CN213185921U - 模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路，包括：直流电压输入模块、双极性Marx电路模块、负载与测量模块；所述直流电压输入模块与双极性Marx电路模块的输入端相连；所述双极性Marx电路模块、负载与测量模块相连；双极性Marx电路模块包括：Marx升压电路模块、双变压器模块；所述Marx升压电路模块与双变压器模块连接。本实用新型结构合理，采用模块化设计，每一个双极性Marx电路模块的输出均隔离，通过将其输出端串联的方式可以得到倍增的输出电压。
Description
技术领域
本实用新型涉及高压发生器与电力电子技术领域，具体地，涉及一种模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路。
背景技术
高压发生器有着广泛的应用，在污水处理、等离子体研究、食品加工以及脉冲功率等领域都有着重要的作用。现有的高压发生器，现有技术中的全固态Marx发生器，其桥臂上承受的电压极高，且需要采用串联均压技术，结构复杂且容易发生故障；需要大量的全控开关才能实现双极性高压输出，且如果某一组开关发生故障则其他组的开关无法正常工作；现有技术中的Marx电路结合了LTD技术，但是每一级只有一个全控开关，无法重复工作在高频下；其他高压发生器的特斯拉线圈以及PFN技术，则有着系统对频率敏感，体积庞大的问题。
专利文献CN110971138A公开了一种新型双极性方波高压脉冲电源及产生双极性脉冲的控制策略，双极性Marx主电路、大功率IGBT驱动电路，信号发生电路；双极性Marx主电路选用功率MOSFET模块作为开关器件，功率MOSFET模块内置反向并联二极管提供足够的耐压值和保护，用于构成主电路回路；功率MOSFET驱动电路采用变压器隔离和浮地驱动设计，利用DC-DC单电源供电模块，实现驱动电路与高压主回路安全隔离；信号发生电路稳定地产生脉冲信号控制双极性Marx主电路中的功率MOSFET开关有规律的产生正、负极性脉冲，同时采用光纤隔离提高信号的抗干扰能力。该专利在结构和性能上仍然有待提高的空间。
实用新型内容
针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路。
根据本实用新型提供的一种模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路，包括：直流电压输入模块、双极性Marx电路模块、负载与测量模块；所述直流电压输入模块与双极性Marx电路模块的输入端相连；所述双极性Marx电路模块、负载与测量模块相连；双极性Marx电路模块包括：Marx升压电路模块、双变压器模块；所述Marx升压电路模块与双变压器模块连接。
优选地，所述直流电压输入模块包括：隔离变压器，全桥整流器、滤波电容；
所述隔离变压器与全桥整流器相连；
所述全桥整流器与滤波电容相连；
市电输入经过调压变压器后，通过全桥整流滤波网络得到直流输入作为各个双极性Marx电路模块的电路输入。
优选地，所述测量模块包括：示波器、高压探头、万用表。
采用示波器与高压探头对输出电压与各个MOSFET的驱动电压进行测量，采用万用表对输入电压进行测量
优选地，所述Marx升压电路模块的数量为一个或者多个。
优选地，所述Marx升压电路模块包括：Marx电路；
所述Marx电路采用四级Marx电路。
优选地，所述Marx电路包括：储能电容、MOSFET、二极管；
所述二极管的数量为两个。
优选地，所述Marx电路还包括：高压输出端口；
所述高压输出端口的数量为两个，用来输出高频交流高压。
优选地，所述双变压器模块包括：两组升压变压器；
所述升压变压器的数量为两组；
每组升压变压器各有初级与次级两个绕组，初级与次级两个绕组的匝数比为1：n；
两组升压变压器的绕组同名端相反。
与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
1、本实用新型与特斯拉线圈以及PFN技术相比，该电路的原理与频率基本无关，解决了这两种高压发生器输出电压对频率敏感的问题。
2、本实用新型结合全固态Marx电路技术与LTD技术的思想，达到相同电压等级时需要的开关数量大大降低，极大降低了系统的复杂程度与成本。
3、本实用新型将电压应力分散到每个模块上，可模块化设计，且所有模块公用一个直流输入电源。
4、本实用新型采用全固态Marx电路以及(线性变压器驱动器)LTD技术，通过并联充电与串联放电的方式，将低压直流转换为高频高压交流发射出去，且通过变压器结构进一步升压，进一步提高电压变比，相比于单独全固态Marx电路或者 LTD技术的电路，该方法可以使用更少的开关获得更大的电压变比。
5、本实用新型采用模块化设计，每一个双极性Marx电路模块的输出均隔离，通过将其输出端串联的方式可以得到倍增的输出电压。
6、本实用新型与PFN技术或者特斯拉线圈之类的高压发生器相比，本设计对负载变化不敏感，能通过DSP调节使其稳定工作在需要的频率与占空比下。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本实用新型实施例提供的新型系统的结构示意图。
图2是本实用新型实施例提供的第i个单个双极性Marx电路模块结构示意图；
图3是本实用新型实施例中的单个双极性Marx电路模块工作时序示意图。
图4是本实用新型实施例中的整个系统调整占空比时输出电压的变化示意图。
图5是本实用新型实施例中的整个系统调整输入电压时输出电压的变化示意图。
图6是本实用新型实施例中的驱动电路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
如图1，一种模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路包含如下模块：
-直流电压输入模块，其用于后级双极性Marx电路的输入；
-双极性Marx电路模块，其用于产生一组隔离的双极性高压；
-负载与测量模块，其用于测试系统带载能力与电压波形测量。
其中，单个双极性Marx电路模块包括如下模块:
-Marx升压电路模块，其用于讲直流输入电压转换为单极性高压；
