CN112737395A - 一种双极性全固态ltd方波脉冲发生电路 - Google Patents

一种双极性全固态ltd方波脉冲发生电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，采用LTD电路模块、脉冲变压器和负载电阻RL，LTD电路模块包括充电回路、双极性推挽放电回路、负载回路和续流回路，充电回路的输出端与双极性推挽放电回路的输入端连接，双极性推挽放电回路的输出端与脉冲变压器原边绕组连接，负载回路、续流回路和负载电阻RL均连接于脉冲变压器的副边绕组，保证在高幅值宽脉宽的输出模式下，方波后沿不会出现较大的过冲，在负载上输出双极性的高压方波脉冲，不再需要另外的电路为磁芯复位，输出方波的脉冲宽度可在纳秒到微秒范围内连续可调，极大地提高了LTD电路输出参数的调节范围，可以满足肿瘤组织不可逆电穿孔消融技术对方波脉冲电源的参数要求。

Description

一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路
技术领域
本发明涉及方波脉冲发生电路，具体涉及一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路。
背景技术
脉冲功率技术(Pulsed Power Technology，PPT)是一种以低功率储能，然后以高功率释放到特定负载中的电物理技术，以脉冲功率技术为基础的多参数可调方波脉冲电源在肿瘤组织不可逆电穿孔消融等领域有着十分广泛的应用。
肿瘤组织不可逆电穿孔消融技术对纳秒方波脉冲电源的输出参数有如下要求：输出电压0-6kV可调，脉冲宽度0.1-10μs可调，脉冲前沿<30ns，极性为双极性。要实现对多个输出参数的调节，则需要采用IGBT或MOSFET等全控型半导体器件，而要产生双极性高压方波脉冲，目前可采取Marx和LTD两种方案。例如，2015年，熊兰等人利用IGBT作为主开关器件，基于单极性Marx发生器和全桥固态调制器研制出一款双极性微秒脉冲电源，该电源输出电压幅值最高7kV，前沿150ns，最大脉宽10μs，并且重复频率、脉宽、电压幅值可调。相较于Marx电路，LTD电路的优势在于每一级电路利用相同的低电位，避免了驱动电路需要进行高压隔离的问题，因此可以很容易地实现较高电压的叠加。此外，LTD电路可以更加容易地实现多路并联，可以有效降低回路的电感，缩短脉冲前沿，提高电源的最大输出电流。例如，2010年，江伟华等人设计的基于MOSFET的LTD模块，该LTD系统可在120Ω的负载上可以产生最高29kV的输出电压和240A的输出电流，脉冲前沿30～40ns，脉冲宽度在50～170ns范围内任意可调。
目前国内外关于多参数可调方波脉冲电路的研究中，实现微秒级脉宽调节主要采用Marx电路技术方案，输出的脉冲前沿相对较慢，100ns-1000ns范围内调节则大多采用LTD的技术方案，而因为LTD电路在输出高幅值、宽脉宽脉冲方波电压后，在半导体器件的关断时刻会在方波下降沿会产生较大的反向过冲，影响脉冲方波的波形质量，因此限制了纳秒和微秒级脉冲方波电路的一体化设计，目前无法有效在0.1μs～10μs范围内对脉宽连续调节的双极性方波脉冲电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，包括LTD电路模块、脉冲变压器和负载电阻RL，LTD电路模块包括充电回路、双极性推挽放电回路、负载回路和续流回路，充电回路的输出端与双极性推挽放电回路的输入端连接，双极性推挽放电回路的输出端与脉冲变压器原边绕组连接，负载回路、续流回路和负载电阻RL均连接于脉冲变压器的副边绕组。
进一步的，具体的，包括M个并联的LTD电路模块，每个LTD电路模块连接一个脉冲变压器，M个脉冲变压器连接于1个负载电阻。
进一步的，LTD电路模块中包括N个并联的双极性推挽放电回路，N个并联的双极性推挽放电回路接同一个充电回路和同一个脉冲变压器。
进一步的，LTD电路模块包括充电回路、脉冲变压器、续流回路、负载回路和N个双极性推挽放电回路，N个双极性推挽放电回路并联，双极性推挽放电回路中的负极性输出端、正极性输出端、续流回路中的输出端和负载回路的输出端均绕在同一脉冲变压器上。
进一步的，双极性推挽放电回路包括储能电容Ci、正极性放电MOSFET和负极性放电MOSFET，正极性放电MOSFET漏极和负极性放电MOSFET的漏极与储能电容Ci的一端共地，储能电容Ci的另一端和正极性放电MOSFET的源极连接形成正极性放电的原边绕组，储能电容Ci的另一端和和负极性放电MOSFET的源极连接形成负极性放电的原边绕组。
