一种双极性全固态高压脉冲叠加器制造技术

本发明专利技术提供一种双极性全固态高压脉冲叠加器。该叠加器包括充电单元、包含储能电容器和半导体开关的全桥叠加单元、控制单元和驱动单元，所述充电单元分别连接所述全桥叠加单元和所述控制单元、所述驱动单元分别连接所述控制单元和所述全桥叠加单元，其中，所述充电单元用于给所述全桥叠加单元的储能电容器充电，所述控制单元用于输出开关时序，所述驱动单元用于将该开关时序放大后传输给所述全桥叠加单元，以控制所述全桥叠加单元的半导体开关的导通或关断，进而控制所述全桥叠加单元的储能电容器向负载输出双极性高压脉冲。利用本发明专利技术的叠加器能够提供稳定可靠的高压重频脉冲。

A bipolar all solid state high voltage pulse stacker

The invention provides a bipolar all solid state high voltage pulse stacker. The stacker comprises a charging unit, a full bridge stacking unit, a control unit and a driving unit including an energy storage capacitor and a semiconductor switch. The charging unit is respectively connected with the full bridge stacking unit and the control unit, and the driving unit is respectively connected with the control unit and the full bridge stacking unit, wherein the charging unit is used for storing the full bridge stacking unit The control unit is used to output the switch timing, and the driving unit is used to amplify the switch timing and then transmit it to the full bridge stacking unit to control the on or off of the semiconductor switch of the full bridge stacking unit, and then control the energy storage capacitor of the full bridge stacking unit to output bipolar high voltage pulse to the load. The stacker of the invention can provide stable and reliable high-voltage repetition frequency pulse.

【技术实现步骤摘要】
一种双极性全固态高压脉冲叠加器
本专利技术涉及高压脉冲产生
，尤其涉及一种双极性全固态高压脉冲叠加器。
技术介绍
等离子体由电子、离子和中性粒子组成。宇宙中，99％的物质以等离子体状态存在，如恒星内核、受控热核聚变堆、闪电、电弧、极光、荧光灯等。在极光、荧光灯中，电子温度远高于离子和中性粒子温度，被称为冷等离子体。冷等离子体的高能电子足以使反应物分子激发、离解、电离，而整个反应体系保持为低温，减少了能耗，节约了投资，因此被广泛用于材料表面改性、废气处理、生物医学等。冷等离子体可以通过气体放电来产生，与正弦驱动相比，脉冲放电产生的等离子体更均匀、效率更高。在脉冲放电应用中，脉冲电源是核心技术之一。在过去几十年中，学者提出了多种产生重频高压脉冲的方法。例如，其中一种采用两个由MOSFET或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)串联组成的高压开关，并且组成推挽电路。这种方案对开关的同步性要求非常高，还需要复杂的均压电路。如果个别开关延时导通，就会被过电压击穿，处于短路状态。为了避免开关串联，可以使用半导体开关驱动脉冲变压器原边，通过变压器升压。使用脉冲变压器的好处是副边高压输出与原边低压电路隔离，便于低压电路设计，并降低成本。然而，变压器的漏感和分布电容减慢了脉冲上升沿，波形较差。又如，全固态Marx发生器采用并联充电，串联放电，是一种产生高压脉冲的经典拓扑。由于具有钳位作用，每个开关都不会出现过电压，然而，在放电期间，无法对电容充电，并且充电电流流经放电开关，增大了开关损耗，限制了频率的提高。综上所述，现有技术的脉冲电源技术方案主要存在以下问题：(1)、对于通过串联MOSFET或IGBT组成高压开关的方式，将半导体开关串联，使之能够承受高压，不仅需要复杂的均压电路；而且若某一开关延时导通，就会被过电压击穿，处于短路状态，同时高压将在剩余的开关上重新分配，可能导致连锁击穿。(2)、对于采用半导体开关驱动脉冲变压器获得高压脉冲的方案，变压器的漏感和分布电容会减慢脉冲上升沿，波形较差；而且变压器损耗降低了系统效率。(3)、对于全固态Marx发生器，其不能在放电期间给储能电容充电，当放电电流较大或脉宽较宽时，需要电容值很大的储能电容，以减小脉冲顶降。此外，充电电流流经放电开关，导致开关损耗较大，限制了脉冲频率的提高。因此，需要对现有技术进行改进，以提供稳定可靠的高压重频脉冲产生器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种稳定可靠的双极性全固态纳秒高压脉冲叠加器，用于高效地产生冷等离子体。根据本专利技术的第一方面，提供了一种双极性全固态高压脉冲叠加器。该叠加器包括充电单元、包含储能电容器和半导体开关的全桥叠加单元、控制单元和驱动单元，所述充电单元分别连接所述全桥叠加单元和所述控制单元、所述驱动单元分别连接所述控制单元和所述全桥叠加单元，其中，所述充电单元用于给所述全桥叠加单元的储能电容器充电，所述控制单元用于输出开关时序，所述驱动单元用于将该开关时序放大后传输给所述全桥叠加单元，以控制所述全桥叠加单元的半导体开关的导通或关断，进而控制所述全桥叠加单元的储能电容器向负载输出双极性高压脉冲。在一个实施例中，所述全桥叠加单元包括多个串联的全桥模块，每个全桥模块包括一个储能电容器和组成全桥结构的四个半导体开关，该四个半导体开关受控于来自于所述控制单元的开关时序并经由所述驱动单元传输的驱动信号进行导通或关断，进而控制所述储能电容器向负载提供正脉冲、负脉冲或零电压。在一个实施例中，所述四个半导体开关选自绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、电力场效应晶体管或集成门极换流晶闸管。在一个实施例中，所述充电单元包括依次连接的交流输入端、第一桥式整流电路、滤波电容C1、H-桥电路、隔直电容C2、变压器组T1和第二桥式整流电路，其中所述滤波电容C1的输出端与所述H桥电路的输入端连接，所述第二桥式整流电路的输出端连接所述全桥叠加单元的储能电容器。在一个实施例中，所述变压器组T1包括多个共原边的变压器M1、M2、…、Mn，所述多个变压器串联后连接所述H-桥电路和隔直电容C2的输出端，每个变压器的副边分别连接所述第二桥式整流电路中的多个整流桥Rec1、Rec2、…、Recn，并且每个变压器对应所述全桥模块中的一个储能电容器，其中n为大于等于2的整数。在一个实施例中，所述控制单元用于测量所述多个变压器的原边电流、所述储能电容器的电压或流经负载的输出电流中的一项或多项。在一个实施例中，所述第一桥式整流电路和所述第二桥式整流电路是由4个二极管组成的桥式电路。在一个实施例中，所述控制单元通过改变开关时序控制所述全桥叠加单元输出标准脉冲波、方波、三角波、锯齿波或正弦波。在一个实施例中，所述驱动单元包括信号调理电路、光纤发射接头、光纤接收接头、开关驱动电路，其中，所述控制单元输出的开关时序经过所述信号调理电路后，驱动所述光纤发射接头将电信号转变为光信号，光信号经由光纤传输至所述光纤接收接头将光信号转变为电信号，所述开关驱动电路将电信号放大后输出到所述全桥叠加单元的半导体开关以控制其导通或关断。在一个实施例中，所述控制单元选自FPGA、单片机、DSP或CPLD。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：所提供的双极性全固态高压脉冲叠加器，具有钳位功能，即使半导体开关延时导通或不导通，也不会出现过电压，不会被过电压击穿；采用共原边变压器给储能电容进行隔离充电，充电和放电同时进行，而且充电电流不流经放电开关，不仅有助于提高脉冲频率，还能减小所需储能电容容量；输出波形可以根据开关时序调整，既可以输出标准脉冲波，还能输出方波、三角波、锯齿波、正弦波等波形，并且脉冲上升/下降时间可调。附图说明以下附图仅对本专利技术作示意性的说明和解释，并不用于限定本专利技术的范围，其中：图1是根据本专利技术一个实施例的双极性全固态高压脉冲叠加器的系统框图；图2是根据本专利技术一个实施例的充电电路的原理图；图3是根据本专利技术一个实施例的全桥叠加单元的原理图；图4是根据本专利技术一个实施例的全桥叠加单元常规开关的时序图；图5是根据本专利技术一个实施例的改变输出脉冲上升/下降时间的开关时序图；图6是根据本专利技术一个实施例的光纤驱动单元的原理图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在本文示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。参见图1所示，本专利技术实施例提供的双极性全固态高压脉冲叠加器包括充电单元110、全桥叠加单元120、光纤驱动单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双极性全固态高压脉冲叠加器，其特征在于，包括充电单元、包含储能电容器和半导体开关的全桥叠加单元、控制单元和驱动单元，所述充电单元分别连接所述全桥叠加单元和所述控制单元、所述驱动单元分别连接所述控制单元和所述全桥叠加单元，其中，所述充电单元用于给所述全桥叠加单元的储能电容器充电，所述控制单元用于输出开关时序，所述驱动单元用于将该开关时序放大后传输给所述全桥叠加单元，以控制所述全桥叠加单元的半导体开关的导通或关断，进而控制所述全桥叠加单元的储能电容器向负载输出双极性高压脉冲。/n

