[发明专利]一种双极性高重复频率高压纳秒脉冲产生电路和方法

说明书

本发明公开了一种双极性高重复频率高压纳秒脉冲产生电路和方法，根据预先设定的充电电压和充电极性给脉冲电源主回路初级侧中各个电容充电；控制单元将控制信号输送至电容充电模块和脉冲电源主回路初级侧；控制单元发出特定触发脉冲，触发脉冲电源主回路初级侧放电，形成初始脉冲电压；初始脉冲电压作用于多绕组可饱和脉冲变压器，给次级电容充电；通过脉冲电源主回路次级侧的电压变换和脉冲压缩，提升脉冲电压幅值，形成纳秒脉冲电压；在输出一个脉冲电压后，通过控制单元根据预设策略切换脉冲电源主回路初级侧各个半导体开关状态，输出下一个脉冲电压，前一个输出脉冲对应的初级电容处于充电状态，循环输出双极性高重复频率高压纳秒脉冲。

技术领域

本发明属于脉冲功率领域，具体属于一种双极性高重复频率高压纳秒脉冲产生电路和方法。

背景技术

随着脉冲功率技术发展，脉冲功率的应用领域已经逐渐从军事扩展到民用，例如等离子体消毒杀菌、废气处理等。通过高压脉冲放电产生低温等离子体具有宏观温度接近室温、活性高、稳定性好等显著优势。国内外研究表明，低温等离子体关键参数(如电子密度、活性粒子浓度)均与脉冲电压波形密切相关。提高脉冲频率(百千赫兹以上)可充分利用残余激发态粒子等引起的放电记忆效应，有利于增强放电稳定性和强度；采用脉冲时间尺度在纳秒量级的过电压激励产生等离子体，有利于提高电子能量和活性粒子浓度；采用双极性脉冲激励等离子体，有利于增强局部电场强度。因此，脉冲功率技术的民用领域和科学研究领域迫切需要高性能的双极性高重复频率高压纳秒脉冲电源。

脉冲电源的输出能力很大程度上取决于所采用的开关技术。为产生双极性高重复频率高压纳秒脉冲，需要开关具有双向导通、高频率工作、开关速度快等能力。常用的脉冲功率开关有：气体开关、磁开关、半导体开关(MOSFET、IGBT、晶闸管、闸流管等)等。其中，气体开关虽然导通能力强、转移电荷量大、工作电压高，但其重复频率工作能力弱，通常不足百赫兹。磁开关虽然具有双向导通能力，但开关速度通常为百纳秒量级。半导体开关具有全控或半控能力、工作频率高，可以产生多种复杂波形，但工作电压低(通常不超过5千伏)。因此，为产生双极性高重复频率高压纳秒脉冲，需要结合多种开关技术，并设计合理电路拓扑，存在较大困难。目前国内外已提出若干种产生双极性重复频率高压纳秒脉冲的电路拓扑，但均存在重复频率不高(通常在几千赫兹至几十千赫兹)、电压幅值不高(通常低于十千伏)、脉冲宽度无法达到百纳秒量级。同时，传统的双极性重复频率纳秒脉冲电源通常采用半导体器件作为开关器件，半导体器件容易发热，限制了脉冲重复频率，或仅能在爆发模式下输出数量有限的双极性高重复频率高压纳秒脉冲。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种双极性高重复频率高压纳秒脉冲产生电路和方法，能够解决传统双极性重复频率纳秒脉冲产生方法的输出电压幅值低、脉冲重复频率低等瓶颈问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双极性高重复频率高压纳秒脉冲产生电路，

包括控制单元、大功率快速电容充电模块、脉冲电源主回路初级侧、多绕组可饱和脉冲变压器和脉冲电源主回路次级侧；

所述大功率快速电容充电模块的输出端连接脉冲电源主回路初级侧的输入端，所述脉冲电源主回路初级侧的输出端连接多绕组可饱和脉冲变压器的输入端，所述多绕组可饱和脉冲变压器的输出端连接脉冲电源主回路次级侧的输入端，所述控制单元分别连接功率快速电容充电模块和脉冲电源主回路初级侧。

优选的，还包括低压直流电源，所述低压直流电源连接大功率快速电容充电模块进行供电。

优选的，所述大功率快速电容充电模块的数量不少于三个。

优选的，所述脉冲电源主回路初级侧包括若干个电源输出单元，每个电源输出单元均包括初级电容和反并联半导体开关；