CN116032122A - 基于电流充电的脉冲电流源 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于电流充电的脉冲电流源,电路拓扑如下所示：电流源I_DC的A端连接二极管D1的阴极；二极管Di的阴极串联电感Li、开关Si后连接二极管Di+1的阴极；二极管Di的阴极依次串联电感Li、开关Si’、负载电阻RL后接地；二极管Di的阳极接地；二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn后接地；二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn’、负载电阻RL后接地；电流源I_DC的B端接地。本发明提出了一种输出电流、频率和波形均灵活可调的模块化脉冲电流源，可以实现输出电流幅值恒定，波形可控。

Description

基于电流充电的脉冲电流源

技术领域

本发明涉及脉冲领域，具体是基于电流充电的脉冲电流源。

背景技术

在脉冲功率技术研究领域，主要的储能元件包括了电容储能和电感储能，目前大多数脉冲发生器均为电容储能，其主要用于产生脉冲电压波形，而电感储能在脉冲发生器中使用较少，其主要用于产生脉冲电流波形。相比于电容储能的方式，电感储能具有储能密度高的优势。

脉冲电流源主要采用电感储能技术，从而可以输出电流幅值灵活可调的脉冲电流，其输出的电流幅值不随负载特性的改变而改变。脉冲电流源在现代科学技术领域中具有广泛的应用，如生物医疗、半导体测试、超导测试、等离子体物理、受控核聚变、电磁推进、重复脉冲的大功率激光器、高功率雷达、强流带电粒子束的产生及强脉冲电磁辐射等。

在这些应用领域中，大多需要脉冲电流的波形、幅值、频率等参数可控，如在生物医学领域，需要多脉冲幅值、频率和波形等参数实现定量全控，输出波形多为方波，且频率在数Hz至数千Hz级别灵活可调。而现有的脉冲电流源输出波形均为指数衰减波形，无法实现脉冲波形的灵活可调，例如无法实现输出方波脉冲电流。

发明内容

本发明的目的是提供基于电流充电的脉冲电流源，电路拓扑如下所示：

记电流源I_DC的两端分别为A端和B端。

电流源I_DC的A端连接二极管D1的阴极。

二极管Di的阴极串联电感Li、开关Si后连接二极管Di+1的阴极。i＝1,2，…，n-1。n为正整数；

二极管Di的阴极依次串联电感Li、开关Si’、负载电阻RL后接地。

二极管Di的阳极接地。

二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn后接地。

二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn’、负载电阻RL后接地。

电流源I_DC的B端接地。

进一步，所述开关包括全固态可控开关。

进一步，所述开关包括MOSFET开关。

进一步，MOSFET开关Si的漏极连接电感Li，源极连接电感Li+1，栅极悬空。

进一步，脉冲电流源充电时，开关S1、开关S2、…、开关Sn导通，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’断开，电流源I_DC向电感L1、电感L2、…、电感Ln串联充电，并流向GND。

进一步，脉冲电流源放电时，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开，电感L1、电感L2、…、电感Ln的电流流向负载电阻RL。流入负载电阻RL的电流i_RL＝ni_DC。i_DC为任意电感的充电电流。

进一步，电流脉冲频率由开关的导通频率决定。电流脉冲宽度由开关的导通时间长度决定。

进一步，脉冲电流源输出指数衰减电流脉冲，输出方式包括：在一次放电过程中，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开时间大于tmax1，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通时间大于tmax2。tmax1、tmax2为预设的时间阈值。

进一步，脉冲电流源输出阶梯型电流脉冲，输出步骤包括：

1)在t1-t2时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn延迟△t时间断开，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’延迟△t时间导通，使得脉冲电流源输出的电流脉冲上升沿为阶梯型。

2)在t3-t4时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通，使得脉冲电流源输出的电流脉冲幅值为ni_DC。i_DC为任意电感的充电电流。

3)在t5-t6时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn延迟△t时间导通，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’延迟△t时间断开，使得脉冲电流源输出的电流脉冲下降沿为阶梯型。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了一种输出电流、频率和波形均灵活可调的模块化脉冲电流源，可以实现输出电流幅值恒定，波形可控，波形包括方波、阶梯波及指数衰减波等。