进一步的，充电回路包括1个高压直流电源Udc、1个充电电阻Rdc和1个充电MOSFETQc1，高压直流电源Udc的低压端接地，高压直流电源Udc的高压端接充电电阻Rdc的一端，充电电阻Rdc的另一端接接MOSFET Qc1的源极，MOSFET Qc1的漏极接双极性推挽放电回路中储能电容Ci的另一端，储能电容Ci的一端接地，如此构成完整的充电回路。
进一步的，续流回路包括1个正极性续流MOSFET Ds1、1个负极性续流MOSFET Ds2、1个续流电阻Rs和2个RCD缓冲电路，其中正极性续流MOSFET Ds1漏极和负极性续流MOSFETDs2漏极接地，正极性续流MOSFET Ds1的源极和正极性续流MOSFET Ds1漏极之间并联有一个RCD缓冲电路，负极性续流MOSFET Ds2的源极和负极性续流MOSFET Ds2漏极之间并联有一个RCD缓冲电路，正极性续流MOSFET Ds1的源极和负极性续流MOSFET Ds2源极接脉冲变压器的副边，续流电阻Rs串联在脉冲变压器的副边。
进一步的，负载回路包括1个与脉冲变压器的副边并联的负载电阻RL。
进一步的，负载电阻RL的阻值为50Ω。
进一步的，MOSFET型号为STH12N120K5-2，储能电容Ci选用22μF。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，采用LTD电路模块、脉冲变压器和负载电阻RL，LTD电路模块包括充电回路、双极性推挽放电回路、负载回路和续流回路，充电回路的输出端与双极性推挽放电回路的输入端连接，双极性推挽放电回路的输出端与脉冲变压器原边绕组连接，负载回路、续流回路和负载电阻RL均连接于脉冲变压器的副边绕组，可实现双极性脉冲方波的脉宽在ns～μs范围内的连续可调，且保证在高幅值宽脉宽的输出模式下，方波后沿不会出现较大的过冲，可在负载上输出双极性的高压方波脉冲，不再需要另外的电路为磁芯复位，输出方波的脉冲宽度可在纳秒到微秒范围内连续可调，极大地提高了LTD电路输出参数的调节范围，可以满足肿瘤组织不可逆电穿孔消融技术对方波脉冲电源的参数要求。
进一步的，采用M个LTD子模块与M个脉冲变压器的副边相互串联连接到负载上，从而实现脉冲电压的叠加，在负载上生成高压方波脉冲。
进一步的，续流回路能够在放电MOSFET关断后，为变压器电感提供续流回路，释放仍储存在电感中的能量，可在LTD电路输出高电压宽脉宽方波脉冲时，大幅减小在负载上得到的反向电压过冲。
附图说明
图1为本发明实施中电路结构框图；
图2为本发明实施中LTD子模块的电路图；
图3为本发明实施例中LTD子模块工作时各MOSFET驱动信号的时序图；
图4为本发明实施例中LTD子模块工作时在50Ω电阻负载上得到的方波脉冲波形，图4a为负极性脉冲波形，图4b为正极性脉冲波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，包括LTD电路模块、脉冲变压器和负载电阻RL，LTD电路模块包括充电回路、双极性推挽放电回路、负载回路和续流回路，充电回路的输出端与双极性推挽放电回路的输入端连接，双极性推挽放电回路的输出端与脉冲变压器原边绕组连接，负载回路、续流回路和负载电阻RL均连接于脉冲变压器的副边绕组。
具体的，在LTD电路模块中包括N个并联的双极性推挽放电回路，N个并联的双极性推挽放电回路接同一个充电回路和同一个脉冲变压器。
本发明实施例的双极性全固态LTD方波发生电路的结构框图，如图1所示，包括M个并联的LTD电路模块，每个LTD电路模块连接一个脉冲变压器，M个脉冲变压器连接于1个负载电阻。
如图2所示，单个LTD电路模块，包括充电回路2、脉冲变压器3、续流回路4、负载回路5和N个双极性推挽放电回路1，N个双极性推挽放电回路1并联，N个双极性推挽放电回路1中的负极性输出端L11～L1N和正极性输出端L21～L2N，以及续流回路中4中的输出端L4和负载回路中的输出端L3均绕在同一脉冲变压器3上。
双极性推挽放电回路1包括储能电容Ci、正极性放电MOSFET和负极性放电MOSFET，正极性放电MOSFET漏极和负极性放电MOSFET的漏极与储能电容Ci的一端共地，储能电容Ci的另一端和正极性放电MOSFET的源极连接形成正极性放电的原边绕组，储能电容Ci的另一端和和负极性放电MOSFET的源极连接形成负极性放电的原边绕组。
