CN109256977B

CN109256977B - 一种多电平多波形高压脉冲形成电路

Info

Publication number: CN109256977B
Application number: CN201811250342.3A
Authority: CN
Inventors: 余厉阳; 邹林
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2038-10-25
Also published as: CN109256977A

Abstract

本发明公开了一种多电平多波形高压脉冲形成电路。本发明包括高压储能电容C1～C6、二极管D1～D10、开关管K1～K16、直流电源Vin以及负载R。本发明的高压脉冲拓扑结构是一种模块化的电路结构，可以根据需要添加更多的相同模块来达到所需效果。本发明在外加直流电源的条件下，然后再通过外接运行控制电路U1的控制，能够产生一种多波形的脉冲电压，还可以根据需要调整所需脉冲电压的电特性，并且各种脉冲电参数可以灵活调节。本发明所提出的电路能够实现很好的在低电压大电流和高电压小电流之间的切换，并且脉冲形状、脉冲频率、脉冲宽度以及脉冲个数可以很好的调节。本发明是采用给电容充电和放电的原理来生成脉冲电压。

Description

一种多电平多波形高压脉冲形成电路

技术领域

本发明属于高压脉冲发生器技术领域，涉及一种电路，特别涉及产生一种多电平多波形高压脉冲形成电路，适用于各种需要脉冲电压的场合，特别适用于需要从低电压到高电压变化范围广并且还需要各种脉冲波形的场合。例如肿瘤治疗、食品保鲜、污水处理、静电除尘以及高压成形等等。

背景技术

脉冲功率技术是一种将能量先储存起来，然后再以单脉冲或者重复频率脉冲释放给负载的技术，脉冲功率技术在工业、农业、医学以及基础学科研究上的应用十分广泛。例如脉冲电场就是脉冲功率技术中的一种。脉冲电场是一种新型的非热杀菌技术，它以较高的电场强度、较短的脉冲宽度、脉冲个数以及脉冲频率对液体、半固体等进行处理。其中细胞电穿孔现象就是脉冲电场在***上的很好应用。通过在肿瘤细胞的局部施加电脉冲，增加细胞的通透性，使细胞呈现出一种穿孔的现象，然后将通常情况下无法进入细胞内部的药物送入细胞内，达到治疗的目的。对于恶性肿瘤而言，可以通过增强电场强度、脉冲宽度和脉冲个数等，使恶性肿瘤细胞在脉冲电场的作用下，使恶性肿瘤细胞不可逆穿孔，从而达到杀死恶性肿瘤细胞的目的。对于脉冲功率技术用于***细胞，需要电设备仪器具有能够产生多种脉冲高压。在许多场合的应用中，往往需要各种脉冲电压，比如需要低电压大电流的脉冲、高电压小电流的脉冲、各种形状的脉冲电压以及脉冲电压可调范围较大等场合。

然而就目前的情况来看，很少有电气设备同时具有以上所述功能，一般能够实现单一的功能。产生高压脉冲的途径主要有三种：第一种通过脉冲变压器将低压直流逆变成高压脉冲，这种方法能够生成电压幅度较高的脉冲，但是很难产生各种形状的脉冲电压，对外部环境还容易产生较强的电磁干扰；第二种方式是通过传输线的方式产生脉冲电压，这种方法能够生成脉宽纳秒级的高压脉冲，由于传输线是利用电感和电容来生产脉冲，很明显电感对于电流具有很强的抑制作用，很难产生低电压大电流的脉冲。并且和脉冲变压器一样也很难产生各种波形的脉冲，对外部环境也容易产生较强的电磁干扰；第三种方法是先通过高压直流电源对脉冲储能电容进行充电储能，然后利用高压开关对储能电容进行放电以形成高压脉冲，这种方法基本就只能形成单极性脉冲。

传统的脉冲发生器，多采用模拟电路来搭建，导致控制复杂，稳定性难以保证。本发明所提出的脉冲发生器，采用固定的脉冲单元，能够方便的生成各种类型的脉冲，甚至组合出所需要的脉冲，而其不同脉冲发生对应的控制部分，仅仅是一串二进制数字。

本发明采用新的电路拓扑结构，实现了电容在充放电过程中，实现同步充电，输出波形平滑，***寿命大大提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术所存在的不足，提出一种多电平多波形高压脉冲形成电路。