本发明输出的电流幅值灵活可调，不随负载特性的变化而变化，可定量输出脉冲电流。

本发明采用半导体开关实现对参数的全控，输出频率可调。

本发明采用模块化设计，可以根据需求，增加模块数量，实现更大电流输出。

本发明采用全固态可控开关实现对脉冲电流的输出波形控制，可以输出方波、阶梯波及指数衰减波等。

本发明采用电感储能，实现电流幅值可调。

本发明每个模块包括两个开关，充电时隔离负载，放电结束后将负载切出，防止负载有残留电荷或电压。

附图说明

图1为脉冲电流源拓扑结构I；

图2为脉冲电流源拓扑结构II；

图3为采用固态开关MOSFET作为开关的4级脉冲电流源结构；

图4为脉冲电流源单个模块组成电路。

图5为串联充电电路；

图6为并联放电电路；

图7为脉冲电流源控制及输出电流波形时序图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1、图3-图7，基于电流充电的脉冲电流源，电路拓扑如下所示：

记电流源I_DC的两端分别为A端和B端。

电流源I_DC的A端连接二极管D1的阴极。

二极管Di的阴极串联电感Li、开关Si后连接二极管Di+1的阴极。i＝1,2，…，n-1。n为正整数；

二极管Di的阴极依次串联电感Li、开关Si’、负载电阻RL后接地。

二极管Di的阳极接地。

二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn后接地。

二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn’、负载电阻RL后接地。

电流源I_DC的B端接地。

所述开关包括全固态可控开关。

脉冲电流源充电时，开关S1、开关S2、…、开关Sn导通，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’断开，电流源I_DC向电感L1、电感L2、…、电感Ln串联充电，并流向GND(地)。

脉冲电流源放电时，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开，电感L1、电感L2、…、电感Ln的电流流向负载电阻RL。流入负载电阻RL的电流i_RL＝ni_DC。i_DC为任意电感的充电电流。

电流脉冲频率由开关的导通频率决定。电流脉冲宽度由开关的导通时间长度决定。

脉冲电流源输出指数衰减电流脉冲，输出方式包括：在一次放电过程中，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开时间大于tmax1，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通时间大于tmax2。tmax1、tmax2为预设的时间阈值。

脉冲电流源输出阶梯型电流脉冲，输出步骤包括：

1)在t1-t2时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn延迟△t时间断开，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’延迟△t时间导通，使得脉冲电流源输出的电流脉冲上升沿为阶梯型。

2)在t3-t4时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通，使得脉冲电流源输出的电流脉冲幅值为ni_DC。i_DC为任意电感的充电电流。

3)在t5-t6时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn延迟△t时间导通，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’延迟△t时间断开，使得脉冲电流源输出的电流脉冲下降沿为阶梯型。

实施例2：

参见图2-图7，基于电流充电的脉冲电流源，电路拓扑如下所示：

记电流源I_DC的两端分别为A端和B端。

电流源I_DC的A端连接二极管D1的阴极。

二极管Di的阴极串联电感Li、开关Si后连接二极管Di+1的阴极。i＝1,2，…，n-1。n＝4

二极管Di的阴极依次串联电感Li、开关Si’、负载电阻RL后接地。

二极管Di的阳极接地。

二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn后接地。

二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn’、负载电阻RL后接地。

电流源I_DC的B端接地。

所述开关包括MOSFET开关。

MOSFET开关Si的漏极连接电感Li，源极连接电感Li+1，栅极悬空。

脉冲电流源充电时，开关S1、开关S2、…、开关Sn导通，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’断开，电流源I_DC向电感L1、电感L2、…、电感Ln串联充电，并流向GND。

脉冲电流源放电时，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开，电感L1、电感L2、…、电感Ln的电流流向负载电阻RL。流入负载电阻RL的电流i_RL＝ni_DC。i_DC为任意电感的充电电流。

电流脉冲频率由开关的导通频率决定。电流脉冲宽度由开关的导通时间长度决定。

脉冲电流源输出指数衰减电流脉冲，输出方式包括：在一次放电过程中，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开时间大于tmax1，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通时间大于tmax2。tmax1、tmax2为预设的时间阈值。

脉冲电流源输出阶梯型电流脉冲，输出步骤包括：

1)在t1-t2时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn延迟△t时间断开，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’延迟△t时间导通，使得脉冲电流源输出的电流脉冲上升沿为阶梯型。

2)在t3-t4时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通，使得脉冲电流源输出的电流脉冲幅值为ni_DC。i_DC为任意电感的充电电流。

3)在t5-t6时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn延迟△t时间导通，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’延迟△t时间断开，使得脉冲电流源输出的电流脉冲下降沿为阶梯型。

