阅读说明：本技术 一种高电压脉冲发生电路 (High-voltage pulse generating circuit ) 是由 吴淑群 顾亚楠 卞伟杰 张兴 张潮海 于 2020-04-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高电压脉冲发生电路,包括直流稳压电源、限流电阻、高压容比脉冲调制电路、驱动模块、控制模块和负载。直流稳压电源后接限流电阻给高压容比脉冲调制电路供电,高压容比脉冲调制电路产生脉冲加至负载,控制模块产生控制信号经由驱动模块放大分别接至高压容比脉冲调制电路中相应的固态开关上。本发明通过拓扑与固态开关时序之间的相互配合,实现循环阶梯式倍压充放电,在保证高的升压能力的同时大大减少了器件数量,体积小、重量轻、参数可调,且具有一定的抗干扰能力。(The invention discloses a high-voltage pulse generating circuit which comprises a direct-current stabilized power supply, a current-limiting resistor, a high-voltage-to-capacity ratio pulse modulation circuit, a driving module, a control module and a load. The direct current stabilized voltage supply is connected with a current-limiting resistor behind and supplies power to the high-voltage capacitance ratio pulse modulation circuit, the high-voltage capacitance ratio pulse modulation circuit generates pulses to be added to a load, and the control module generates control signals which are amplified by the driving module and respectively connected to corresponding solid-state switches in the high-voltage capacitance ratio pulse modulation circuit. The invention realizes the cyclic stepped voltage-multiplying charging and discharging through the mutual matching of the topology and the solid-state switch time sequence, greatly reduces the number of devices while ensuring high boosting capacity, has small volume, light weight and adjustable parameters, and has certain anti-interference capacity.)

一种高电压脉冲发生电路

技术领域

本发明属于脉冲电源领域，特别涉及了一种高电压脉冲发生电路。

背景技术

脉冲功率是指将储存的能量以电能的形式，用单脉冲或具有重复频率的短脉冲方式加在负载上，其在污水处理、表面改性、臭氧生成、植物催生等工业上具有广泛的应用。任何适合脉冲功率系统的能量储存的装置都应该符合高能量密度、高耐压强度、长储能时间、高重复频率和使用寿命、低成本等特点。尽管高压电容器在能量密度方面不具有优势，但是其使用的开关稳定且普及、能量维持时间久等优点，始终是大多数脉冲功率系统的主要储能器件。

传统大功率脉冲电源主要基于气体开关输出脉冲，但是因为气体开关重复频率低、寿命短、体积大等问题，难以满足当代工业长寿命、高效率、小体积的应用需要。随着半导体器件的发展，基于固态开关器件的脉冲发生拓扑不断更新，其中固态Marx发生器以及基于变压器的脉冲叠加器成为脉冲电源的主要发展方向。

