CN114094869A - 一种脉冲电场技术的实现电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医用脉冲消融技术领域，特别是涉及一种脉冲电场技术的实现电路及方法。一种脉冲电场技术的实现电路，包括直流电源、全桥拓扑开关电路和输出接口，直流电源并联于全桥拓扑开关电路的输入端，通过全桥拓扑开关电路将高压脉冲信号通过输出接口输出，全桥拓扑开关电路中每一个开关模组的两端并联了电容池，并且各电容池的其中一端都并联于直流电源的输入端，通过设置电容池中电容开关阵列的开关状态，给各开关模组提供不同的充电电压。本发明为了实现同一组脉冲中不同的电压输出，具备有n组电容池实现输出期间电容的储能，为输出提供能量。

Description

一种脉冲电场技术的实现电路及方法
技术领域
本发明涉及医用脉冲消融技术领域，特别是涉及一种脉冲电场技术的实现电路及方法。
背景技术
现有的热消融手段主要采用射频以及冷冻技术。但是此热消融技术在使用过程中，受限于热池效应，往往很难达到全层透壁。同时，这些热消融技术不具备细胞的选择性，因此会将非靶细胞一并进行损毁。
鉴于以上热消融技术的缺陷，脉冲电场消融技术作为一项非热消融技术日渐得到了临床应用的关注。脉冲电场消融技术是通过产生一种脉宽为毫秒、微秒甚至纳秒级的高压脉冲电场，在短时间内释放极高的能量，其能使得细胞膜甚至是细胞内的细胞器如内质网、线粒体、细胞核等会产生大量的不可逆的微孔。进而造成病变细胞的凋亡，从而达到预期的治疗目的。
基于以上的优势，脉冲电场消融技术有望成为理想的手术消融技术。
现如今脉冲电场消融技术的临床应用越来越多，而对脉冲电场消融技术中波形的控制以及波形组合的要求也越来越高，现有的电路拓扑实现方式无法更好的满足不同要求的需要。为此，本文提出了一种脉冲电场技术的实现方法。可以输出不同参数要求下的脉冲电场信号，甚至可以实现正弦脉冲信号的输出。这样能为脉冲电场技术进一步的临床应用提供了更大的可能性。
发明内容
本专利针对现有技术中高压脉冲波形单一，不能适应临床的需求的问题，提出了一种脉冲电场技术的实现电路及方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种脉冲电场技术的实现电路，包括直流电源、全桥拓扑开关电路和输出接口，所述直流电源并联于所述全桥拓扑开关电路的输入端，所述全桥拓扑开关电路用于将高压脉冲信号通过输出接口输出，所述全桥拓扑开关电路中的每一个开关模组的两端并联了电容池，并且各电容池的其中一端都并联于直流电源的输出端，通过设置所述电容池中电容开关阵列的开关状态，给各开关模组提供不同的充电电压。
作为本发明的优选方案，所述电容池中并联了多条电容支路，所述电容支路串联了电容开关阵列和电容组，所述电容开关阵列由多个开关单元串联而成，每一个开关单元内，由多个开关子单元并联构成。
作为本发明的优选方案，所述电容开关阵列中的开关都带有体二极管，并且位于上半部分的开关的体二极管与位于下半部分开关的体二极管方向相反。
作为本发明的优选方案，还包括多个二极管阵列组，每个电容池的输入端与直流电源的输出端之间都串联了二极管阵列组，多个二极管串联为多个二极管支路，并且多个二极管支路并联，构成所述二极管阵列组，所述二极管的方向一致，所述二极管阵列组中二极管的正极与所述直流电源的输出端连接，所述二极管阵列组的负极与所述电容池连接。
作为本发明的优选方案，在所述直流电源输出端还设置了输出开关组，所述输出开关组串联于直流电源输出端和所述二极管阵列组之间，多个电源开关串联为多个电源开关支路，并且多个电源开关支路并联，构成所述输出开关组，其中各电源开关并联了体二极管，体二极管的正极朝向所述二极管阵列组的一端，体二极管的负极朝向所述直流电源的输出端。
作为本发明的优选方案，还包括带通滤波电路，所述带通滤波电路包括带通滤波子电路和带通滤波选择器，通过所述带通滤波选择器使得所述全桥拓扑开关电路输出的脉冲波形通过不同的带通滤波子电路进行滤波，从而输出正弦波形和脉冲波形的组合。
