[发明专利]一种单极性微秒脉冲高压电源

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲高压电源。

背景技术

脉冲高压电源在高功率粒子束、核聚变、粒子加速器等军工领域和生物医学工程、材料处理、三废处理、纳米制造、材料加工、离子注入等民用领域有着广泛的应用。高压脉冲电源是一种通过能量的低速储存和高速释放的特种电源装置，通过各种形式开关的开通和关断，以及脉冲整形电路的配合，输出一定宽度、幅值和频率的高压脉冲发生器。随着半导体开关以及各种磁性材料的不断发展，半导体开关和磁开关在脉冲电源中得到了广泛的应用，其高重复频率、高稳定性，长寿命、控制简单等优势相对于传统的气体开关越来越明显。

半导体开关与脉冲变压器、磁开关、脉冲形成线、传输线等进行配合的脉冲形成电路，其输出脉冲宽度较为固定或很小范围内调节，且输出脉冲为三角脉冲波。依靠半导体开关进行串联构成高压开关组合的案例存在着串联均压技术难题，参数分散性较大。全固态Marx脉冲发生器是产生高压微秒级方波脉宽的典型拓扑，电路可以实现一套直流电源系统对多级电容进行并联充电，多级电容对负载进行串联放电。Marx发生器避开了单个半导体开关耐压有限而多个开关串联均压困难的问题，而且通过对开关的可靠控制实现高压脉冲宽度和频率的宽范围调节控制。中国专利200910196678.0“具有正负脉冲输出的全固态高压电源”采用两套Marx发生器拓扑组合为一套能够同时产生正极性和负极性脉冲的高压电源，脉冲产生由控制系统进行控制；中国专利200910049032.X“全固态高压纳秒脉冲电源”中，一组开关控制多级电容器的并联充电，另一组开关控制多级电容器的串联放电，为磁脉冲压缩系统提供脉宽与频率可调节的方波脉冲。以上两种电源均采用对电容的并联充电串联放电模式工作，都会限制电源的工作频率；另外，专利200910196678.0电源输出的双极性脉冲均为方波脉冲，脉冲形式单一。中国专利201110388834.0“用于重复频率高压脉冲电源的程控脉冲发生器”，提出的程控脉冲发生器可以获得多路延时触发脉冲信号，各路信号脉宽、频率以及各路之间的延时时间可以连续调节，为高压电源调节脉宽、频率、电压等参数提高触发信号，但只能输出1-15V的低压脉冲。

发明内容

本发明的目的在于克服现有脉冲电源输出脉冲波形单一、脉宽不易调节等缺点，提出一种模块化的重复频率单极性微秒脉冲高压电源。该脉冲电源能够产生频率、脉宽、幅值可以连续调节的方波脉冲和具有阶梯沿的三角波形，该电源可实现正极性或负极性高压脉冲输出。

本发明主要包括主电路系统和控制系统两部分，主电路系统完成各单级电源模块的储能充电，各单级电源模块在控制系统驱动信号的控制下完成对负载放电，输出单极性微秒脉冲高压。控制系统产生电平信号，电平信号传递到主电路系统的开关驱动电路，产生驱动控制信号，从而控制主电路系统的各单级开关的开通关断，在主电路系统的末端获得脉冲输出。

所述的主电路系统包括交流电源系统、交流调压器、多级电源模块、开关驱动电路、负载匹配电阻等。交流电源系统为工频市电系统，交流电源系统与交流调压器的输入端连接，交流调压器的输出端为多级电源模块提供能量来源。所述的多级电源模块由多个单级电源模块通过导线直接串联构成。每个单级电源模块包括隔离变压器、整流模块、电容器、开关和续流二极管；隔离变压器的原边与交流调压器的副边输出端连接，得到电压可调节的交流电，隔离变压器的副边与整流模块的交流输入端连接，经过整流在整流模块的输出端获得直流电压，整流模块的输出端直接与电容器的两端连接得到供电，开关、电容器和续流二极管串联在一起。开关工作时续流二极管关断，开关关断时续流二极管开通。

所述的控制系统主要包括程控脉冲发生器、同步控制系统、延时控制系统，以及辅助供电系统等部分。程控脉冲发生器产生多路延时脉冲信号，程控脉冲发生器的输出端与同步控制系统中电-光转换模块的电信号输入端通过导线连接，同步控制系统可以实现单路脉冲信号到多路同步驱动脉冲信号的转换，程控脉冲发生器的输出端与延时控制系统中电-光转换模块的电信号输入端连接，向电-光转换模块输入多路延时脉冲信号。延时控制系统可以实现多路脉冲信号到多路驱动脉冲信号的传输与转换，辅助供电系统中的独立供电输出端通过导线分别与同步控制系统、延时控制系统中的供电端连接。