-双变压器模块，其用于将单极性高压变成双极性高压，并进一步升压。
本专利提出了一种新型的双极性Marx发生器，其结合了LTD技术，可模块化连接，且多组输入公用一组输入电压，且控制方便，输出电压频率与占空比，且没有桥臂结构，避免为了得到双极性输出采用桥臂产生的高电压应力，且每一级Marx 电路故障并不影响下一级电路的正常工作，且可在高频下重复工作。
由图2可知，该子模块分为左右两个部分，即Marx升压电路模块与双变压器模块，Marx电路的一级包含一个MOSFET、一个储能电容以及两个二极管。其工作电路的时序图见图3，由此可见电路的驱动信号分为两组，分别驱动两组Marx电路的开关进行工作。假设单个Marx电路级数为q，单个变压器的升压比为n，由此可知，其输出电压的幅值为qnVin，其频率与占空比可通过DSP调节。
根据图1中的电路，因为图2模块输出电压可电气隔离的特性，每个模块输出可以通过串联的方式进行叠加，假设有m个双极性Marx电路模块，则系统总的输出电压幅值最高可以达到mqnVin，频率与占空比与单个双极性Marx电路模块一致。
对图1与图2设计的电路采用SIMPLIS电路仿真软件进行验证，其系统参数如下表所示，通过调整占空比与输入电压时输出电压波形如图4与图5所示。其幅值满足mqnVin，输出电压幅值电压降在5％以内，本专利设计的电路可行。
具体地，在一个实施例中，对于图2中所示的开关，一种模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路采用SiCMOSFET，其适用于高压低电流的特性非常适合Marx 电路，其中二极管采用大功率的肖特基二极管，对于这两种功率器件，建议其耐压高于输入电压Vin的30％以上；其中除能电容建议选择大功率的高压电容以降低输出电压顶降。
变压器建议采用纳米晶磁芯，该种磁芯高耐压与高饱和磁感应密度的特性非常适合本设计，根据AP法计算，建议磁芯最小截面积为400mm2，初级匝数5匝，次级25匝。
其驱动电路的设计，本文的建议如下，一组Marx电路的驱动电路原理图如图6。采用光耦隔离的方式对MOSFET进行驱动，每个驱动芯片均隔离供电，图6下方为上组Marx升压模块的驱动电路设计，其下组Marx升压模块与其一致。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路，其特征在于，包括：直流电压输入模块、双极性Marx电路模块、负载与测量模块；
所述直流电压输入模块与双极性Marx电路模块的输入端相连；
所述双极性Marx电路模块、负载与测量模块相连；
双极性Marx电路模块包括：Marx升压电路模块、双变压器模块；
所述Marx升压电路模块与双变压器模块连接。
2.根据权利要求1所述的模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路，其特征在于，所述直流电压输入模块包括：隔离变压器，全桥整流器、滤波电容；
所述隔离变压器与全桥整流器相连；
所述全桥整流器与滤波电容相连。
3.根据权利要求1所述的模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路，其特征在于，所述测量模块包括：示波器、高压探头、万用表。
4.根据权利要求1所述的模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路，其特征在于，所述Marx升压电路模块的数量为一个或者多个。
5.根据权利要求1所述的模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路，其特征在于，所述Marx升压电路模块包括：Marx电路；
所述Marx电路采用四级Marx电路。
6.根据权利要求1所述的模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路，其特征在于，所述Marx电路每一级包括：储能电容、MOSFET、二极管；
所述二极管的数量为两个。
7.根据权利要求6所述的模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路，其特征在于，所述Marx电路还包括：高压输出端口；
所述高压输出端口的数量为两个。
8.根据权利要求1所述的模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路，其特征在于，所述双变压器模块包括：升压变压器；
所述升压变压器的数量为两组；
每组升压变压器各有初级与次级两个绕组，初级与次级两个绕组的匝数比为1：n；
两组升压变压器的绕组同名端相反。
Priority Applications (1)
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| CN202022078517.6U CN213185921U (zh) | 2020-09-21 | 2020-09-21 | 模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路 |
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Family Applications (1)
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| CN202022078517.6U Active CN213185921U (zh) | 2020-09-21 | 2020-09-21 | 模块化且输出电压可叠加的双极性Marx电路 |
Country Status (1)
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2020
- 2020-09-21 CN CN202022078517.6U patent/CN213185921U/zh active Active
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