下的整机合成脉冲频率测试波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种具有超高重复频率的IPOP 系统构架式高压微秒脉冲电源，包括主功率部分和控制信号部分，所述IPOP系统为输入并联输出并联系统，

所述主功率部分由AC-DC整流模块可调输出单元、N路IPOP微秒脉冲电源功率模块以及等离子体放电负载单元构成，所述AC-DC整流模块可调输出单元输入市电交流220V供电，输出可调的直流电压U_dc，其可调电压值根据用户实际的脉冲功率等级需求进行调节。所述可调的直流电压U_dc输入至所述微秒脉冲电源功率模块的输入端口，所述微秒脉冲电源功率模块的输出端口连接等离子体放电负载单元，

所述控制信号部分由初始PWM信号发生单元、N-1路移相交错控制单元组成，所述初始PWM信号发生单元产生低频的PWM驱动信号PWM_{_1}，控制所述微秒脉冲电源模块内部的开关晶体管，实现模块内部储能元件的充电和放电状态，所述移相交错控制单元将驱动信号PWM_{_1}进行移相，生成相应的移相控制信号PWM_{_2}，…，PWM_{_n}，分别送入N-1个所述微秒脉冲电源功率模块内部的开关晶体管，对N-1个所述微秒脉冲电源功率模块进行移相交错式充电和放电，实现N个所述微秒脉冲电源功率模块输出的脉冲功率为移相交错式脉冲功率。整机输出的等效脉冲频率由用户设定的移相时间t_phase确定，理论上可实现超高频率的脉冲功率输出，而不受储能元件充电周期时间长的频率限制。其中，所述多路移相交错控制单元通过硬件移相电路实现或者通过数字控制器实现多路移相交错式PWM信号输出。

其中，所述微秒脉冲电源功率模块的数量为N个，其中，N＞1，N个所述微秒脉冲电源功率模块之间的输入端口相并联，输入相同的电压幅值U_dc，N 个所述微秒脉冲电源功率模块之间的输出端口相并联，实现不同模块输出的脉冲功率合成，为后级等离子体放电负载提供所需的脉冲功率，实现均匀放电特性。

其中，单个微秒脉冲电源模块的基本电路拓扑结构如图2中(a)所示，所述微秒脉冲电源模块包括稳压滤波储能电容C_in、其电压保持恒定不变，为后级电路提供必要的瞬态的功率。带储能电感的高压变压器T既是储能元件，也是放电元件，受开关晶体管Q的控制。所述开关晶体管Q基极接入PWM控制信号，集电极接高压变压器T低压侧的一端，所述开关晶体管Q发射极与高压变压器 T低压侧的另一端接稳压滤波储能电容C_in的两端。当PWM控制信号控制开关晶体管Q开通时，直流电压U_dc为变压器的储能电感充电，当开关晶体管Q关断时，变压器储能电感的能量按照安匝守恒原理在高压侧进行释放，形成脉冲式高压能量波形，如图2中(b)所示。

其中，比于传统的微秒脉冲电源拓扑，本发明将单模块的拓扑的高压侧并联了两个共阳极串联形式的高压硅堆二极管D₂和D₃，其中D₂是利用二极管的反向雪崩击穿特性，对变压器的高压侧的脉冲电压幅值进行限制，防止在输出开路工况下，低压侧的开关晶体管Q的过压烧毁。添加D₃可降低储能元件在充电阶段的能量损失，保证在相同的充电时间内，输出更高的脉冲功率。本发明另一个优化改进的地方则是将高压侧输出正线串联一个高压硅堆二极管D₁，来保证多模块输出端并联后，完成脉冲功率合成叠加的功能，从而实现超高重复频率的脉冲功率输出特性。

具体工作原理如下：

本发明基于多路微秒脉冲电源模块的IPOP系统构架，提出了移相交错控制技术，实现整机微秒脉冲电源的超高重复频率的脉冲功率输出特性，其移相交错控制方法的控制原理示意图如图3所示。图3给出了4个模块的移相交错控制来说明超高频脉冲功率合成的过程，其中PWM_{_1}～PWM_{_4}分别为4个模块的控制指令信号；移相交错控制单元的移相时间为t_phase，由用户具体使用需求决定；单模块输出的脉冲功率持续时间为t_pluse，对应时间折算的频率为t_pluse，是由具体的等离子体放电负载确定的，但是该放电时间一般都非常小；单模块输出的低频脉冲的周期为T_initial，频率为f_initial；N个模块最终合成后的脉冲功率频率为f_{pluse_syn}。