基于相同的构思，还提出了一种脉冲电场技术的实现方法，构建上述任一所述的一种脉冲电场技术的实现电路，并实现体二极管充电模式，所述体二极管充电模式的充电过程为：导通需要进行充电的电容组的电容开关阵列((Kxq111…K1x11n)…(Kxq211…K1x21n)…(Kxq1n1…Kx11nn)…(Kxq2n1…Kxq2nn))，并且导通所述全桥拓扑开关电路中的第2开关模组到第n开关模组中第四区域的开关(((S2411…S241n)…(S24n1…S24nn))…((Sn411…Sn41n)…(Sn4n1…Sn4nn)))，以及最后一组开关模组中第三区域最后一行的开关(Sn31n…Sn3nn)；其余的开关均保持关闭状态。
基于相同的构思，还提出了一种脉冲电场技术的实现方法，构建上述任一所述的一种脉冲电场技术的实现电路，采用全程控制充电模式进行充电，所述全程控制充电模式的充电过程为：导通需要进行充电的电容组的电容开关阵列((Kxq111…K1x11n)…(Kxq211…K1x21n)…(Kxq1n1…Kx11nn)…(Kxq2n1…Kxq2nn))，并且导通全桥拓扑开关电路中开关模组的第三区域的开关 (((S1311…S131n)…(S13n1…S13nn))…((Sn311…Sn31n)…(Sn3n1…Sn3nn)))，以及第四区域的开关 (((S2411…S241n)…(S24n1…S24nn))…((Sn411…Sn41n)…(Sn4n1…Sn4nn)))，其余的开关均保持关闭状态。
基于相同的构思，还提出了一种脉冲电场技术的实现方法，构建上述任一所述的一种脉冲电场技术的实现电路，正脉冲输出方法为：
设定预先进行充电的直流电源的输出电压设置为V，需要进行正脉冲输出所使用的电容池总数为p，x指代使用的电容池，需要使用的电容组为q个，断开电容池与直流电源的输出端的连接，
对于需要使用的电容池，导通所使用的电容组对应的电容开关阵列 ((Kxq111…K1x11n)…(Kxq211…K1x21n)…(Kxq1n1…Kx11nn)…(Kxq2n1…Kxq2nn))；导通所使用的电容池对应的开关模组的第二区域开关((Sx211…Sx21n)…(Sx2n1…Sx2nn))以及开关模组的第三区域开关((Sx311…Sx31n)…(Sx3n1…Sx3nn))，剩下不使用的电容池总数为n-p个，将不使用的电容池对应的开关模组的第一区域以及第二区域开关导通，或者将不使用的电容池对应的开关模组的第三区域以及第四区域开关导通，则输出正脉冲，正脉冲的电压幅值为V*p。
基于相同的构思，还提出了一种脉冲电场技术的实现方法，构建上述任一所述的一种脉冲电场技术的实现电路，负脉冲输出方法为：
设定预先进行充电的直流电源的输出电压设置为V，需要进行正脉冲输出所使用的电容池总数为p，x指代使用的电容池，需要使用的电容组为q个， 断开电容池与直流电源的输出端的连接，
对于需要使用的电容池，导通所使用的电容组对应的电容开关阵列 ((Kxq111…K1x11n)…(Kxq211…K1x21n)…(Kxq1n1…Kx11nn)…(Kxq2n1…Kxq2nn))；导通所使用的电容池对应的开关模组的第一区域开关((Sx111…Sx21n)…(Sx1n1…Sx2nn))以及第四区域开关((Sx411…Sx41n)…(Sx4n1…Sx4nn))，剩下不使用的电容池总数为n-p个，将不使用的电容池对应的开关模组的第一区域以及第二区域开关导通，或者将不使用的电容池对应的开关模组的第三区域以及第四区域开关导通，则输出负脉冲，负脉冲的电压幅值为-V*p。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的电路结构中具有n组全桥拓扑，通过控制全桥拓扑的开关的导管与关断，实现高压脉冲信号的输出同时还能实现电容组电容的充电基于本发明的电路结构，高压脉冲信号输出与电容组充电相对独立进行，大大提高了系统的安全性。