实施例3：

基于电流充电的脉冲电流源，电路拓扑如下所示：

图1为脉冲电流源的基本拓扑结构，该电路由1个直流电流源IDC，n个电感(L1～Ln)，n个二极管(D1～Dn)、2n个开关(S1～Sn和S1’～Sn’)和负载RL组成。其中Si和Si’(i＝1～n)一一对应且互补工作。

图3和图4为采用固态开关MOSFET作为开关的4级脉冲电流源拓扑结构实例。每个模块包括了一个二极管Di、一个电感Li和两个MOSFET(Si和Si’)。

实施例4：

基于电流充电的脉冲电流源的控制方法：

脉冲电流源工作的基本原理为“串联充电，并联放电”。该电路主要包括2种工作模式，A充电模式，B放电模式。

A充电模式

1)在0-t1时刻，Si(i＝1,2,3,4)导通，Si’(i＝1,2,3,4)断开，电路处于充电模式，直流电流源IDC通过开关Si(i＝1,2,3,4)向电感Li(i＝1,2,3,4)串联充电，并流向GND。充电回路如图4红色虚线所示，此时负载RL上的电流为0，每个电感Li(i＝1,2,3,4)的充电电流均为i_DC(即i_L1＝i_L2＝i_L3＝i_L4＝i_DC)。

2)在t1-t2时刻，电感Li(i＝1,2,3,4)上的电流均会维持在i_DC。

B放电模式

I)在t2-t3时刻，Si(i＝1,2,3,4)断开，Si’(i＝1,2,3,4)导通，电路处于放电模式，由于电感电流不能突变，而Si(i＝1,2,3,4)断开后，电感Li(i＝1,2,3,4)电流将分别流过Di(i＝1,2,3,4)和Si’(i＝1,2,3,4)，然后4个电感Li(i＝1,2,3,4)并联，将电流进一步汇集在一起流向负载RL，因此负载RL上的电流为4个电感电流的和i_RL＝4i_DC＝i_L1+i_L2+i_L3+i_L4。由此实现了电流的叠加，脉冲电流的脉宽为t3-t2。当然，可以控制不同开关的导通，实现输出不同电流幅值的电流脉冲，脉冲电流幅值可分别为i_DC，2i_DC，3i_DC，4i_DC。通过控制开关的导通时间长度，可以实现对电流脉冲宽度的灵活调节。通过控制开关的导通频率，可以实现不同频率的脉冲电流。

II)其次，可以控制各个开关的导通延迟时间，实现输出阶梯型脉冲电流波形。

在t4-t5时刻，开关Si(i＝1,2,3,4)延迟△t断开，Si’(i＝1,2,3,4)延迟△t导通，从而使得输出的电流脉冲上升沿为阶梯型。

在t5-t6时刻，开关Si(i＝1,2,3,4)全部断开，Si’(i＝1,2,3,4)全部导通，此时，输出的电流幅值为最大值i_RL＝4i_DC。

在t6-t7时刻，开关Si(i＝1,2,3,4)延迟△t导通，Si’(i＝1,2,3,4)延迟△t断开，从而使得输出的电流脉冲下降沿为阶梯型。

因此通过控制不同开关的导通和关断延迟，可以实现输出阶梯状电流值的电脉冲。

III)最后还可以控制开关的导通和关断时间，实现指数衰减波。

在t8-t9时刻，Si(i＝1,2,3,4)断开较长的时间，且Si’(i＝1,2,3,4)导通也较长的时间，电感电流汇集在负载RL上，且电流峰值为4i_DC，随着时间增加，电感储能逐渐在负载RL上消耗，即脉冲电流会逐渐降低，最终形成指数衰减电流脉冲波形。

实施例5：

基于电流充电的脉冲电流源，电路拓扑如下所示：

记电流源I_DC的两端分别为所述A端和B端。

电流源I_DC的A端连接二极管D1的阴极。

二极管Di的阴极串联电感Li、开关Si后连接二极管Di+1的阴极；i＝1,2，…，n-1；n为正整数；

二极管Di的阴极依次串联电感Li、开关Si’、负载电阻RL后接地；

二极管Di的阳极接地；

二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn后接地；

二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn’、负载电阻RL后接地；

电流源I_DC的B端接地。

实施例6：

基于电流充电的脉冲电流源，主要内容见实施例5，其中，所述开关包括全固态可控开关。

实施例7：

基于电流充电的脉冲电流源，主要内容见实施例5，其中，所述开关包括MOSFET开关。

实施例8：

基于电流充电的脉冲电流源，主要内容见实施例5，其中，MOSFET开关Si的漏极连接电感Li，源极连接电感Li+1，栅极悬空。

实施例9：

基于电流充电的脉冲电流源，主要内容见实施例5，其中，脉冲电流源充电时，开关S1、开关S2、…、开关Sn导通，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’断开，电流源I_DC向电感L1、电感L2、…、电感Ln串联充电，并流向GND。