本发明所提出的多波形脉冲发生器电路U0具体包括：高压储能电容C1、高压储能电容C2、高压储能电容C3、高压储能电容C4、高压储能电容C5、高压储能电容C6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、开关管K1、开关管K2、开关管K3、开关管K4、开关管K5、开关管K6、开关管K7、开关管K8、开关管K9、开关管K10、开关管K11、开关管K12、开关管K13、开关管K14、开关管K15、开关管K16、直流电源Vin以及负载R。开关管K1、开关管K2、开关管K3、开关管K4、开关管K5、开关管K6、开关管K7、开关管K8、开关管K9、开关管K10、开关管K11、开关管K12、开关管K13、开关管K14、开关管K15、开关管K16的型号为2SK1358。二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10的型号为MUR1560。高压储能电容C1、高压储能电容C2、高压储能电容C3、高压储能电容C4、高压储能电容C5、高压储能电容C6的型号为CBB105/630V。

高压储能电容C1的一端与二极管D1的阴极、开关管K4的漏极连接，高压储能电容C1的另一端与开关管K1的漏极、负载电阻R的一端、开关管K15的源极、开关管K16的源极连接，高压储能电容C2的一端与二极管D2的阴极、开关管K5的漏极连接，高压储能电容C2的另一端与开关管K4的源极、二极管D4的阳极、开关管K2的漏极连接，高压储能电容C3的一端与二极管D3的阴极、开关管K6的漏极连接，高压储能电容C3的另一端与二极管D5的阳极、开关管K5的源极、开关管K7的源极、开关管K3的漏极连接，二极管D4的阴极与开关管K7的漏极连接，二极管D5的阴极与开关管K8的漏极连接；高压储能电容C4的一端与二极管D6的阴极、开关管K15的漏极连接，高压储能电容C4的另一端与二极管D10的阳极、开关管K9的漏极、开关管K14的源极、开关管K13的源极连接，二极管D10的阴极与开关管K16的漏极连接，二极管D9的阴极与开关管K14的漏极连接；高压储能电容C5的一端与二极管D7的阴极、开关管K13的漏极连接，高压储能电容C5的另一端与二极管D9的阳极、开关管K10的漏极、开关管K12的源极连接，高压储能电容C6的一端与二极管D8的阴极、开关管K12的漏极连接，高压储能电容C6的另一端与开关管K11的漏极、负载电阻R的另一端、开关管K8的源极、开关管K6的源极连接，二极管D1的阳极与电源Vin的正极、二极管D2的阳极、二极管D3的阳极、二极管D6的阳极、二极管D7的阳极、二极管D8的阳极连接；电源Vin的负极与开关管K1的源极、开关管K2的源极、开关管K3的源极、开关管K9的源极、开关管K10的源极、开关管K11的源极、地线连接。

本发明在外加直流电源的条件下，然后再通过外接运行控制电路U1的控制，能够产生一种多波形的脉冲电压，还可以根据需要调整所需脉冲电压的电特性，并且各种脉冲电参数可以灵活调节。本发明所提出的电路能够实现很好的在低电压大电流和高电压小电流之间的切换，并且脉冲形状、脉冲频率、脉冲宽度以及脉冲个数可以很好的调节。本发明是采用给电容充电和放电的原理来生成脉冲电压。

发明的有益效果如下：

本发明能够根据需要灵活的在低压脉冲和高压脉冲之间来回切换，适用于同时需要低压脉冲和高压脉冲的场合，当然也适用于低压脉冲或者高压脉冲的场合。

本发明的高压脉冲拓扑结构是一种模块化的电路结构，可以根据需要添加更多的相同模块来达到所需效果。

本发明能够生成单极性脉冲、双极性脉冲、三角形阶梯脉冲以及根据需要生成不规则的脉冲波形。

本发明的电路结构能确保电容同步达到充电充满状态，避免了以前的***中，有的电容充满，有的还没满，极大提升了电容利用率，同时也避免了由于局部电容负担过重，导致的***失效。

所生成的不同的脉冲波形之间可以灵活切换，脉冲宽度、脉冲频率、脉冲个数以及脉冲幅度均可以自由调整。

由于本发明所提出的多波形脉冲发生器拓扑结构是利用给多个并联的高压储能电容一起充电，然后再将高压储能电容串联放电，所以能够使输出脉冲达到倍压的功能。

采用电容、二极管以及开关管来组成电路拓扑，故电路的电磁兼容性很好。

电路拓扑结构简单、控制灵活、安全可靠和通用性好。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图2为本发明的高压脉冲发生器电路拓扑图。