论文“基于Marx电路的纳秒级高压脉冲电源设计”中提出的基于固态Marx的脉冲电源虽结构较为紧凑、性能稳定、寿命长，但是整个拓扑的升压倍数与储能单元个数成正比，升电压倍数：储能电容个数为1:1(压容比)。若要将输入电压抬升至更高倍数输出，该电源的体积、重量和成本将随着储能电容级联个数的增加而线性增加。因此，在保证脉冲电源体积小、重量轻的要求前提下，如何利用更少的储能元件实现更高电压倍数输出是一个关键技术问题，对降低脉冲电源的经济成本至关重要。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种高电压脉冲发生电路。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种高电压脉冲发生电路，包括直流稳压电源、限流电阻、高压容比脉冲调制电路、驱动模块、控制模块和负载；所述直流稳压电源的输出端经限流电阻与高压容比脉冲调制电路的输入端电连接，高压容比脉冲调制电路的输出端与负载电连接；所述高压容比脉冲调制电路为级联结构，包括第零～第十固态开关、第一～第五二极管和第一～第五储能电容；所述第一储能电容构成高压容比脉冲调制电路的第一级储能支路，第一储能电容的正极和第五二极管的阴极分别经第零固态开关与限流电阻电连接，第一储能电容的负极和第五二极管的阳极分别与直流稳压电源的接地端电连接；所述第二储能电容、第一二极管、第一固态开关和第二固态开关构成高压容比脉冲调制电路的第二级储能支路，所述第一二极管的阴极与第二储能电容的正极电连接，第一二极管的阳极经第一固态开关与第二储能电容的负极电连接，第二储能电容的负极与第二固态开关的第一端电连接，第二固态开关的第二端与直流稳压电源的接地端电连接；所述第三储能电容、第二二极管、第三固态开关和第六固态开关构成高压容比脉冲调制电路的第三级储能支路，所述第二二极管的阴极与第三储能电容的正极电连接，第二二极管的阳极经第三固态开关与第三储能二极管的负极电连接，第三储能二极管的负极与第六固态开关的第一端电连接，第六固态开关的第二端经第四固态开关与第二固态开关的第二端电连接；所述第四储能电容、第三二极管、第五固态开关和第十固态开关构成高压容比脉冲调制电路的第四级储能支路，所述第三二极管的阴极与第四储能电容的正极电连接，第三二极管的阳极经第五固态开关与第四储能电容的负极电连接，第四储能电容的负极与第十固态开关的第一端电连接，第十固态开关的第二端与第六固态开关的第二端电连接，第三二极管的阳极与第二二极管的阴极电连接；所述第五储能电容、第四二极管和第七固态开关构成高压容比脉冲调制电路的第五级储能支路，所述第四二极管的阴极与第五储能电容的正极电连接，第四二极管的阳极经第七固态开关与第五储能电容的负极电连接，第五储能电容的负极连接第八固态开关的第一端，第八固态开关的第二端与第十固态开关的第二端电连接，第四二极管的阳极与第三二极管的阴极电连接，第四二极管的阴极经第九固态开关与负载电连接；所述控制模块的输出端经驱动模块与第零～第十固态开关的控制端电连接，通过控制不同固态开关的导通状态，实现高压容比脉冲调制电路充电与放电，通过充/放电状态的重复，形成具有一定重复频率的高压脉冲输出。

进一步地，所述高压容比脉冲调制电路的充电状态包括以下8个有序的模态：

①闭合第零、第二、第四、第六、第八、第十固态开关，其余固态开关断开，直流稳压电源给第一～第五储能电容充电；

②闭合第一、第四、第六、第八、第十固态开关，其余固态开关断开，第一、第二储能电容串联，共同给第三、第四、第五储能电容充电；

③闭合第零、第二固态开关，其余固态开关断开，直流稳压电源给第一、第二储能电容充电；

④闭合第一、第三、第四、第八和第十固态开关，其余固态开关断开，第一、第二、第三储能电容串联，共同给第四、第五储能电容充电；

⑤闭合第零、第二固态开关，其余固态开关断开，直流稳压电源给第一、第二储能电容充电；

⑥闭合第一、第四、第六固态开关，其余固态开关断开，第一、第二储能电容串联，共同给第三储能电容充电；

⑦闭合第零、第二固态开关，其余固态开关断开，直流稳压电源给第一、第二储能电容充电；

⑧闭合第一、第三、第四、第五、第八固态开关，其余固态开关断开，第一、第二、第三、第四储能电容串联，共同给第五储能电容充电；

所述高压容比脉冲调制电路的放电状态如下：

闭合第一、第三、第五、第七、第九固态开关，其余固态开关断开，第一～第五储能电容串联，共同为负载放电。

进一步地，当第一～第五储能电容上的电压依次与直流稳压电源输出电压的比值为1：1：2：4：8时，对应的储能电容达到满充，所述高压容比脉冲调制电路能够将直流稳压电源的输出电压最大抬升16倍。

进一步地，所述第一～第五储能电容采用无感吸收电容，其杂散电感值小于20nH，容值大于1μF；第一～第五储能电容的容值关系如下：

64C₁＝64C₂＝16C₃＝4C₄＝C₅

其中，C₁～C₅为第一～第五储能电容的容值。

进一步地，所述第零～第十固态开关采用全控器件，其上升沿和下降沿时间小于1μs，开关延迟时间小于600ns，耐压值在所需脉冲电压最大值一半的1.5倍以上，耐流值在实测值的两倍以上。