2、本发明为了实现同一组脉冲中不同的电压输出，具备了多组电容池实现输出期间电容的储能，为输出提供能量，其中每一个电容池由多组电容组成，组成电容组的电容数量为任意的。通过双向开关组实现了充电以及放电过程。同时双向开关可以保证在充电以及放电过程中，不需要参与此过程的电容不会对充电和放电过程造成影响。
3、本发明由单个电源供电实现统一充电，同时通过开关以及二极管保证了在放电期间电容组的电容不会反向充电，以其减小电容组电容中能量不必要的损失。
4、本发明可以通过全桥拓扑以及电容组双向开关的控制，实现对应脉冲组中不同组合、不同方向、不同电压、不同脉宽的输出要求。
5、本发明可以通过全桥拓扑以及电容组双向开关的控制，同时配合带通滤波器，实现正弦信号和脉冲信号的组合输出。
附图说明：
图1为本发明实施例1中同时实现二极管充电模式以及全程充电模式的脉冲电场实现方法的电路；
图2为本发明实施例1中现有技术的全桥拓扑开关电路图；
图3为本发明实施例1中对开关模组划分区域的示意图；
图4为本发明实施例1中对开关模组划分区域后图2的简化图；
图5为本发明实施例1中对开关模组划分区域后图1的简化图；
图6为开关模组的脉冲组合后的波形图一；
图7为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图二；
图8为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图三；
图9为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图四；
图10为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图五；
图11为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图六；
图12为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图七；
图13为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图八；
图14为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图九；
图15为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图十；
图16为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图十一；
图17为本发明实施例1中开关模组的脉冲组合后的波形图十二；
图18为本发明实施例1中只能实现全程充电模式的脉冲电场实现方法的电路图；
图19为本发明实施例1中第一种脉冲输出波形；
图20为本发明实施例1中第二种脉冲输出波形；
图21为本发明实施例1中第三种脉冲输出波形；
图22为本发明实施例1中第四种脉冲输出波形；
图23为本发明实施例1中第五种脉冲输出波形；
图24为本发明实施例1中同时实现二极管充电模式以及全程充电模式并具有带通滤波器的脉冲电场实现方法的电路；
图25为本发明实施例1中只能实现全程充电模式并具有带通滤波器的脉冲电场实现方法的电路；
图26为本发明实施例1中第一种正弦脉冲产生波形示意图；
图27为本发明实施例1中第二种正弦脉冲产生波形示意图；
图28为本发明实施例1中组合脉冲波形示意图；
图29为本发明实施例2中如果没有二极管阵列组，相邻电容池充电过程中形成的放电回路。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示为实现脉冲电场技术的电路图，该电路中包括多个电容池、每个电容池对应的二极管阵列组、直流电源、直流电源输出端的输出开关组、全桥拓扑开关电路和输出接口。现有技术的高压脉冲电路主要是全桥拓扑开关电路，并没有采用电容池、输出开关组和二极管阵列组，现有技术的高压脉冲电路如图2所示。本发明是在图2的基础上做的改进。