超高重复频率的脉冲功率合成原理分析可分为3个典型工作模式，分别分析如下：

模式1：当用户设定的移相时间t_phase小于对应等离子体负载的脉冲放电持续时间t_pluse，即t_phase<t_pluse，工作原理分析波形示意图如图3中(a)所示。其中，单模块输出的脉冲功率周期仍为初始放电脉冲周期T_initial，但是由于t_phase设置过小，当主模块1输出脉冲电压U_{pluse_1}未结束时，从模块2的移相脉冲电压U_{pluse_2}开始输出，其中U_{pluse_1}与U_{pluse_2}之间的脉冲时间间隔即为移相时间t_pluse，同理等效到后级的从模块3和从模块4。其各自输出的移相交错脉冲电压叠加后的脉冲电压波形如图3中(a)的U_{pluse_syn}波形所示，合成脉冲电压处于连续工作状态。整机等效后的脉冲功率输出频率f_{pluse_syn}仍旧为初始脉冲频率f_initial，但是单脉冲的脉宽持续时间成倍增加，有利于等离子体负载完成放电特性。同时说明，本发明提出的方案可用于高脉宽脉冲功率输出电源的而应用场合。

模式2：当用户设定的移相时间t_phase等于对应等离子体负载的脉冲放电持续时间t_pluse，即t_phase＝t_pluse，工作原理分析波形示意图如图3中(b)所示。由于t_phase设置等于t_pluse，当主模块1输出脉冲电压U_{pluse_1}刚结束时刻，从模块2的移相脉冲电压U_{pluse_2}开始输出，其中U_{pluse_1}与U_{pluse_2}脉冲电压刚好处于临界连续工作状态，同理等效到后级的从模块3和从模块4。其各自输出的移相交错脉冲电压叠加后的脉冲电压波形如图3中(b)的U_{pluse_syn}波形所示，其整机等效后的脉冲功率输出频率f_{pluse_syn}为f_phase。等效到N个模块，存在以下等式关系：

则有：

f_phase≥Nf_initial (2)

可推导出合成脉冲电压频率f_{pluse_syn}与初始脉冲电压频率f_initial之间的关系式：

f_{pluse_syn}≥Nf_initial (3)

即在模式2工况条件下，N个模块组合成的整机输出合成脉冲重复频率 f_{pluse_syn}大于等于N倍初始脉冲重复频率，理论上可实现超高频可重复性脉冲功率输出的性能。

模式3：当用户设定的移相时间t_phase大于对应等离子体负载的脉冲放电持续时间t_pluse，即t_phase>t_pluse，工作原理分析波形示意图如图3中(c)所示。由于t_phase设置大于t_pluse，当主模块1输出脉冲电压U_{pluse_1}结束时刻，从模块2的移相脉冲电压U_{pluse_2}会经过(t_phase-t_pluse)延时时间后才开始输出，其中U_{pluse_1}与U_{pluse_2}脉冲电压处于断续工作状态，同理等效到后级的从模块3和从模块4。其各自输出的移相交错脉冲电压叠加后的脉冲电压波形如图3中(c)的U_{pluse_syn}波形所示，其整机等效后的脉冲功率输出频率f_{pluse_syn}为f_phase。等效到N个模块，合成脉冲电压频率f_{pluse_syn}与初始脉冲电压频率f_initial之间的关系式仍旧满足式(3)的数学关系，同样说明了在模式3工况条件下，合成脉冲重复频率f_{pluse_syn}大于等于 N倍初始脉冲重复频率，可以实现超高频可重复性脉冲功率输出的性能。

综上原理分析所述，本发明所提出的移相交错控制方法在保证移相角大于等于单脉冲放电持续时间条件下，可以实现N模块整机合成的脉冲重复频率大于等于N倍初始脉冲频率。并且本发明提出的方案在移相角小于单脉冲放电时间条件下，可实现扩展单个脉冲电压脉宽的功能。

实施例2

实验验证：

为了验证本发明所提方案的有效性，采用2台20kV的微秒脉冲电源分别作为模块1和模块2，单模块输出脉冲的初始频率f_initial为5kHz，两个模块的控制指令信号分别为PWM_{_1}和PWM_{_2}，在不同的移相角时间内的测试实验波形如图 4所示。在给定等离子体放电负载条件下，放电脉宽持续时间t_pluse约15μs左右，当移相时间t_phase为5μs，小于放电脉宽持续时间所测试的实验波形如图4中(a) 所示；当移相时间t_pluse为30μs，大于放电脉宽持续时间所测试的实验波形如图 4中(b)所示；当移相时间进一步扩大至50μs，所测试的实验波形如图4中(c)所示。

