阅读说明：本技术 一种双极性全固态高压脉冲叠加器 (A kind of bipolarity all solid state high voltage superimposed pulses device ) 是由 王永刚 黄逸凡 江敏 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明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。利用本发明的叠加器能够提供稳定可靠的高压重频脉冲。(The present invention provides a kind of bipolarity all solid state high voltage superimposed pulses device.The superimposer includes charhing unit, full-bridge superpositing unit comprising energy-storage capacitor and semiconductor switch, control unit and driving unit, the charhing unit is separately connected the full-bridge superpositing unit and described control unit, the driving unit is separately connected described control unit and the full-bridge superpositing unit, wherein, the charhing unit is used to charge to the energy-storage capacitor of the full-bridge superpositing unit, described control unit is for exporting switching sequence, the driving unit is used to that the full-bridge superpositing unit will to be transferred to after switching sequence amplification, to control the on or off of the semiconductor switch of the full-bridge superpositing unit, and then the energy-storage capacitor for controlling the full-bridge superpositing unit exports bipolarity high-voltage pulse to load.Reliable and stable high pressure repetition pulse is capable of providing using superimposer of the invention.)

一种双极性全固态高压脉冲叠加器

技术领域

本发明涉及高压脉冲产生技术领域，尤其涉及一种双极性全固态高压脉冲叠加器。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

根据本发明的第一方面，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，本发明的优点在于：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

以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：

图1是根据本发明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是根据本发明一个实施例的充电电路的原理图；

图3是根据本发明一个实施例的全桥叠加单元的原理图；

图4是根据本发明一个实施例的全桥叠加单元常规开关的时序图；

图5是根据本发明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是根据本发明一个实施例的光纤驱动单元的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、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发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

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，本发明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140和控制单元130，其中充电单元110分别和全桥叠加单元120、控制单元130具有连接，光纤驱动单元140分别和全桥叠加单元120、控制单元130具有连接，全桥叠加单元120包含储能电容和半导体开关。

充电单元110将市电转变为高频谐振充电电流，给全桥叠加单元120的储能电容充电，充电电压和/或电流被反馈给控制单元130，控制单元130基于获得的充电电压/电流调整控制信号，进而控制充电单元110。在此过程中，控制单元130输出开关时序，经光纤驱动单元140传输、放大后，控制全桥叠加单元120的半导体开关，使其导通或关断。全桥叠加单元120中的储能电容被串联起来，向负载输出双极性高压脉冲，而且脉冲参数，如上升时间/下降时间、脉宽、幅值等都可以调整。负载可以是阻性、容性或感性负载。

在一个实施例中，控制单元130可使用FPGA、单片机、DSP、CPLD(ComplexProgrammable Logic Device)等控制器实现，控制单元130可获取充电单元110提供给全桥叠加单元120的充电电压和/或充电电流，也可获取负载的输出电流值。

图2是充电单元(或称充电电路)的实施例，该充电单元整体上包括依次连接的电源整流滤波电路和高频串联谐振充电电路。

具体地，电源整流滤波电路包括依次连接的交流输入端AC、第一桥式整流电路和滤波电容C1，其中交流输入端AC用于接入电源，第一桥式整流电路由四个二极管D1-D4组成，第一桥式整流电路和滤波电容C1用于将输入的交流电源转换为第一直流电源输出到高频串联谐振充电电路。

所述高频串联谐振充电电路包括依次连接的H-桥电路(包括Q1、Q2Q3、Q4)、隔直电容C2、变压器T1(或称变压器组T1)、第二桥式整流电路(包括D5、D8、D6、D7、R1和R2)，其中所述滤波电容C1的输出端与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到储能电容C3。H-桥电路由四个IGBT管Q1-Q4组成，第二交流电源(即H-桥电路输出)经过隔直电容C2后到达变压器T1进行升压后输出到第二桥式整流电路，经过第二桥式整流电路后给储能电容C3充电。

需说明的是，图2中的驱动电路用于放大来自于控制单元的控制信号，进而控制Q1至Q4的导通或关断。该驱动电路可采用本文提到的光纤驱动电路、或者也可以采用光耦隔离驱动电路、变压器隔离驱动电路、自举驱动电路或现有技术中的其他类型的驱动电路等。