【技术特征摘要】
1.一种双极性全固态高压脉冲叠加器，其特征在于，包括充电单元、包含储能电容器和半导体开关的全桥叠加单元、控制单元和驱动单元，所述充电单元分别连接所述全桥叠加单元和所述控制单元、所述驱动单元分别连接所述控制单元和所述全桥叠加单元，其中，所述充电单元用于给所述全桥叠加单元的储能电容器充电，所述控制单元用于输出开关时序，所述驱动单元用于将该开关时序放大后传输给所述全桥叠加单元，以控制所述全桥叠加单元的半导体开关的导通或关断，进而控制所述全桥叠加单元的储能电容器向负载输出双极性高压脉冲。


2.根据权利要求1所述的双极性全固态高压脉冲叠加器，其特征在于，所述全桥叠加单元包括多个串联的全桥模块，每个全桥模块包括一个储能电容器和组成全桥结构的四个半导体开关，该四个半导体开关受控于来自于所述控制单元的开关时序并经由所述驱动单元传输的驱动信号进行导通或关断，进而控制所述储能电容器向负载提供正脉冲、负脉冲或零电压。


3.根据权利要求2所述的双极性全固态高压脉冲叠加器，其特征在于，所述四个半导体开关选自绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、电力场效应晶体管或集成门极换流晶闸管。


4.根据权利要求2所述的双极性全固态高压脉冲叠加器，其特征在于，所述充电单元包括依次连接的交流输入端、第一桥式整流电路、滤波电容C1、H-桥电路、隔直电容C2、变压器组T1和第二桥式整流电路，其中所述滤波电容C1的输出端与所述H桥电路的输入端连接，所述第二桥式整流电路的输出端连接所述全桥叠加单元的储能电容器。


5.根据权利要求4所述的双极...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永刚，黄逸凡，江敏，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44