由图4中(a)可以看出，当移相角时间很小且小于单脉冲放电持续时间条件下，合成脉冲的等效脉冲频率f_{pluse_syn}与初始脉冲频率一致，即为5kHz。当移相角时间为30μs，如图4中(b)所示，大于单脉冲放电持续时间时，合成脉冲的等效频率为33.3kHz，远大于10kHz(Nf_initial＝2*5kHz＝10kHz)，合成脉冲的等效频率由移相时间t_phase决定。同理，图4中(c)给出移相角时间为50μs的工况测试，合成脉冲的等效频率为20kHz，远大于10kHz，合成脉冲的等效频率由移相时间 t_phase决定。

实验测试结果波形验证了本发明所提出的移相交错控制可以在IPOP微秒脉冲电源的系统构架下，实现超高重复频率脉冲输出的特性。

1.本发明在等离子体放电应用领域的高压微秒脉冲电源装置中，首次引入分布式多模块的IPOP系统架构的概念，实现整机脉冲功率的叠加合成，完成整机功率的可编辑、多样性脉冲功率输出功能。

2.本发明提出的移相交错控制技术，可实现微秒脉冲电源装置输出超高重复频率的脉冲功率。

3.本发明提出的移相交错控制技术，可应用在移相时间小于脉冲功率持续时间条件下，实现微秒脉冲电源装置输出更长脉冲宽度的脉冲功率，并可实现放电脉宽编辑功能。

4.本发明中单模块微秒脉冲电源电路拓扑中，变压器高压输出侧并接了两个共阳极连接形式的高压硅堆二极管D₂和D₃，实现了高压脉冲的电压幅值嵌位保护功能，减小了充电阶段的能量损失，提高了单次放电脉冲的放电功率。

5.本发明中单模块微秒脉冲电源电路拓扑中，变压器高压输出正线串接高压硅堆二极管D₁，实现了多模块输出并联连接条件下的脉冲功率合成叠加功能。

6.本发明中所提出的移相交错控制技术的具体实现方式：可以通过分立式硬件延时电路的方案实现，也可以通过数字控制器生成所需相移的PWM控制信号的方案来实现，或者是通过硬件电路与数字控制器相结合的方案来实现。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，其特征在于：包括主功率部分和控制信号部分，所述IPOP系统为输入并联输出并联系统，

所述主功率部分由AC-DC整流模块可调输出单元、N路IPOP微秒脉冲电源功率模块以及等离子体放电负载单元构成，所述AC-DC整流模块可调输出单元输入市电交流220V供电，输出可调的直流电压U_dc，所述可调的直流电压U_dc输入至所述微秒脉冲电源功率模块的输入端口，所述微秒脉冲电源功率模块的输出端口连接等离子体放电负载单元，

所述控制信号部分由初始PWM信号发生单元、N-1路移相交错控制单元组成，所述初始PWM信号发生单元产生低频的PWM驱动信号PWM_{_1}，控制第一个所述微秒脉冲电源模块内部的开关晶体管，实现模块内部储能元件的充电和放电状态，所述移相交错控制单元将驱动信号PWM_{_1}进行移相，生成相应的移相控制信号PWM_{_2}，…，PWM_{_n}，分别送入N-1个所述微秒脉冲电源功率模块内部的开关晶体管，对N-1个所述微秒脉冲电源功率模块进行移相交错式充电和放电，实现N个所述微秒脉冲电源功率模块输出的脉冲功率为移相交错式脉冲功率，所述微秒脉冲电源功率模块的数量为N个，其中，N＞1；

所述微秒脉冲电源功率模块包括稳压滤波储能电容C_in、开关晶体管Q和高压变压器T，所述开关晶体管Q基极接入PWM控制信号，集电极接高压变压器T低压侧的一端，所述开关晶体管Q发射极与高压变压器T低压侧的另一端接稳压滤波储能电容C_in的两端；

所述高压变压器T的高压侧并联两个共阳极串联形式的高压硅堆二极管D₂和D₃。

2.根据权利要求1所述的一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，其特征在于：N个所述微秒脉冲电源功率模块之间的输入端口相并联，输入相同的电压幅值U_dc，N个所述微秒脉冲电源功率模块之间的输出端口相并联。

3.根据权利要求1所述的一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，其特征在于：所述N-1路移相交错控制单元通过硬件移相电路实现或者通过数字控制器实现多路移相交错式PWM信号输出。

4.根据权利要求1所述的一种具有超高重复频率的IPOP系统构架式高压微秒脉冲电源，其特征在于：所述高压变压器T的高压侧输出正线串联一个高压硅堆二极管D1。

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