[发明专利]具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源

说明书

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源。

背景技术

目前，高压脉冲电流源被广泛应用于科研、国防及工业生产领域，如电火花加工、等离子体放电、激光器电源、脉冲电磁干扰源、加速器踢轨（kicker）电源以及特种材料制备改性等。传统系统中，多采用高压电容器或脉冲形成网络通过触发管或闸流管对负载放电。

传统高压脉冲电流源通常采用分立器件实现脉冲高压输出，即电源各部分均为高压器件，例如高压电容器、高压传输线、高压充电源以及高压氢闸流管等。高压分立器件的使用，造成系统体积庞大，成本高昂，尤其在需要窄脉冲电流的场合，高压传输线和脉冲形成网络往往需要较大空间，同时为了获得方波脉冲，需要对负载进行阻抗匹配，这在一定程度上降低了系统的效率，且不利于电源的重频工作。高压的开关器件，如闸流管、三电极开关以及引燃管等，在工作电压方面不能灵活调整，且工作特性与工作电压有直接相关性，因此不利于获得稳定的且波形可调的脉冲波，这一点也限制了高压脉冲电流源的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、寿命长、故障率低、电流脉冲参数易于调整、具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源。

本发明提出的具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源，由一系列串联的基本放电单元（半桥电路或全桥电路）构成，同时将电感与负载串联。充电单元直接与放电单元中的电容器相连，用于对其进行充电；放电单元串联连接用于产生高压，然后与电感以及负载串联连接，构成回路。以低压的半桥或全桥电路作为串联电路的基本单元，可以有效降低系统充电电压，使电源安全可靠性得到提高，体积大为降低；通过调节开关管（如MOSFET以及IGBT）同步控制信号可使电源具有极强的可调性，尤其在输出电压、脉宽以及工作频率等方面具有很强的灵活性；通过对各个放电单元的异步控制也可对输出脉冲波形进行细节修饰，有利于获得更为精确的脉冲输出。 

串联的半桥电路基本放电单元为半桥电路，所述半桥电路由2个电容器、2个开关管以及相应驱动电路经电路连接构成，2个电容器与2个开关管均串联连接，然后构成并联关系，它们的公共端即为半桥电路的输出端；驱动电路通常直接与开关管驱动极相连。开关管的控制可调整放电电压极性，从而在电感以及负载上获得不同方向的脉冲电流。采用半桥电路构成的脉冲电流源其特点主要是：输出电流脉冲多为三角形或多个三角形脉冲电流的叠加。通过调整放电单元对负载放电时间，可改变负载上的电流脉冲前沿；通过改变放电电压幅值可改变负载上电流幅值；电流脉冲的下降沿则由负载、电感、电容器以及回路杂散参数决定。在充电阶段各级半桥放电单元对地电位一致，在电容器通过开关管串联放电时刻，各级半桥放电单元存在一定的电位差，因此电容器充电系统需要考虑放电时刻各个放电单元间的相互隔离问题，即设置隔离，该隔离可以是磁环隔离，也可以是光纤隔离。相应的，开关管控制系统同样按照隔离方式的不同分为两种：磁环隔离控制系统以及光纤隔离控制系统，前者主要依靠磁耦合控制信号或驱动信号，后者依靠光电系统耦合控制信号。当充电系统与控制系统匹配运行时，可获得重复频率脉冲输出。

串联的全桥电路结构与上述的电路结构类似，基本的放电单元为全桥电路，所述全桥电路由1个电容器、4个开关管及相关驱动电路经电路连接构成，4个开关管两两串联构成2个桥臂，2个桥臂均与电容器构成并联关系，两个桥臂开关管的公共端即为该全桥电路的输出端口；驱动电路通常直接与开关 管驱动极相连。两种电路结构在充电及控制系统方面较为一致，但是全桥放电单元构成的电路能够在负载上产生近似方波电流脉冲，依靠开关管的时序控制，可以使负载以及与之串联的电感获得续流通路，从而维持负载上的电流。由于续流回路存在损耗，为了得到电流脉冲平顶，可通过规定某一级或几级作为平顶补偿单元，改变补偿单元的充电电压以及导通时序，可改变输出电流平顶斜度，目的是在脉冲电流续流阶段维持合适的低电压放电补偿续流回路损耗，从而抑制电流脉冲的顶降。对于一些特殊的需要，也可通过补偿机制产生各种异形电流脉冲。

无论是对于放电单元采用全桥电路结构还是半桥电路结构的全固态高压脉冲电流源，都可以通过控制每一个放电单元的工作状态来调整电压脉冲。也可以使一个或多个放电单元不工作，同时不影响其他放电单元的正常运行，以此改变输出脉冲的幅值。同时，电路结构使得放电单元不存在动态均压问题，有利于全固态高压脉冲电流源的安全可靠运行及维护。

由于上述技术方案的使用，本发明与现有技术相比具有以下优势：