图3为本发明给高压储能电容充电的示意图。

图4为高压储能电容放电形成单极性脉冲的示意图。

图5为电容串联放电形成单极性脉冲的示意图。

图6为本发明高压脉冲发生器电路拓扑结构最小模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的整体结构图，本发明的多波形脉冲发生器电路U0与外在运行控制电路U1、高压直流电源模块U2以及负载U3相连接。本发明其中多波形脉冲发生器电路U0为本发明的核心部分，运行控制电路U1、高压直流电源模块U2以及负载U3只是为了配合脉冲发生器电路U0能够工作而不得不将其包括。

如图2所示，本发明多波形脉冲发生器电路U0，包括高压储能电容C1、高压储能电容C2、高压储能电容C3、高压储能电容C4、高压储能电容C5、高压储能电容C6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、开关管K1、开关管K2、开关管K3、开关管K4、开关管K5、开关管K6、开关管K7、开关管K8、开关管K9、开关管K10、开关管K11、开关管K12、开关管K13、开关管K14、开关管K15、开关管K16、直流电源Vin以及负载R。其中开关管K1、开关管K2、开关管K3、开关管K4、开关管K5、开关管K6、开关管K7、开关管K8、开关管K9、开关管K10、开关管K11、开关管K12、开关管K13、开关管K14、开关管K15、开关管K16的型号为2SK1358。二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10的型号为MUR1560。高压储能电容C1、高压储能电容C2、高压储能电容C3、高压储能电容C4、高压储能电容C5、高压储能电容C6的型号为CBB105/630V。

本发明工作过程如下：

本发明的脉冲发生器电路可以分为两种工作状态：高压储能电容充电状态和高压储能电容放电状态。如图3所示，高压储能电容充电状态是为了给脉冲形成提供能量源，高压储能电容放电状态是用来形成所需要的高压脉冲。由于本发明的脉冲发生器可以形成多种脉冲形状，在此不可能完全一一介绍，只能通过几个典型的脉冲波形来说明，几个典型的脉冲波形分别是单极性脉冲、双极性脉冲以及三角形阶梯脉冲。

如图3所示为充电状态：

当来自运行控制电路U1的控制信号K1、K2、K3、K9、K10、K11为高电平(K1＝K2＝K3＝K9＝K10＝K11＝1，逻辑信号)，K4、K5、K6、K7、K8、K12、K13、K14、K15、K16为低电平(K4＝K5＝K6＝K7＝K8＝K12＝K13＝K14＝K15＝K16＝0，逻辑信号)，直流电源给高压储能电容C1、C2、C3、C4、C5和C6充电，充电回路分别为Vin正极→二极管D1→储能电容C1→开关管K1→Vin负极(地端)，如图3虚线Ic1所示，Ic1为给储能电容C1的充电电流；Vin正极→二极管D2→储能电容C2→开关管K2→Vin负极(地端)，如图3虚线Ic2所示，Ic2为给储能电容C2的充电电流；Vin正极→二极管D3→储能电容C3→开关管K3→Vin负极(地端)，如图3虚线Ic3所示，Ic3为给储能电容C3的充电电流；Vin正极→二极管D6→储能电容C4→开关管K9→Vin负极(地端)，如图3虚线Ic4所示，Ic4为给储能电容C4的充电电流；Vin正极→二极管D7→储能电容C5→开关管K10→Vin负极(地端)，如图3虚线Ic5所示，Ic5为给储能电容C5的充电电流；Vin正极→二极管D8→储能电容C6→开关管K11→Vin负极(地端)，如图3虚线Ic6所示，Ic6为给储能电容C6的充电电流；储能电容C1、C2、C3、C4、C5和C6上充的电压均等于直流电源电压Vin。