进一步地，所述控制模块具有至少11路控制信号输出能力，控制模块中芯片的处理速度在72MHz以上。

进一步地，所述直流稳压电源输出的最大直流电压大于所需脉冲电压最大值的1/16。

进一步地，所述限流电阻采用功率电阻。

进一步地，所述驱动模块能将控制模块输出的控制信号处理成至少+15V以上的驱动信号，并将驱动信号与控制信号之间的延迟控制在400ns以内。

进一步地，所述负载为阻性、容性负载或阻容性负载，阻性负载的等效电阻值在100Ω以上，容性负载的等效电容值在1.6nF以上。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明采用5个储能电容，可将输入电压抬升至16倍输出，相比于同等升压能力的传统MARX拓扑来说，储能器件更少，升压倍数更高，使得脉冲电源整体体积更小、更紧凑；

(2)本发明中涉及的开关均采用全固态开关器件，体积小、稳定性好、可靠性高、寿命长、工作频率高，可以有效抑制外界电磁干扰；

(3)本发明先充电后放电，充放电状态分离，有效避免模态重合、混乱带来的脉冲能量不足、短路等潜在问题。

附图说明

图1是本发明整体框图；

图2是本发明高压容比脉冲调制电路拓扑图；

图3是本发明控制信号逻辑图；

图4是本发明实施例中负载两端波形图；

标号说明：1：直流供电电源；2：限流电阻；3：高压容比脉冲调制电路；4：驱动模块；5：控制模块；6：负载；S0～S10：第零～第十固态开关；D1～D5：第一～第五二极管；C1～C5：第一～第五储能电容。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明设计了一种高电压脉冲发生电路，包括直流稳压电源1、限流电阻2、高压容比脉冲调制电路3、驱动模块4、控制模块5和负载6。直流稳压电源后接限流电阻给高压容比脉冲调制电路供电，高压容比脉冲调制电路产生脉冲加至负载，控制模块产生控制信号经由驱动模块放大分别接至高压容比脉冲调制电路中相应的固态开关上。

如图2所示，所述高压容比脉冲调制电路为级联结构，包括第零～第十固态开关S0～S10、第一～第五二极管D1～D5和第一～第五储能电容C1～C5。所述第一储能电容构成高压容比脉冲调制电路的第一级储能支路，第一储能电容的正极和第五二极管的阴极分别经第零固态开关与限流电阻电连接，第一储能电容的负极和第五二极管的阳极分别与直流稳压电源的接地端电连接；所述第二储能电容、第一二极管、第一固态开关和第二固态开关构成高压容比脉冲调制电路的第二级储能支路，所述第一二极管的阴极与第二储能电容的正极电连接，第一二极管的阳极经第一固态开关与第二储能电容的负极电连接，第二储能电容的负极与第二固态开关的第一端电连接，第二固态开关的第二端与直流稳压电源的接地端电连接；所述第三储能电容、第二二极管、第三固态开关和第六固态开关构成高压容比脉冲调制电路的第三级储能支路，所述第二二极管的阴极与第三储能电容的正极电连接，第二二极管的阳极经第三固态开关与第三储能二极管的负极电连接，第三储能二极管的负极与第六固态开关的第一端电连接，第六固态开关的第二端经第四固态开关与第二固态开关的第二端电连接；所述第四储能电容、第三二极管、第五固态开关和第十固态开关构成高压容比脉冲调制电路的第四级储能支路，所述第三二极管的阴极与第四储能电容的正极电连接，第三二极管的阳极经第五固态开关与第四储能电容的负极电连接，第四储能电容的负极与第十固态开关的第一端电连接，第十固态开关的第二端与第六固态开关的第二端电连接，第三二极管的阳极与第二二极管的阴极电连接；所述第五储能电容、第四二极管和第七固态开关构成高压容比脉冲调制电路的第五级储能支路，所述第四二极管的阴极与第五储能电容的正极电连接，第四二极管的阳极经第七固态开关与第五储能电容的负极电连接，第五储能电容的负极连接第八固态开关的第一端，第八固态开关的第二端与第十固态开关的第二端电连接，第四二极管的阳极与第三二极管的阴极电连接，第四二极管的阴极经第九固态开关与负载电连接；所述控制模块的输出端经驱动模块与第零～第十固态开关的控制端电连接，通过控制不同固态开关的导通状态，实现高压容比脉冲调制电路充电与放电，通过充/放电状态的重复，形成具有一定重复频率的高压脉冲输出。

