[发明专利]一种产生双极性高压脉冲的装置和方法

说明书

本发明公开了一种产生双极性高压脉冲的装置及方法，该装置由高压正脉冲模块和高压负脉冲模块级联而成，并且有多种连接方式。通过控制模块控制高压正脉冲模块和高压负脉冲模块中全部固体开关的导通和关断，决定高压直流电源模块是否对与开关组并联的储能电容进行充电，从而输出周期的、非周期的或者任意数目的双极性高压脉冲，这些双极性高压脉冲的幅值可以由高压正脉冲产生电路级数、高压负脉冲产生电路级数和高压直流电源的改变进行调节。

技术领域

本发明属于双极性高压脉冲领域，具体涉及一种产生双极性高压脉冲的装置和方法。

背景技术

脉冲功率技术越来越广泛地应用到国防和民用工业等研究领域。现有的产生双极性高压脉冲的方法和电路主要采用以下方法实现：利用L-C脉冲成型网络产生的脉冲高压；利用脉冲电容储能、触发放电产生的脉冲高压；利用逆变，串联谐振来产生脉冲高压。这几种高压脉冲电源虽然能够产生较高的电压幅值，但脉冲波形得不到精确控制，重复频率低。除此之外，还有利用固体开关串联的半桥型电压逆变电路，但是该电路输出的电压幅值只能为输入高压直流电源的二分之一，直流两侧需两个电容器串联，控制两者电压的均衡。此外，还有利用半桥式Marx电路和H桥的级联方式产生双极性电路，但是这种电路的输出电压的最大幅值受固体开关最大耐压的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产生双极性高压脉冲的装置和方法，用于解决现有技术的问题，本发明能够输出周期的、非周期的或者任意数目的双极性高压脉冲或者单极性的正/负高压脉冲，且本发明结构简单，能够得到稳定的且重复输出的双极性高压脉冲，具有非常广泛的应用领域。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种产生双极性高压脉冲的装置，包括串联连接的高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路，所述高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路组成双极性高压脉冲产生电路，其中，高压正脉冲产生电路由一系列高压正脉冲模块组成，高压负脉冲产生电路由一系列高压负脉冲模块组成，所述高压正脉冲模块包括正脉冲控制模块、正脉冲开关模块以及正脉冲储能模块，正脉冲控制模块通过控制正脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定正脉冲储能模块充电或放电；所述高压负脉冲模块包括负脉冲控制模块、负脉冲开关模块以及负脉冲储能模块，负脉冲控制模块通过控制负脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定负脉冲储能模块充电或放电；所述产生双极性高压脉冲的装置还包括用于给正脉冲储能模块和负脉冲储能模块提供高压直流输入的高压直流电源模块，且高压直流电源模块与正脉冲储能模块及负脉冲储能模块之间相互隔离，以及用于给正脉冲控制模块、负脉冲控制模块、正脉冲开关模块、负脉冲开关模块以及高压直流电源模块提供工作电压的低压直流电源模块。

进一步地，所述正脉冲开关模块包括n级开关组，负脉冲开关模块包括k级开关组，且n≥1，k≥1，n+k＝2m，2m级开关组悬浮级联。

进一步地，每级开关组包括高端固体开关K1和低端固体开关K2，高端固体开关K1和低端固体开关K2连接的节点为每级开关组的高压输出Vout，每级开关组的地端GND为低端固体开关K2的另一端，每级开关组的电源端Vp为高端固体开关K1的另一端。

进一步地，在高压正脉冲产生电路中，高一级开关组SW_n+1的地端GND和低一级开关组SW_n的电源输出端Vout直接相连，其中n＝1，2，3，…，2m-1；在高压负脉冲产生电路中，高一级开关组SW_k+1的电源端Vp和低一级开关组SW_k的电源输出端Vout直接相连，其中k＝1，2，3，…，2m-1，且k≠n。

进一步地，高端固体开关K1为一个开关或多个开关，且多个开关之间并联或串联连接；低端固体开关K2为一个开关或多个开关，且多个开关之间并联或串联连接。

进一步地，每级开关组的高端固体开关K1和低端固体开关K2能够同时关闭，但不能同时导通。