如图2所示，开关S1111、……S111（n-1）、S111n串联构成了第一开关支路，开关S1121、……S112（n-1）、S112n构成第二开关支路，……开关S11n1、……S11n（n-1）、S111n构成第n开关支路，n个开关支路再并联，构成S11开关模块。同样的方式，开关S1311、……S131（n-1）、S131n串联构成了第一开关支路，开关S1321、……S132（n-1）、S132n构成第二开关支路，……开关S13n1、……S13n（n-1）、S131n构成第n开关支路，n个开关支路再并联，构成S13开关模块，S11开关模块和S13开关模块再串联构成第一支路，同理，S12开关模块和S14开关模块再串联构成第二支路，第一支路和第二支路并联构成全桥拓扑结构的第一模组，同理构成第二模组、第三模组……第N模组等。为了后续便于描述，将第一模组的S11开关模块定义为第一模组的第一区域，第一模组的S13开关模块定义为第一模组的第三区域，第一模组的S12开关模块定义为第一模组的第二区域，第一模组的S14开关模块定义为第一模组的第四区域，具体示意如图3所示。其他模组的相应位置也分别定为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域图1中全桥拓扑开关电路的个模组，也采用相同的开关区域命名。划区域后，图2可以简化为图4，图1可以简化为图5。第一模组的第一支路的中点A1与第二模组第二支路的中点B2连接，第二模组第一支路的中点A2，与第三模组第二支路的中点B3连接，依次类推，连接后构成了全桥拓扑结构，并且每个模组的前端都并联了电容，电容1、电容2……电容n的一端都并联于直流电源的输入端K，电容1、电容2……电容n的另一端分别与各模组的端点Ji连接。另外，第一模组第二支路中点B1和第N模组第一支路中点An作为输出的两个端点。
由于上述电路连接的结构，使得分别控制个支路的开关的状态，可以输出高压正脉冲、负脉冲、零脉冲、零脉冲和零充电脉冲。
在所有开关关断的情况下，将开关模块Sn1和Sn4中的开关导通，开关模块Sn1和Sn4所在的开关模组输出负脉冲；
在所有开关关断的情况下，将开关模块Sn2和Sn3中的开关导通，开关模块Sn2和Sn3所在的开关模组输出正脉冲；
在所有开关关断的情况下，将开关模块Sn1和Sn2中的开关导通，开关模块Sn1和Sn2所在的开关模组输出零脉冲；
在所有开关关断的情况下，将开关模块Sn3和Sn4中的开关导通，开关模块Sn3和Sn4所在的开关模组输出零脉冲。
多个开关模组的脉冲组合，构成了如图6-17的组合脉冲。由于该电路应用于医疗设备中，输出的高压脉冲无论什么组合，什么脉冲，均要作用于人体，因此，需要提高电路的安全性能，因此采用反向接开关的方式实现充电保护，如图2所示，第一模组第二支路的最后一行的开关S141n……S14nn，以及最后一个模组第一支路的最后一行开关Sn31n……Sn3nn必须采用反向连接，这样设置后充电的电流不会流过患者。由于各开关均带有体二极管，所以，这样的反接使得该电路无需采用充电保护开关，便可实现零充电脉冲，电路中的电容处于充电状态，而输出为零脉冲，零充电脉冲状态下，充电电流不会通过输出端口流向患者。
除了第一模组第二支路的最后一行的开关S141n……S14nn，以及最后一个模组第一支路的最后一行开关Sn31n……Sn3nn必须采用反向连接的方式，剩下的各支路可以采用两种方式构建。一种是如图1所示的正向连接方式，一种是如图18所示的反向连接方式。其中如图1所示的正向连接方式中，只有第一模组第二支路的最后一行的开关S141n……S14nn，以及最后一个模组第一支路的最后一行开关Sn31n……Sn3nn采用反向连接的方式，其他模组中第一支路和第二支路的最后一行开关均为正向连接，可以实现体二极管充电模式以及全程控制充电模式。而图18所示的反向连接方式中，除了第一模组第二支路的最后一行的开关S141n……S14nn，以及最后一个模组第一支路的最后一行开关Sn31n……Sn3nn采用反向连接的方式以外，其他模组中第一支路和第二支路的最后一行开关均为反向连接，这样方式下只能实现全程控制充电模式。全程控制充电模式可以很好的减少体二极管造成的导通压降的影响。