实施例10：

基于电流充电的脉冲电流源，主要内容见实施例5，其中，脉冲电流源放电时，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开，电感L1、电感L2、…、电感Ln的电流流向负载电阻RL；流入负载电阻RL的电流i_RL＝ni_DC；i_DC为任意电感的充电电流。

实施例11：

基于电流充电的脉冲电流源，主要内容见实施例5，其中，电流脉冲频率由开关的导通频率决定；电流脉冲宽度由开关的导通时间长度决定。

实施例12：

基于电流充电的脉冲电流源，主要内容见实施例5，其中，脉冲电流源输出指数衰减电流脉冲，输出方式包括：在一次放电过程中，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开时间大于tmax1，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通时间大于tmax2；tmax1、tmax2为预设的时间阈值。

实施例13：

基于电流充电的脉冲电流源，主要内容见实施例5，其中，脉冲电流源输出阶梯型电流脉冲，输出步骤包括：

1)在t1-t2时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn延迟△t时间断开，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’延迟△t时间导通，使得脉冲电流源输出的电流脉冲上升沿为阶梯型；

2)在t3-t4时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通，使得脉冲电流源输出的电流脉冲幅值为ni_DC；i_DC为任意电感的充电电流；

3)在t5-t6时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn延迟△t时间导通，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’延迟△t时间断开，使得脉冲电流源输出的电流脉冲下降沿为阶梯型。

Claims (9)

1.基于电流充电的脉冲电流源，其特征在于，电路拓扑如下所示：

记电流源I_DC的两端分别为所述A端和B端。

电流源I_DC的A端连接二极管D1的阴极。

二极管Di的阴极串联电感Li、开关Si后连接二极管Di+1的阴极；i＝1,2，…，n-1；n为正整数；

二极管Di的阴极依次串联电感Li、开关Si’、负载电阻RL后接地；

二极管Di的阳极接地；

二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn后接地；

二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn’、负载电阻RL后接地；

电流源I_DC的B端接地。

2.根据权利要求1所述基于电流充电的脉冲电流源，其特征在于：所述开关包括全固态可控开关。

3.根据权利要求1所述基于电流充电的脉冲电流源，其特征在于：所述开关包括MOSFET开关。

4.根据权利要求3所述基于电流充电的脉冲电流源，其特征在于：MOSFET开关Si的漏极连接电感Li，源极连接电感Li+1，栅极悬空。

5.根据权利要求1所述基于电流充电的脉冲电流源，其特征在于：脉冲电流源充电时，开关S1、开关S2、…、开关Sn导通，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’断开，电流源I_DC向电感L1、电感L2、…、电感Ln串联充电，并流向GND。

6.根据权利要求1所述基于电流充电的脉冲电流源，其特征在于：脉冲电流源放电时，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开，电感L1、电感L2、…、电感Ln的电流流向负载电阻RL；流入负载电阻RL的电流i_RL＝ni_DC；i_DC为任意电感的充电电流。

7.根据权利要求1所述基于电流充电的脉冲电流源，其特征在于：电流脉冲频率由开关的导通频率决定；电流脉冲宽度由开关的导通时间长度决定。

8.根据权利要求7所述基于电流充电的脉冲电流源，其特征在于：脉冲电流源输出指数衰减电流脉冲，输出方式包括：在一次放电过程中，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开时间大于tmax1，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通时间大于tmax2；tmax1、tmax2为预设的时间阈值。

9.根据权利要求7所述基于电流充电的脉冲电流源，其特征在于：脉冲电流源输出阶梯型电流脉冲，输出步骤包括：

1)在t1-t2时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn延迟△t时间断开，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’延迟△t时间导通，使得脉冲电流源输出的电流脉冲上升沿为阶梯型；

2)在t3-t4时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn断开，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’导通，使得脉冲电流源输出的电流脉冲幅值为ni_DC；i_DC为任意电感的充电电流；

3)在t5-t6时刻，开关S1、开关S2、…、开关Sn延迟△t时间导通，开关S1’、开关S2’、…、开关Sn’延迟△t时间断开，使得脉冲电流源输出的电流脉冲下降沿为阶梯型。

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