如图4所示为放电状态：

脉冲形成过程：当来自运行控制电路U1的控制信号K4、K7和K8为高电平，K1、K2、K3、K5、K6、K9、K10、K11、K12、K13、K14、K15以及K16为低电平时。高压储能电容C1给负载R放电，当给负载R放电时间比较短时，可以认为在负载R上两端就可以得到脉冲波形，具体的放电回路为C1上端→D4→开关管K7→开关管K8→负载R右端→负载R左端→C1下端，如图4虚线所示为电容C1放电示意图。通过电容C1给负载R放电，这样就可以在负载两端得到一个右正左负的脉冲电压，脉冲电压幅度等于直流电源电压Vin。脉冲宽度和脉冲频率取决于K4、K7和K8的脉冲宽度和脉冲频率。如果需要电压更加大的脉冲波形，只需要通过控制开关管使电容串联放电即可。图5所示为电容C1、C2和C3串联放电的示意图。当来自运行控制电路U1的控制信号K4、K5和K6为高电平，K1、K2、K3、K7、K8、K9、K10、K11、K12、K13、K14、K15以及K16为低电平时，从图5虚线可知，电容C1、C2和C3串联给负载R放电，具体的放电回路为C1上端→开关管K4→C2下端→C2上端→开关管K5→C3下端→开关管K6→负载R右端→负载R左端→C1下端。通过电容C1、C2和C3串联放电，在负载R上就可以得到一个右正左负的脉冲电压，脉冲电压幅度为3Vin。由于本发明所提出的脉冲发生器电路是一种模块化的电路拓扑结构，因此可以并联更多的最小模块来获得电压幅度更大的脉冲电压。如图6所示为本发明电路拓扑结构中的最小模块电路，通过并联此最小模块电路可以获得更大脉冲幅度的电压以及脉冲波形更加丰富。最小模块包括高压储能电容C，二极管D-1和D-2，开关管S1、S2和S3。高压储能电容C的作用是用来储存能量然后释放以得到脉冲，通过打开开关管S1来给电容充电，打开开关管S2和S3来给电容放电，二极管D-1的作用是防止电容放电的时候往充电的方向放电，由于开关管不是理想的开关管，即开关管在开通的时候不是立即开通，在关断的时候不是立即关断，开通和关断都需要一定的时间，由于开关管的不理想性，所以开关管S2和S3有同时处于开通的状态，当开关管同时开通时，很明显电容通过开关管S2和S3对自己放电，这种情况是不希望出现的，对于这种情况一般的处理办法是给开关管添加死区时间，比如当开关管S3关断的时候，开关管S2延时几个微秒的时间后再开通，具体延时多久要视开关管的型号以及电路的具体情况而定。本发明通过硬件的方法来实现，即不需要给开关管添加死区时间，即使开关管S2和S3处于同时开通的状态，电容也不会对自己放电，如图6所示，二极管D-2的作用就是开关管S2和S3同时开通的时候防止电容C对自己放电。具体的原理就是利用二极管的单向导电性，假设开关管S2和S3同时处于开通状态，从图6可以看出，二极管D-2的阴极和电容C的正端相连，D-2的阳极和电容C的负端相连，二极管阳极电压高于二极管阴极电压时，二极管才能正常导通，故在此情况下二极管D-2不会导通，电容C也不会对自己放电，这就起到了死区时间的作用。

Claims

1.一种多电平多波形高压脉冲形成电路，具体为一种模块化的电路拓扑结构，通过并联更多的最小模块电路来获得电压幅度更大的脉冲电压，其特征在于包括：高压储能电容C1、高压储能电容C2、高压储能电容C3、高压储能电容C4、高压储能电容C5、高压储能电容C6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、开关管K1、开关管K2、开关管K3、开关管K4、开关管K5、开关管K6、开关管K7、开关管K8、开关管K9、开关管K10、开关管K11、开关管K12、开关管K13、开关管K14、开关管K15、开关管K16、直流电源Vin以及负载R；

高压储能电容C1的上端与二极管D1的阴极、开关管K4的漏极连接，高压储能电容C1的下端与开关管K1的漏极、负载R的左端、开关管K15的源极、开关管K16的源极连接，高压储能电容C2的上端与二极管D2的阴极、开关管K5的漏极连接，高压储能电容C2的下端与开关管K4的源极、二极管D4的阳极、开关管K2的漏极连接，高压储能电容C3的上端与二极管D3的阴极、开关管K6的漏极连接，高压储能电容C3的下端与二极管D5的阳极、开关管K5的源极、开关管K7的源极、开关管K3的漏极连接，二极管D4的阴极与开关管K7的漏极连接，二极管D5的阴极与开关管K8的漏极连接；高压储能电容C4的上端与二极管D6的阴极、开关管K15的漏极连接，高压储能电容C4的下端与二极管D10的阳极、开关管K9的漏极、开关管K14的源极、开关管K13的源极连接，二极管D10的阴极与开关管K16的漏极连接，二极管D9的阴极与开关管K14的漏极连接；高压储能电容C5的上端与二极管D7的阴极、开关管K13的漏极连接，高压储能电容C5的下端与二极管D9的阳极、开关管K10的漏极、开关管K12的源极连接，高压储能电容C6的上端与二极管D8的阴极、开关管K12的漏极连接，高压储能电容C6的下端与开关管K11的漏极、负载R的右端、开关管K8的源极、开关管K6的源极连接，二极管D1的阳极与电源Vin的正极、二极管D2的阳极、二极管D3的阳极、二极管D6的阳极、二极管D7的阳极、二极管D8的阳极连接；电源Vin的负极与开关管K1的源极、开关管K2的源极、开关管K3的源极、开关管K9的源极、开关管K10的源极、开关管K11的源极、地线连接；