在一个实施例中，变压器T1由多个共原边的变压器M1、M2、…、Mn组成，结合图3所示。这些变压器的原边串联在一起，然后接到H-桥和隔直电容(参见图2的隔直电容C2)的输出端；副边分别接整流桥Rec1、Rec2、…、Recn(其中每个整流桥对应图2的第二桥式整流电路)，最终分别接到储能电容C1、C2、…、Cn，给它们充电。

在图3的全桥叠加单元的实施例中，全桥叠加单元由n个全桥模块串联组成，每个全桥模块由一个储能电容Ci和四个全桥结构的IGBT Sai、Sbi、Sci、Sdi组成。第一级全桥(最左为第一级全桥)的一个输出端接地，另一个输出端接下一级；最后一级全桥结构的一个输出端接上一级，另一个输出端接负载。结合图4所示，当开关Sbi和Sdi同时导通时，储能电容Ci正向串入放电回路，负载上得到正脉冲；当Sai和Sci同时导通时，储能电容Ci反向串入放电回路，负载上得到负脉冲。而当Sai、Sdi同时导通，或当Sbi、Sci同时导通时，储能电容Ci被旁路，不参与放电，负载被短路，其上电压为零。

对于本发明实施例的全桥叠加单元，由于每一级的储能电容Ci都可以独立地串入放电回路，或被旁路，因此通过改变开关时序，可以获得标准脉冲波、方波、三角波、锯齿波等波形。波形脉宽可以是几十纳秒或几百纳秒。

图5是调整脉冲上升/下降时间的开关时序图。假设全桥叠加单元的叠加器有6级，先让第一级导通，过一段时间后，让第二级导通，类似地，让其余级依次导通；关断时，遵循先入先出的原则，让第一级先关断，过一段时间后，让第二级关断，如此这般，让其余级依次关断。通过改变级与级之间导通或关断的间隔时间，可改变脉冲的上升/下降时间。

在全桥叠加单元中，每一级的电压都不相同，相邻级之间的电压差可以达到数百伏，而第一级与最高级之间的电压差可以达到几十千伏，因此IGBT必须使用隔离驱动。可采用的隔离驱动方法包括脉冲变压器隔离驱动和光纤隔离驱动，在本发明实施例中，使用光纤隔离驱动(即光纤驱动单元)。光纤驱动单元如图6所示，控制单元输出的开关时序经过信号调理电路后，驱动光纤发射接头，将电信号转变为光信号；光纤将光信号传输给光纤接收接头；光纤接收接头将光信号转变为电信号，IGBT驱动电路(或称开关驱动电路)将这一电信号放大后输出到IGBT的门极，控制IGBT的导通或关断。在本发明实施例中，每一只IGBT对应一个光纤驱动单元。

应理解的是，本发明的充电单元可以采用全桥电路、推挽式电路、以及其他给储能电容充电的电路。本发明的IGBT驱动方式还可以采用脉冲变压器隔离驱动，本发明所用开关除了绝缘栅双极晶体管(IGBT)外，还可以使用其他全控型半导体开关器件，如门极可关断晶闸管(GTO)、电力场效应晶体管(Power MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等，也可以由这些器件串联/并联组成。此外，本发明还可以用于其他需要产生高压脉冲电场的场合。

为了验证本发明的效果，申请人已经完成了一个6级样机，可以实现±4kV的双极性高压脉冲输出，而且输出脉冲的上升/下降时间可调，仿真表明，该脉冲叠加器可以输出方波、三角波、锯齿波等波形。

综上所述，本发明通过将全桥模块串联起来，使储能电容正向或反向串入放电回路，从而实现高压脉冲输出；每个储能电容使用一个变压器充电，所有变压器的原边串联起来，再连接到逆变桥的输出端；使用光纤驱动电路来驱动全桥模块的半导体开关，从而实现每个开关的独立导通或关断；通过开关时序，让全桥模块的对角线开关同时导通，从而实现正脉冲或负脉冲输出；通过将储能电容旁路，使负载被短路，从而获得陡峭的下降沿；将储能电容依次串入放电回路，或被旁路，从而调节上升/下降时间，或输出波形形状。

本发明提供了一种参数可调的双极性全固态高压脉冲叠加器。其将全桥电路模块串联起来，采用串心磁环给储能电容充电，光纤传输半导体开关的驱动信号。该脉冲叠加器具有钳位功能，半导体开关不会被过电压击穿；充电和放电可以同时进行，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，也能输出方波、三角波、锯齿波、正弦波等波形。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。