本发明的改进点在于，在图2电路的基础上每个开关模组配备并联了一个电容池；每个电容池对应的在与直流电源连接前都串联了二极管阵列组；直流电源输出端串联了输出开关组。
每个电容池中由n组电容组组成 ，组成电容组的电容数量根据应用需求可任意设定。每组电容组都会配置双向开关，保证对需要使用的电容组进行充电以及放电。电容池中并联了多条电容支路，电容支路串联了电容开关阵列和电容组，电容开关阵列由多个开关单元串联而成，每一个开关单元内，由多个开关子单元并联构成。
作为本发明的优选方案，电容开关阵列中的开关都带有体二极管，并且位于上半部分的开关的体二极管与位于下半部分开关的体二极管方向相反。体二极管相反设置的原因在于，若开关的体二极管方向均朝一个方向，例如，体二极管的负极都朝上，虽然本支路整个电容开关阵列关断没有给电容组充电，但由于体二极管的负极都朝上，会造成相邻电容组通过体二极管给该电容组充电。若体二极管的负极都朝下，本支路整个电容开关阵列导通给电容组充电时，由于相邻电容组体二极管的负极都朝下而使得本支路不仅给本支路的电容组充电，还在给相邻电容组充电。所以，设计为电容开关阵列中的开关都带有体二极管，并且位于上半部分的开关的体二极管与位于下半部分开关的体二极管方向相反，无论充电或放电，均有体二极管起到阻断的作用，使得本支路整个电容开关阵列通过导通和关断只控制本支路的电容组充电和放电，而不会影响到相邻的电容组或者受相邻电容组影响。
供电电源采用直流电源，同时对每组全桥拓扑的充电回路上配置二极管，并且配置了输出开关组，这一开关组以及二极管的配置保证了电容组的电容进行放电过程中不会反向进行放电，保证了电容池中的电容不会产生不必要的损失。
体二极管充电模式的充电过程为：首先设定直流电源的输出电压为V。需要充电的电容池总数为p，x表示需要进行充电的电容池，对应的电容组为q 。导通与直流电源连接的开关组((M11…M1n)…(Mn1…Mnn))，同时导通需要进行充电的电容组的开关((Kxq111…K1x11n)…(Kxq211…K1x21n)…(Kxq1n1…Kx11nn)…(Kxq2n1…Kxq2nn))。而全桥拓扑需要导通的是(((S2411…S241n)…(S24n1…S24nn))…((Sn411…Sn41n)…(Sn4n1…Sn4nn)))，以及最后一组全桥拓扑的开关(Sn31n…Sn3nn)。其余的所有部分的开关管均保持关闭状态。这样直流电源的能量就可以流经需要充电的电容实现充电。同时全桥拓扑的电流路径是通过流经每组全桥拓扑的第三区域的体二极管实现的。
全程控制充电模式的充电过程为：首先设定直流电源的输出电压为V1。需要充电的电容池总数为p，x表示需要进行充电的电容池，对应的电容组为q。导通与直流电源连接的开关组((M11…M1n)…(Mn1…Mnn))，同时导通需要进行充电的电容组的开关((Kxq111…K1x11n)…(Kxq211…K1x21n)…(Kxq1n1…Kx11nn)…(Kxq2n1…Kxq2nn))。而全桥拓扑需要导通的是第三区域的开关管(((S1311…S131n)…(S13n1…S13nn))…((Sn311…Sn31n)…(Sn3n1…Sn3nn)))，以及第四区域的开关管(((S2411…S241n)…(S24n1…S24nn))…((Sn411…Sn41n)…(Sn4n1…Sn4nn)))。其余的所有部分的开关管均保持关闭状态。这样直流电源的能量就可以流经需要充电的电容实现充电。这里由于全桥拓扑的第三区域的开关管导通，保证充电电流的路径不会通过全桥拓扑第三区域的体二极管，特别是图18所示的全桥拓扑的第三区域的最后一排的开关管的反向连接，使得该结构的拓扑只能实现全程控制充电的方式。这种充电方式的好处是体二极管会产生固定的压降，而开关管的导通电阻往往较小。因此采用全程控制充电模式可以大大降低体二极管压降对电容充电电压的影响。