工作过程如下：

该电路分为两种工作状态：高压储能电容充电状态和高压储能电容放电状态；高压储能电容充电状态是为了给脉冲形成提供能量源，高压储能电容放电状态是用来形成所需要的高压脉冲；

充电状态如下：

当受控制电路U1的控制信号调控，直流电源给高压储能电容C1、C2、C3、C4、C5和C6充电，其中开关管K1、K2、K3、K9、K10、K11上的控制信号为高电平，K4、K5、K6、K7、K8、K12、K13、K14、K15、K16上的控制信号为低电平；给储能电容C1充电的回路为：Vin正极→二极管D1→储能电容C1→开关管K1→Vin负极；给储能电容C2充电的回路为：Vin正极→二极管D2→储能电容C2→开关管K2→Vin负极；给储能电容C3充电的回路：Vin正极→二极管D3→储能电容C3→开关管K3→Vin负极；给储能电容C4充电的回路：Vin正极→二极管D6→储能电容C4→开关管K9→Vin负极；给储能电容C5充电的回路：Vin正极→二极管D7→储能电容C5→开关管K10→Vin负极；给储能电容C6充电的回路：Vin正极→二极管D8→储能电容C6→开关管K11→Vin负极；储能电容C1、C2、C3、C4、C5和C6上充的电压均等于直流电源Vin的电压；

放电状态：

当控制电路U1施加到开关管K4、K7和K8上的控制信号为高电平，施加到开关管K1、K2、K3、K5、K6、K9、K10、K11、K12、K13、K14、K15以及K16上的控制信号为低电平时；高压储能电容C1给负载R放电，当给负载R放电时间比较短时，认为在负载R两端就可以得到脉冲波形，具体的放电回路为C1上端→开关管K4→D4→开关管K7→D5→开关管K8→负载R右端→负载R左端→C1下端；通过电容C1给负载R放电，能够在负载R两端得到一个右正左负的脉冲电压，脉冲电压幅度等于直流电源Vin的电压；脉冲宽度和脉冲频率取决于K4、K7和K8的脉冲宽度和脉冲频率；如果需要电压更加大的脉冲波形，只需要通过控制开关管使电容串联放电即可；电容C1、C2和C3串联放电如下：当控制电路U1施加到开关管K4、K5和K6上的控制信号为高电平，开关管K1、K2、K3、K7、K8、K9、K10、K11、K12、K13、K14、K15以及K16上的控制信号为低电平时，电容C1、C2和C3串联给负载R放电，具体的放电回路为C1上端→开关管K4→C2下端→C2上端→开关管K5→C3下端→C3上端→开关管K6→负载R右端→负载R左端→C1下端；通过电容C1、C2和C3串联放电，在负载R上就能够得到一个右正左负的脉冲电压，脉冲电压幅度为3Vin。

2.根据权利要求1所述的一种多电平多波形高压脉冲形成电路，其特征在于开关管K1、开关管K2、开关管K3、开关管K4、开关管K5、开关管K6、开关管K7、开关管K8、开关管K9、开关管K10、开关管K11、开关管K12、开关管K13、开关管K14、开关管K15、开关管K16的型号为2SK1358；二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10的型号为MUR1560；高压储能电容C1、高压储能电容C2、高压储能电容C3、高压储能电容C4、高压储能电容C5、高压储能电容C6的型号为CBB105/630V。

3.根据权利要求1所述的一种多电平多波形高压脉冲形成电路，其特征在于最小模块电路包括高压储能电容C、二极管D-1和D-2，开关管S1、S2和S3；高压储能电容C的作用是用来储存能量然后释放以得到脉冲，通过打开开关管S1来给电容充电，打开开关管S2和S3来给电容放电，二极管D-1的作用是防止电容放电的时候往充电的方向放电，二极管D-2的作用就是开关管S2和S3同时开通的时候防止电容C对自己放电。