具体如图2所示，单个双极性推挽放电回路1包括1个储能电容CN、1个正极性放电MOSFET QDN1和1个负极性放电MOSFET QDN2，正极性放电MOSFET QDN1漏极和负极性放电MOSFET MOSFET QDN2的漏极与储能电容CN的一端共地，储能电容CN的另一端和正极性放电MOSFET QDN1的源极连接形成正极性放电的原边绕组，电容CN的另一端和和负极性放电MOSFET QDN2的源极连接形成负极性放电的原边绕组。采用1个充放电电容，用于储存电能；1个正极性放电MOSFET和负极性放电MOSFET，导通时分别在负载上产生正极性和负极性方波脉冲。
充电回路2包括1个高压直流电源Udc、1个充电电阻Rdc和1个充电MOSFET Qc1，高压直流电源Udc的低压端接地，高压直流电源Udc的高压端接充电电阻Rdc的一端，充电电阻Rdc的另一端接接MOSFET Qc1的源极，MOSFET Qc1的漏极接双极性推挽放电回路中储能电容Ci的另一端，储能电容Ci的一端接地，如此构成完整的充电回路。1个充电电源，正极性高压直流电源，输出电压可在0～500V范围内调节；1个充电电阻，用于限制充电电流；1个充电MOSFET，用于控制充电回路工作的时间。
续流回路4包括1个正极性续流MOSFET Ds1、1个负极性续流MOSFET Ds2、1个续流电阻Rs和2个RCD缓冲电路，其中正极性续流MOSFET Ds1漏极和负极性续流MOSFET Ds2漏极接地，正极性续流MOSFET Ds1的源极和正极性续流MOSFET Ds1漏极之间并联有一个RCD缓冲电路，负极性续流MOSFET Ds2的源极和负极性续流MOSFET Ds2漏极之间并联有一个RCD缓冲电路，正极性续流MOSFET Ds1的源极和负极性续流MOSFET Ds2源极接脉冲变压器的副边，续流电阻Rs串联在脉冲变压器的副边，构成回路。1个吸收电阻，用于吸收放电MOSFET关断后仍储存在脉冲变压器电感中的能量；1个正极性续流MOSFET和负极性续流MOSFET，导通后分别为正极性和负极性放电后的能量提供续流回路，用于降低方波脉冲后沿的反向过冲；2组RCD缓冲电路，分别并联在两个续流MOSFET的D-S两端，用于缓解续流回路的加入对在波形前沿产生的振荡。
在本实施例中，负载回路5包括1个50Ω的负载电阻RL，负载电阻RL并联在脉冲变压器的副边。
M个LTD模块的所有电路设计均保持一致。所有的MOSFET均配备有反并联的二极管以及对应的驱动电路。如图3所示，为单个LTD模块中五种MOSFET驱动信号对应的时序，下面将结合图2和图3介绍单个LTD模块的在一个放电周期内的工作过程。
充电过程：充电MOSFET QC1导通，高压直流电源通过充电电阻给双极性推挽放电回路1中的电容C1～CN充电；
负极性放电：负极性放电MOSFET QD11～QDN1和负极性续流MOSFET QS1导通，而正极性MOSFET QD12～QDN2和正极性续流MOSFET QS2保持关断状态，电容C1～CN通过各负极性放电MOSFET放电，并经由脉冲变压器，在负载上感应出幅值为Udc的负极性方波脉冲，此时续流回路中的反向二极管Ds2导通，MOSFET QS2的D-S两端承受Udc的电压；
负极性续流：负极性放电MOSFET QD11～QDN1关断，保持负极性续流MOSFET QS1导通，励磁电感中的励磁电流大部分流经短路电阻Rs直至衰减至0后，QS1关断；
正极性放电：正极性放电MOSFET QD12～QDN2和正极性续流MOSFET QS2导通，而负极性MOSFET QD12～QDN2和负极性续流MOSFET QS1保持关断状态，电容C1～CN通过各正极性放电MOSFET放电，并经由脉冲变压器，在负载上感应出幅值为Udc的正极性方波脉冲，此时续流回路中的反向二极管Ds1导通，MOSFET QS1的D-S两端承受Udc的电压；
正极性续流：正极性放电MOSFET QD11～QDN1关断，保持正极性续流MOSFET QS2导通，励磁电感中的励磁电流大部分流经短路电阻Rs直至衰减至0后，QS2关断。
上述为单个LTD子模块在一个周期内的工作过程，在本发明实例中，MOSFET型号选用STH12N120K5-2，充放电电容选用22μF，磁芯尺寸为250mm×100mm×30mm，磁芯材料为纳米晶。充电电压520V的情况下，单级LTD模块输出的正极性和负极性方波那个波形如图4所示。方波平顶幅值为520V，方波脉宽为1.5μs，由于续流回路的设计，在方波的下降沿并未出现明显的反向过冲。