上述两种充电模式体二极管充电模式以及全程控制充电模式在输出脉冲期间使用可以实现零脉冲的输出。
正脉冲输出方法为：当需要输出正脉冲，设定预先进行充电的直流电源的输出电压设置为V。需要进行正脉冲输出所使用的电容池总数为p，x指代使用的电容池，需要使用的电容组为q。此时断开开关管((M11…M1n)…(Mn1…Mnn))。对于需要使用的电容池回路，导通所使用的电容组对应的开关管((Kxq111…K1x11n)…(Kxq211…K1x21n)…(Kxq1n1…Kx11nn)…(Kxq2n1…Kxq2nn))。对于全桥拓扑，对所使用的电容池对应的开关模组，导通开关模组的第二区域开关((Sx211…Sx21n)…(Sx2n1…Sx2nn))以及第三区域开关((Sx311…Sx31n)…(Sx3n1…Sx3nn))。剩下不使用的电容池总数为n-p，可以通过导通其对应开关模组的第一区域以及第二区域开关，或者导通其对应开关模组的第三区域以及第四区域开关，这两种导通方式任选一种，就可以实现正脉冲输出，所输出的电压幅度为V*p。断开直流电源输出端的开关组((M11…M1n)…(Mn1…Mnn))以及断开二极管阵列组((D111…D11n)…(D1n1…D1nn))可以保证正脉冲输出期间不会形成各个输出电容的级联回路，形成储能电容之间的相互充放电，造成储能电容能量的不必要的损失。
负脉冲输出方法为：当需要输出负脉冲，设定预先进行充电的直流电源的输出电压设置为V。需要进行正脉冲输出所使用的电容池总数为p，x指代使用的电容池，需要使用的电容组为q。断开二极管阵列组((M11…M1n)…(Mn1…Mnn))。对于需要使用的电容池回路，导通所使用的电容组对应的开关管((Kxq111…K1x11n)…(Kxq211…K1x21n)…(Kxq1n1…Kx11nn)…(Kxq2n1…Kxq2nn))。对于全桥拓扑电路，对所使用的电容池对应的开关模组，导通开关模组的第一区域开关((Sx111…Sx21n)…(Sx1n1…Sx2nn))以及第四区域开关((Sx411…Sx41n)…(Sx4n1…Sx4nn))。剩下不使用的电容池总数为n-p，可以通过导通其对应开关模组的第一区域以及第二区域开关，或者导通其对应开关模组的第三区域以及第四区域开关，这两种导通方式任选一种。这样就可以实现负脉冲输出，所输出的电压幅度为-V*p。断开直流电源输出端的开关组((M11…M1n)…(Mn1…Mnn))以及断开二极管阵列组((D111…D11n)…(D1n1…D1nn))可以保证负脉冲输出期间不会形成各个输出电容的级联回路，形成储能电容之间的相互充放电，造成储能电容能量的不必要的损失。
为了实现同一组的脉冲输出中不同的电压幅度以及组合的脉冲波形。可以通过以上的正脉冲、负脉冲的输出方式。通过预先设定需要输出的脉冲电压的种类以及大小，同时考虑到相应的脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲个数等参数。选择不同的电容组进行不同参数要求特别是脉冲电压以及脉冲宽度下。在电容组的添加下进行充电储能后，通过输出正脉冲、负脉冲、零脉冲的控制方式，即可实现同一组脉冲输出中，不同电压幅度以及组合的脉冲波形。这里电容组中的电容可以根据所使用的情况进行电容的配置。如需要较高的电压输出，可以选择较大耐压值的电容。如果需要较低的电压输出，可以选择较低耐压值的电容。同时，电容组中的电容数量可以根据脉冲宽度的要求进行配置。如此可以使得输出的脉冲更好的适应实际的输出要求。这里图19-图23简单列举了几种输出的脉冲波形，实际可以输出的波形不仅仅局限于这几种，可以任意组合。
