[实用新型]一种双极性全固态高压脉冲叠加器

说明书

本实用新型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。利用本实用新型的叠加器能够提供稳定可靠的高压重频脉冲。

技术领域

本实用新型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

本实用新型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。

根据本实用新型的第一方面，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。