基于全固态开关的高能效的10纳秒级高压脉冲发生器装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开基于全固态开关的高能效的10纳秒级高压脉冲发生器装置，包括电源V

【技术实现步骤摘要】
基于全固态开关的高能效的10纳秒级高压脉冲发生器装置


[0001]本专利技术涉及脉冲电场领域，具体是基于全固态开关的高能效的10纳秒级高压脉冲发生器装置。

技术介绍

[0002]电穿孔是一种被广泛应用于肿瘤消融、基因传递、灭菌等领域的细胞生物学现象，其主要是通过对细胞或细菌施加高压脉冲而产生不可逆电穿孔诱发凋亡达到应用效果。其中脉冲宽度是电穿孔的重要调节因素，它决定了电能作用于细胞的靶点。
[0003]目前，毫秒、微秒、百纳秒脉冲宽度的电穿孔研究成果丰富。而对于50ns以下、幅度在5kV以上的高压超短脉冲引起的电穿孔现象受制于现有高压超短脉冲发生器的输出性能而鲜有研究。
[0004]综上所述，传统Marx高压脉冲发生器存在以下问题：1)、传统Marx高压脉冲发生器难以同时实现超短脉宽和脉宽连续可调。2)现有高压脉冲发生器在追求实现窄脉宽的同时，能量利用率普遍不高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供基于全固态开关的高能效的10纳秒级高压脉冲发生器装置，包括电源V
DC
、电阻R、n级脉冲发生模块和负载Load；
[0006]所述电源VDC的电压流经电阻R后，为n级脉冲发生电路模块供电；
[0007]所述n级脉冲发生模块向负载传输高压脉冲；
[0008]所述n级脉冲发生模块包括n个级联的脉冲发生电路；每个脉冲发生电路包括主电路和斩波电路；
[0009]所述主电路用于生成高压脉冲；
[0010]所述斩波电路用于调整主电路生成的高压脉冲的脉冲宽度。
[0011]进一步，所述n级脉冲发生模块向负载传输10纳秒级高压脉冲。
[0012]进一步，基于全固态开关的高能效的10纳秒级高压脉冲发生器装置的拓扑结构如下所示：
[0013]记电源V
DC
正极所在一端为A，负极所在一端为B；
[0014]B端接地；
[0015]A端串联电阻R后连接二极管D11main的阳极；
[0016]二极管D11main的阴极串联电容C1main后连接二极管D12main的阳极；二极管D12main的阴极串联开关管S1chop的漏极；
[0017]二极管D11main的阴极串联开关管S1main的漏极；开关管S1main的栅极悬空；开关管S1main的源极串联二极管D12main的阴极；开关管S1main的源极串联开关管S1chop的漏极；
[0018]二极管D11main的阴极串联二极管D11chop的阳极；
[0019]二极管D11chop的阴极串联二极管D12chop的阴极；二极管D12chop的阳极串联开关管S1chop的漏极；
[0020]二极管D11chop的阴极串联电容C1chop后连接开关管S1chop的源极；开关管S1chop的栅极悬空；
[0021]二极管Dj1main的阳极串联二极管D(j
‑
1)1chop的阴极；整数j＝2,3，
…
，n；
[0022]二极管Dj1main的阴极串联电容Cjmain后连接二极管Dj2main的阳极；二极管Dj2main的阳极串联开关管Sjchop的漏极；
[0023]二极管Dj2main的阴极串联开关管Sjchop的漏极；
[0024]二极管Dj1main的阴极串联开关管Sjmain的漏极；开关管Sjmain的栅极悬空；开关管Sjmain的源极串联二极管Dj2main的阴极；开关管Sjmain的源极串联开关管Sjchop的漏极；
[0025]二极管Dj1main的阴极串联二极管Dj1chop的阳极；
[0026]二极管Dj1chop的阴极串联二极管Dj2chop的阴极；二极管Dj2chop的阳极串联开关管Sjchop的漏极；
[0027]二极管Dj1chop的阴极串联电容Cjchop后连接开关管Sjchop的源极；开关管Sjchop的栅极悬空；
[0028]开关管Snchop的源极串联负载Load后连接B端；
[0029]开关管Snchop的源极串联负载Load后接地。
[0030]进一步，第i个脉冲发生电路的主电路包括二极管Di1main、二极管Di2main、电容Cimain、开关管Simain；整数i＝1,2，
…
，n。
[0031]进一步，第i个脉冲发生电路的斩波电路包二极管Di1chop、二极管Di2chop、电容Cichop、开关管Sichop；整数i＝1,2，