正弦脉冲输出：正弦脉冲可以通过图24、图25的电路拓扑，对输出的脉冲信号加载带通滤波器，实现正弦脉冲的输出。图26-图27简单列举了几种输出的脉冲波形，实际可以输出的脉冲波形不仅仅局限于这几种，可以任意组合。
可以上述的正脉冲、负脉冲、零脉冲、正弦脉冲控制，实现不同的脉冲输出组合，这里图28给出了组合脉冲的示意图。实际可以输出的脉冲波形不仅仅局限于这几种，可以任意组合。
实施例2
每个全桥拓扑都会有一个对应的电容池，电容池的主要功能是储存能量，然后根据不同的输出要求加载对应电容池中的电容组实现不同的脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲个数的脉冲能量的输出。
以电容池1为例，电容池1由n个电容组组成。假定电容组11的电容的总容量为100mF，耐压为1000V，这样电容组11能储存的能量的最高电压值就为1000V。假定电容组1n的电容的总容量为10uF，耐压为20KV，这样电容组1n能储存的两点的最高电压值为20KV。这里，电容容量越高，能够使得输出个数以及脉冲宽度越大的时候，脉冲输出保持高电压的时间越久。
以上电容组的例子可以说明，对于不同的输出要求，如脉冲幅度60KV，脉冲宽度2us，脉冲个数3个，这时候可以切换到电容组1n，这样就能输出满足其输出要求的脉冲能量。如3000V,100us，5个，这时候可以切换到电容组11，这样就能输出满足其输出的脉冲能量。
由于每个电容组的储存的能量不同，如电压不同，这样需要通过双向开关K进行充放电的保证。如对电容组11进行充电以及放电时候，就打开该电容组对应的开关，关闭电容池1中其他电容组对应的开关，保证了电容组11使用中统一电容池的其他电容组的能量不会对其影响。
由于系统有多个全桥拓扑组成，因此各个电容池之间会导通其需要的电容组进行输出。例如此时需要使用电容组1，这样电容池1-电容池n会分别导通其电容组11-n1，这样就可以通过电容组的叠加作用输出想要的高电压。
这里采用了二极管((D111…D11n)…(D1n1…D1nn))，其作用就是防止电池组之间的电容组的影响。比如，电容组11以及电容组n1的电压以及储存的能量是无法做到一模一样，并且放电过程中能量的消耗情况也无法做到一模一样。如果没有二极管的作用，假定相邻的电容池2和电容池3电容池中，电容池3电容组11的能量比电容池2中电容组n1的能量高，并且电容池2对应的开关模组中的第三区域开关导通，电容池3对应的开关模组中的第四区域开关导通，这样会形成回路：电流依次流过电容池3的电容组11、电容池2中电容组n1、电容池2对应的开关模组中的第三区域开关、电容池3对应的开关模组中的第四区域开关，最后又流回到电容池3的电容组11，形成了电流回路，该电路回路如图29所示。这样的回路就造成了电容组之间的能量损耗。因此在电容池2与直流电源并联端增加二极管阵列组，通过断开该二极管阵列组，来切换此回路，避免损耗，同理，其他电容池与直流电源并联端也增加了二极管阵列组，使得各相邻电容池之间不会因为能量偏差而造成回路损耗。
开关((M11…M1n)…(Mn1…Mnn))的一个作用是放电期间保证直流电源与放电的全桥通路断开。如此时全桥拓扑的第二桥臂的开关((S1211…S121n，S12n1…S12nn))导通，此时直流电源就会加载的负载上，与实际想要输出的电压不符，同时如果负载组织很小，很有可能会加重直流电源的负担。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种脉冲电场技术的实现电路，包括直流电源、全桥拓扑开关电路和输出接口，所述直流电源并联于所述全桥拓扑开关电路的输入端，所述全桥拓扑开关电路用于将高压脉冲信号通过输出接口输出，其特征在于，所述全桥拓扑开关电路中的每一个开关模组的两端并联了电容池，并且各电容池的其中一端都并联于直流电源的输出端，通过设置所述电容池中电容开关阵列的开关状态，给各开关模组提供不同的充电电压。