如图3所示，Tc为控制信号的周期，控制模块产生11路控制信号，包括充电状态和放电状态，充电状态包括以下8个有序的模态：

①闭合第零、第二、第四、第六、第八、第十固态开关，其余固态开关断开，直流稳压电源给第一～第五储能电容充电；

②闭合第一、第四、第六、第八、第十固态开关，其余固态开关断开，第一、第二储能电容串联，共同给第三、第四、第五储能电容充电；

③闭合第零、第二固态开关，其余固态开关断开，直流稳压电源给第一、第二储能电容充电；

④闭合第一、第三、第四、第八和第十固态开关，其余固态开关断开，第一、第二、第三储能电容串联，共同给第四、第五储能电容充电；

⑤闭合第零、第二固态开关，其余固态开关断开，直流稳压电源给第一、第二储能电容充电；

⑥闭合第一、第四、第六固态开关，其余固态开关断开，第一、第二储能电容串联，共同给第三储能电容充电；

⑦闭合第零、第二固态开关，其余固态开关断开，直流稳压电源给第一、第二储能电容充电；

⑧闭合第一、第三、第四、第五、第八固态开关，其余固态开关断开，第一、第二、第三、第四储能电容串联，共同给第五储能电容充电；

放电状态如下：

闭合第一、第三、第五、第七、第九固态开关，其余固态开关断开，第一～第五储能电容串联，共同为负载放电。

在本实施例中，当第一～第五储能电容上的电压依次与直流稳压电源输出电压的比值为1：1：2：4：8时，对应的储能电容达到满充，所述高压容比脉冲调制电路能够将直流稳压电源的输出电压最大抬升16倍。

在本实施例中，优选地，所述第一～第五储能电容采用无感吸收电容，其杂散电感值小于20nH，容值大于1μF。第一～第五储能电容的储能值如下：

其中，E_i、C_i、U_i分别为第i储能电容的储能值、容值和满充电压值；

根据E₁＝E₂＝E₃＝E₄＝E₅，8U₁＝8U₂＝4U₃＝2U₄＝U₅，

则有64C₁＝64C₂＝16C₃＝4C₄＝C₅。

在本实施例中，优选地，所述第零～第十固态开关采用全控器件，如IGBT和MOSFET，其上升沿和下降沿时间小于1μs，开关延迟时间小于600ns，耐压值在所需脉冲电压最大值一半的1.5倍以上，耐流值在实测值的两倍以上。

在本实施例中，优选地，所述控制模块具有至少11路控制信号输出能力，控制模块中芯片的处理速度在72MHz以上。

在本实施例中，优选地，所述直流稳压电源能提供宽范围的、低纹波的直流可调电压，直流稳压电源输出的最大直流电压大于所需脉冲电压最大值的1/16。

在本实施例中，优选地，所述限流电阻应为功率电阻，具体参数应结合电路需要，在留有阈量的情况下进行选型，功率应至少大于直流稳压源供电电压乘以充电电流。

在本实施例中，优选地，所述驱动模块能将控制模块输出的控制信号处理成至少+15V以上的驱动信号，并将驱动信号与控制信号之间的延迟控制在400ns以内。

在本实施例中，优选地，所述负载为阻性、容性负载或阻容性负载，阻性负载的等效电阻值在100Ω以上，容性负载的等效电容值在1.6nF以上。

在本实施例中，当直流稳压电源输入60V时，第一储能电容和第二储能电容分别充电至60V，第三储能电容充电至120V，第四储能电容充电至240V，第五储能电容充电至480V，待放电信号传出，第一～第五储能电容串联给负载放电时，使用高压探头测得的负载两端的脉冲电压0～1000V可调，上升沿、下降沿200ns以内，重复频率1～100Hz可调，脉宽1～10μs可调，单脉冲波形如图4所示。

在本实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“接至”应做电气连接理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。