专利名称：具有正负脉冲输出的全固态高压电源的制作方法
具有正负脉冲输出的全固态高压电源技术领域
本发明属于电源技术领域，涉及用于产生正负脉冲的系统和方法。具体涉及一种 具有正负脉冲输出的全固态高压电源。
背景技术：
目前，具有正负脉冲输出的高压电源在食品消毒和废水废气处理等方面的应用越 来越广泛，对脉冲电源的各项性能指标的要求也越来越高。基本的发展方向是更高的重复 频率，更快的上升和下降沿，更大的输出功率及更低的成本。现有的技术方案分为以下三 种第一种方案是用半导体开关器件(如MOSFET或IGBT)构成逆变桥，然后经过升压变压 器将逆变桥的输出电压提升，从而形成正负双向高压脉冲。这种方案结构简单，但是由于变 压器漏电感和分布电容的影响，使得输出脉冲上升沿减慢，波形发生畸变，存在顶部震荡和 反向电压。并且脉冲宽度受到磁芯几何尺寸限制，可调范围较小；重复频率受到磁芯损耗发 热限制，不容易提高。第二种方案是用多个半导体开关串联组成高压开关模块，再由这些模 块形成逆变桥，将直流高压转变为双向脉冲。该方案由于不采用变压器，因此可以得到良好 的电压波形，并且脉冲频率和宽度都可以在较大范围内调整。该项技术的难点是如何保证 串联的半导体开关同步导通和关断，否则开关器件就面临连锁击穿的危险。采用特殊设计 的门极驱动电路以及选择具有相同特性的半导体器件，能够实现开关模块的安全运行，但 这种方法不具有易操作性和普遍适用性。此外高压直流电源造价也较高。第三种方案是采 用气体开关，如旋转火花隙，对高压直流源放电，从而产生双向脉冲。由于气体开关具有较 快的开通速度，因此脉冲上升沿可以很快，达到纳秒级。然而与半导体开关相比，气体开关 存在电极烧蚀的问题，使用寿命不长，维护起来也较复杂。此外气体开关属于半控型器件， 无法主动关断；重复频率不高，一般不超过ΙΚΗζ。这些缺点极大地限制了气体开关的使用。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、脉冲宽度和幅值具有较大 的可调节范围、能够输出正负脉冲的全固态高压电源。本发明在特定应用场合，能够替代升 压变压器。
本发明可以在不使用高压脉冲变压器和高压直流电源的情况下，利用半导体开关 开通和关断的特性，将直流或交流低压转变为正负双向的高压脉冲，并且输出脉冲的宽度、 频率和幅值都具有较大的可调节范围。
具体而言，本发明提供了一种具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于， 其包括一系列串联连接的放电单元，以及与各个放电单元相连的充电单元。一系列放电单 元中的第一个和最后一个单元用于连接到负载。每个放电单元包括数个半导体开关和与开 关相连的储能电容。这些开关的类型既可以是半控型半导体开关，如晶闸管(SCR)，也可以 是全控型半导体开关，如MOSFET或IGBT。每一个放电单元的结构有两种选择，一是全桥电 路结构，包括四个半导体开关和一个储能电容，同时包括相应的开关驱动；二是半桥电路结构，包括两个半导体开关和两个储能电容，同时包括相应的开关驱动。在每一套具有前面所 述特征的高压电源中，每一个放电单元的结构都保持一致。充电单元既可以是二极管和半 导体开关的组合(这种方法称为非隔离充电)，也可以是变压器和整流桥的组合(这种方法 称为隔离充电)，但是在每一套具有前面所述特征的高压电源中，每一个充电单元的结构都保持一致。
本发明中，在一套采用二极管和半导体开关作为充电单元，也就是采用非隔离充 电的具有正负脉冲输出的全固态高压电源中，当电源处于充电状态时，每一个充电单元中 的半导体开关导通。如果这套高压电源中的放电单元采用全桥电路结构，那么为了形成完 整的充电回路，每一个放电单元中的一个半导体开关需要导通，其他半导体开关保持关断 状态；如果这套高压电源中的放电单元采用半桥电路结构，那么充电单元包括了能够使电 流返回直流充电电源的半导体开关，因此放电单元中的半导体开关不需要导通。当全固态 高压电源处于放电状态时，每一个充电单元中的半导体开关关断；对于放电单元是全桥电 路结构的高压电源，每一个放电单元中原来导通的半导体开关也关断。如果放电单元是全 桥电路结构，那么为了产生某一个方向(正或负)的脉冲，每一个放电单元中与储能电容相 连的一对斜对角半导体开关导通，另一对半导体开关保持关断状态；为了产生反方向的脉 冲，每一个放电单元中原先导通的那一对半导体开关关断，原先关断的那一对半导体开关 导通。每个放电单元中每次导通和关断的半导体开关与其他单元相比，在各自单元中所处 的相对位置都一样。如果放电单元是半桥电路结构，那么为了产生某一个方向(正或负)的 脉冲，每一个放电单元中的一个半导体开关导通，和与该半导体开关相连的那一个储能电 容一起构成放电回路的一部分，此时该放电单元中的另一个半导体开关保持关断状态；为 了产生反方向的脉冲，每一个放电单元中原先导通的那一个半导体开关关断，原先关断的 那一个半导体开关导通，导通的开关和与之相连的那一个储能电容一起，构成了放电回路 的一部分。每个放电单元中每次导通和关断的半导体开关与其他单元相比，在各自单元中 所处的相对位置都一样。