2.如权利要求1所述的一种脉冲电场技术的实现电路，其特征在于，所述电容池中并联了多条电容支路，所述电容支路串联了电容开关阵列和电容组，所述电容开关阵列由多个开关单元串联而成，每一个开关单元内，由多个开关子单元并联构成。
3.如权利要求2所述的一种脉冲电场技术的实现电路，其特征在于，所述电容开关阵列中的开关都带有体二极管，并且位于上半部分的开关的体二极管与位于下半部分开关的体二极管方向相反。
4.如权利要求1-3任一所述的一种脉冲电场技术的实现电路，其特征在于，还包括多个二极管阵列组，每个电容池的输入端与直流电源的输出端之间都串联了二极管阵列组，多个二极管串联为多个二极管支路，并且多个二极管支路并联，构成所述二极管阵列组，所述二极管的方向一致，所述二极管阵列组中二极管的正极与所述直流电源的输出端连接，所述二极管阵列组的负极与所述电容池连接。
5.如权利要求4所述的一种脉冲电场技术的实现电路，其特征在于，在所述直流电源输出端还设置了输出开关组，所述输出开关组串联于直流电源输出端和所述二极管阵列组之间，多个电源开关串联为多个电源开关支路，并且多个电源开关支路并联，构成所述输出开关组，其中各电源开关并联了体二极管，体二极管的正极朝向所述二极管阵列组的一端，体二极管的负极朝向所述直流电源的输出端。
6.如权利要求5所述的一种脉冲电场技术的实现电路，其特征在于，还包括带通滤波电路，所述带通滤波电路包括带通滤波子电路和带通滤波选择器，通过所述带通滤波选择器使得所述全桥拓扑开关电路输出的脉冲波形通过不同的带通滤波子电路进行滤波，从而输出正弦波形和脉冲波形的组合。
7.一种脉冲电场技术的实现方法，其特征在于，构建如权利要求1-6任一所述的一种脉冲电场技术的实现电路，并实现体二极管充电模式，所述体二极管充电模式的充电过程为：导通需要进行充电的电容组的电容开关阵列，并且导通所述全桥拓扑开关电路中的第2开关模组到第n开关模组中第四区域的开关，以及最后一组开关模组中第三区域最后一行的开关；其余的开关均保持关闭状态。
8.一种脉冲电场技术的实现方法，其特征在于，构建如权利要求1-6任一所述的一种脉冲电场技术的实现电路，采用全程控制充电模式进行充电，所述全程控制充电模式的充电过程为：导通需要进行充电的电容组的电容开关阵列，并且导通全桥拓扑开关电路中开关模组的第三区域的开关，以及第四区域的开关，其余的开关均保持关闭状态。
9.一种脉冲电场技术的实现方法，其特征在于，构建如权利要求1-6任一所述的一种脉冲电场技术的实现电路，正脉冲输出方法为：
设定预先进行充电的直流电源的输出电压设置为V，需要进行正脉冲输出所使用的电容池总数为p，x指代使用的电容池，需要使用的电容组为q个，断开电容池与直流电源的输出端的连接，
对于需要使用的电容池，导通所使用的电容组对应的电容开关阵列；导通所使用的电容池对应的开关模组的第二区域开关以及开关模组的第三区域开关，剩下不使用的电容池总数为n-p个，将不使用的电容池对应的开关模组的第一区域以及第二区域开关导通，或者将不使用的电容池对应的开关模组的第三区域以及第四区域开关导通，则输出正脉冲，正脉冲的电压幅值为V*p。
10.一种脉冲电场技术的实现方法，其特征在于，构建如权利要求1-6任一所述的一种脉冲电场技术的实现电路，负脉冲输出方法为：
设定预先进行充电的直流电源的输出电压设置为V，需要进行正脉冲输出所使用的电容池总数为p，x指代使用的电容池，需要使用的电容组为q个， 断开电容池与直流电源的输出端的连接，
对于需要使用的电容池，导通所使用的电容组对应的电容开关阵列；导通所使用的电容池对应的开关模组的第一区域开关以及第四区域开关，剩下不使用的电容池总数为n-p个，将不使用的电容池对应的开关模组的第一区域以及第二区域开关导通，或者将不使用的电容池对应的开关模组的第三区域以及第四区域开关导通，则输出负脉冲，负脉冲的电压幅值为-V*p。
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