本申请中充电MOSFET、正极性放电MOSFET、负极性放电MOSFET、正极性续流MOSFET和负极性续流MOSFET均可采用IGBT替换。
应当理解，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，其特征在于，包括LTD电路模块、脉冲变压器和负载电阻RL，LTD电路模块包括充电回路、双极性推挽放电回路、负载回路和续流回路，充电回路的输出端与双极性推挽放电回路的输入端连接，双极性推挽放电回路的输出端与脉冲变压器原边绕组连接，负载回路、续流回路和负载电阻RL均连接于脉冲变压器的副边绕组。
2.根据权利要求1所述的一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，其特征在于，具体的，包括M个并联的LTD电路模块，每个LTD电路模块连接一个脉冲变压器，M个脉冲变压器连接于1个负载电阻。
3.根据权利要求1所述的一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，其特征在于，LTD电路模块中包括N个并联的双极性推挽放电回路，N个并联的双极性推挽放电回路接同一个充电回路和同一个脉冲变压器。
4.根据权利要求3所述的一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，其特征在于，LTD电路模块包括充电回路(2)、脉冲变压器(3)、续流回路(4)、负载回路(5)和N个双极性推挽放电回路(1)，N个双极性推挽放电回路(1)并联，双极性推挽放电回路(1)中的负极性输出端、正极性输出端、续流回路中(4)的输出端和负载回路(5)的输出端均绕在同一脉冲变压器(3)上。
5.根据权利要求4所述的一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，其特征在于，双极性推挽放电回路(1)包括储能电容Ci、正极性放电MOSFET和负极性放电MOSFET，正极性放电MOSFET漏极和负极性放电MOSFET的漏极与储能电容Ci的一端共地，储能电容Ci的另一端和正极性放电MOSFET的源极连接形成正极性放电的原边绕组，储能电容Ci的另一端和和负极性放电MOSFET的源极连接形成负极性放电的原边绕组。
6.根据权利要求4所述的一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，其特征在于，充电回路(2)包括1个高压直流电源Udc、1个充电电阻Rdc和1个充电MOSFET Qc1，高压直流电源Udc的低压端接地，高压直流电源Udc的高压端接充电电阻Rdc的一端，充电电阻Rdc的另一端接接MOSFET Qc1的源极，MOSFET Qc1的漏极接双极性推挽放电回路中储能电容Ci的另一端，储能电容Ci的一端接地，如此构成完整的充电回路。
7.根据权利要求4所述的一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，其特征在于，续流回路(4)包括1个正极性续流MOSFET Ds1、1个负极性续流MOSFET Ds2、1个续流电阻Rs和2个RCD缓冲电路，其中正极性续流MOSFET Ds1漏极和负极性续流MOSFET Ds2漏极接地，正极性续流MOSFET Ds1的源极和正极性续流MOSFET Ds1漏极之间并联有一个RCD缓冲电路，负极性续流MOSFET Ds2的源极和负极性续流MOSFET Ds2漏极之间并联有一个RCD缓冲电路，正极性续流MOSFET Ds1的源极和负极性续流MOSFET Ds2源极接脉冲变压器的副边，续流电阻Rs串联在脉冲变压器的副边。
8.根据权利要求4所述的一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，其特征在于，负载回路(5)包括1个与脉冲变压器的副边并联的负载电阻RL。
9.根据权利要求8所述的一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，其特征在于，负载电阻RL的阻值为50Ω。
10.根据权利要求5所述的一种双极性全固态LTD方波脉冲发生电路，其特征在于，MOSFET型号为STH12N120K5-2，储能电容Ci选用22μF。
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