本发明中，在一套采用变压器和整流桥作为充电单元，也就是采用隔离充电的具 有正负脉冲输出的全固态高压电源中，每一个放电单元对应于一个充电单元。所有充电单 元中的变压器共享同一个原边绕组，该原边绕组可以为一匝或多匝高压导线，导线两端连 接到高频交流充电电源的输出端。每一个变压器均采用环形磁芯，磁芯的副边绕组为多匝 导线，导线两端连接到由二极管组成的整流桥的输入端。整流桥的输出端连接到对应的放 电单元中储能电容的正负极。当全固态高压电源处于充电状态时，每一个放电单元中的半 导体开关都保持关断状态；当全固态高压电源处于放电状态时，根据需要，可以选择是否继 续充电，这通过控制高频交流充电电源工作与否来实现。采用隔离充电的全固态高压电源， 其放电单元同样有两种结构可以选择，即全桥电路结构和半桥电路结构。要输出某个方向 的脉冲，对放电单元中的半导体开关的控制策略与采用非隔离充电的全固态高压电源中半 导体开关的控制策略一致。
本发明中，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 压电源，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。也就是说，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，特定放电单元的失效不会阻止全固态高压电源产生脉冲。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下优势
放电回路不采用高压脉冲变压器进行升压，因此输出脉冲的宽度和频率具有较大 的可调节范围；
由于省去了高压脉冲变压器，因此在输出较大功率的情况下系统能保持相对小的 体积和较低的功率损耗。体积的减小降低了寄生电容的影响，因此可以串联更多的电压单 元，达到较高的输出电压等级；
放电单元中的半导体开关在导通和关断过程中不会面临过压击穿的危险。单个开 关导通和关断速度的快慢或者是否导通不会对其他开关的正常运行产生影响；
充电电源只需要低压直流电源或是低压高频交流电源，与传统方案中使用的高压 直流电源相比大大降低了成本；
既能产生单向脉冲，又能产生双向脉冲。
为了便于理解，以下将通过具体的附图和实施例对本发明进行详细地描述。需要 特别指出的是，具体实施例和附图仅是为了说明，显然本领域的普通技术人员可以根据本 文说明，在本发明的范围内对本发明做出各种各样的修正和改变，这些修正和改变也纳入 本实用新型的范围内。
图1为采用非隔离充电，并且放电单元为全桥电路结构的具有正负脉冲输出的全 固态高压电源实施方式框图，
其中100-直流充电电源；102-充电电流通路；104、106和108-充电单元；110、 112和114-二极管；116、118禾口 120-半导体开关；122,124和126-开关驱动；128,130和 132-放电单元；134、136、138、140、142、144、146、148、150、152、154 和 156-半导体开关； 158、160、162、164、166、168、170、172、174、176、178 和 180-开关驱动；182、184 和 186-储能 电容；188-负载。
图2为采用非隔离充电，并且放电单元为半桥电路结构的具有正负脉冲输出的全 固态高压电源实施方式框图，
其中200-直流充电电源；202-充电电流通路；204、206和208-充电单元； 210、212、214、216、218 和 220- 二极管；222、224、226、228、230 和 232-半导体开关；234、 236、238、240、242 和 244-开关驱动；246,248 和 250-放电单元；252、254、256、258、260 和 262-半导体开关；264、266、268、270、272 和 274-开关驱动；276、278、280、282、284 和 观6_储能电容J88-负载。
图3为采用隔离充电，并且放电单元为全桥电路结构的具有正负脉冲输出的全固 态高压电源实施方式框图，
其中300-交流充电电源；302-充电变压器原边绕组；304、306和308-充电单元； 310、312和314-充电变压器；316、318和320-整流桥；322、324和326-放电单元；328、330、 332、334、336、338、340、342、344、346、348 和 350-半导体开关；352、354、356、358、360、362、 364、366、368、370、372 和 374-开关驱动；376,378 和 380-储能电容；382-负载。
图4为采用隔离充电，并且放电单元为半桥电路结构的具有正负脉冲输出的全固 态高压电源实施方式框图，
其中400-交流充电电源；402-充电变压器原边绕组；404、406和408-充电单元； 410、412和414-充电变压器；416、418和420-整流桥；422、424和426-放电单元；428,430, 432、434、436 和 438-半导体开关；440、442、444、446、448 和 450-开关驱动；452、454、456、 458,460和462-储能电容；464-负载。
具体实施方式
本发明的实施方式中包括一系列串联连接的放电单元，以及与每个放电单元相对 应的充电单元。放电单元有两种结构，分别是半桥电路结构和全桥电路结构。充电单元也 有两种结构，分别是非隔离结构和隔离结构。因此，根据充电单元和放电单元结构形式的不 同，本发明可以分成四种实施方式。
实施例1