…
，n。
[0032]进一步，所述10纳秒级高压脉冲的最小脉冲宽度PW
min
如下所示：
[0033][0034]式中，t
rise
、t
fall
为上升时间、下降时间。
[0035]进一步，上升时间t
rise
、下降时间t
fall
分别如下所示：
[0036]t
rise
＝0.8(t
on
+ΔS)(2)
[0037][0038]式中，t
on
为开关接通时间；ΔS是开关之间的最大触发延迟；R
load
为负载Load的电阻值；V
DC
为电源电压；C
ds
为mosfet开关漏极和源极之间的寄生电容；N为纳秒高压脉冲发生器的级数。
[0039]进一步，所述高压脉冲的幅值、脉宽、个数、波形可调。
[0040]本专利技术的技术效果是毋庸置疑的，本专利技术采用全固态开关产生了高功率效率的脉宽连续可调高压超短脉冲。
[0041]本专利技术通过双极性相反的电容与负载串联，切断单个电容的放电回路，从而产生宽度可调的窄脉冲，同时提出可以模块化堆叠的电容斩波拓扑，以获得更高的幅值。
[0042]面向高压超短脉冲在电穿孔领域的研究应用需求，本专利技术结合电容斩波技术和传
统Marx脉冲技术，设计并提出了全固态电容斩波Marx电路的拓扑结构，建立了电容斩波Marx脉宽计算的数学模型，首次用全固态开关实现了脉宽连续可调、高幅值、高能量利用率、脉宽最小可达个位数ns级的高压超短脉冲的产生。
附图说明
[0043]图1为单模块结构；图1(a)为主电路、图1(b)为斩波电路；
[0044]图2为整体电路结构；
[0045]图3为基于电容斩波电路的模块化全固态脉冲发生器电路状态图；图3(a)
‑
(c)分别为充电状态、放电状态/脉冲开启状态、斩波状态/脉冲关闭状态。
[0046]图4为四种全固态脉冲电源拓扑结构电路的最短脉宽示意图；
[0047]图5为三种产生超短脉冲的全固态脉冲发生斩波拓扑仿真图；
[0048]图5(a)
‑
(c)分别为尾切拓扑、差分拓扑、本专利技术拓扑；
[0049]图6(a)为差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于全固态开关的高能效的10纳秒级高压脉冲发生器装置，其特征在于：包括电源V
DC
、所述电阻R、n级脉冲发生模块和负载Load。所述电源VDC的电压流经电阻R后，为n级脉冲发生电路模块供电；所述n级脉冲发生模块向负载传输高压脉冲；所述n级脉冲发生模块包括n个级联的脉冲发生电路；每个脉冲发生电路包括主电路和斩波电路。所述主电路用于生成高压脉冲；所述斩波电路用于调整主电路生成的高压脉冲的脉冲宽度。2.根据权利要求1所述的基于全固态开关的高能效的10纳秒级高压脉冲发生器装置，其特征在于：所述n级脉冲发生模块向负载传输10纳秒级高压脉冲。3.根据权利要求1所述的基于全固态开关的高能效的10纳秒级高压脉冲发生器装置，其特征在于：基于全固态开关的高能效的10纳秒级高压脉冲发生器装置的拓扑结构如下所示：记电源V
DC
正极所在一端为A，负极所在一端为B；B端接地；A端串联电阻R后连接二极管D11main的阳极；二极管D11main的阴极串联电容C1main后连接二极管D12main的阳极；二极管D12main的阴极串联开关管S1chop的漏极；二极管D11main的阴极串联开关管S1main的漏极；开关管S1main的栅极悬空；开关管S1main的源极串联二极管D12main的阴极；开关管S1main的源极串联开关管S1chop的漏极；二极管D11main的阴极串联二极管D11chop的阳极；二极管D11chop的阴极串联二极管D12chop的阴极；二极管D12chop的阳极串联开关管S1chop的漏极；二极管D11chop的阴极串联电容C1chop后连接开关管S1chop的源极；开关管S1chop的栅极悬空；二极管Dj1main的阳极串联二极管D(j
‑
1)1chop的阴极；整数j＝2,3，
…
，n；二极管Dj1main的阴极串联电容Cjmain后连接二极管Dj2main的阳极；二极管Dj2main的阳极串联开关管Sjchop的漏极；二极管Dj2main的阴极串联开关管Sjchop的漏极；二极管Dj1main的阴极串联开关管Sjmain的漏极；开关管Sjmain的栅极悬空；开关管Sjmain的源极串联二极管Dj2main的阴极；开关管Sjm...

【专利技术属性】
技术研发人员：董守龙，姚陈果，余亮，吴菲宇，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：