图1示出能够产生并向负载传送正负脉冲的全固态高压电源的一种实施方式。该 实施方式中的充电单元采用非隔离结构，放电单元采用全桥电路结构。该实施方式包括三 个充电单元和三个放电单元，但是熟悉本领域的技术人员应该认识到，可以包括更多或更 少单元。
该实施方式中的每一个充电单元包括一个二极管，一个半导体开关和开关驱动。 例如对于充电单元104，它包括二极管110，半导体开关116和开关驱动122。每一个放电单 元包括一个储能电容，四个半导体开关以及相应的开关驱动。例如对于放电单元128，它包 括储能电容182，半导体开关134、136、138和140，以及开关驱动158、160、162和164。
当全固态高压电源处于充电状态时，要对放电单元128、130和132中的储能电容 182、184和186充电。通过开关驱动122、124和126的控制信号，充电单元104、106和108 中的所有半导体开关116、118和120处于导通状态；通过开关驱动160、168和176的控 制信号，三个放电单元中的半导体开关136、144和152同样处于导通状态；通过开关驱动 158、162、164、166、170、172、174、178和180的控制信号，三个放电单元中的其他半导体开 关134、138、140、142、146、148、150、154和156处于关断状态。因此，直流充电电源100对储 能电容182、184和186并联充电。通路102表示来自直流充电电源100的对储能电容182 进行充电的电流通路。该电流通路经过了二极管110，半导体开关116和半导体开关140的 反并联二极管。类似地，对储能电容184充电的电流通路经过了二极管110、112，半导体开 关116、118和136，以及半导体开关148和140的反并联二极管；对储能电容186充电的电 流通路经过了二极管110、112和114，半导体开关116、118、120、144和136，以及半导体开 关156、148和140的反并联二极管。
当全固态高压电源处于放电状态时，如果要输出正向脉冲电压(相对于地电位)， 通过施加相应的开关驱动，使三个充电单元中的所有半导体开关116、118和120处于关 断状态；三个放电单元中每单元内的一对斜对角半导体开关，也就是136、138，144、146和 152、巧4处于关断状态，同时使三个放电单元中每单元内的另一对斜对角半导体开关，也就 是134、140，142、148和150、156处于导通状态。因此储能电容182、184和186对负载188 串联放电，输出正向脉冲电压。如果要输出负向脉冲电压(相对于地电位)，通过施加相应 的开关驱动，使三个充电单元中的所有半导体开关116、118和120处于关断状态，三个放电 单元中每单元内的一对斜对角半导体开关，也就是134、140，142、148和150、156处于关断状态，同时使三个放电单元中每单元内的另一对斜对角半导体开关，也就是136、138，144、 146和152、巧4处于导通状态。因此储能电容182、184和186对负载188串联放电，输出负 向脉冲电压。
实施例2
图2示出能够产生并向负载传送正负脉冲的全固态高压电源的另一种实施方式。 该实施方式中的充电单元采用非隔离结构，放电单元采用半桥电路结构。该实施方式包括 三个充电单元和三个放电单元，但是熟悉本领域的技术人员应该认识到，可以包括更多或 更少单元。
该实施方式中的每一个充电单元包括两个二极管，两个半导体开关和相应的开关 驱动。例如对于充电单元204，它包括二极管210、220，半导体开关222、232和开关驱动234、 2440每一个放电单元包括两个储能电容，两个半导体开关以及相应的开关驱动。例如对于 放电单元对6，它包括储能电容276、278，半导体开关252、254，以及开关驱动沈4、沈6。
当全固态高压电源处于充电状态时，要对放电单元对6、248和250中的储能电容 276、278、280、282、284 和 286 充电。通过开关驱动 234、236、238、240、242 和 244 的控制信 号，充电单元204,206和208中的所有半导体开关222、224、226、228、230和232处于导通 状态；通过开关驱动沈4、沈6、沈8、270、272和274的控制信号，三个放电单元中的所有半 导体开关252、254、256、258、260和262处于关断状态。因此，每个放电单元内的两个储能 电容先串联起来，然后由直流充电电源200对这三组储能电容，也就是276、278，280,282和 284,286并联充电。通路202表示来自直流充电电源200的对储能电容276和278进行充 电的电流通路。该电流通路经过了二极管210和220，半导体开关222和232。类似地，对 储能电容280和282充电的电流通路经过了二极管210、212、218和220，半导体开关222、 224,230和232 ；对储能电容284和286充电的电流通路经过了二极管210、212、214、216、 218 和 220，半导体开关 222、224、226、228、230 和 232。
当全固态高压电源处于放电状态时，如果要输出正向脉冲电压(相对于地电位)， 通过施加相应的开关驱动，使三个充电单元中的所有半导体开关222、224、226、228、230和 232处于关断状态；三个放电单元中的半导体开关252、256和260处于关断状态，同时使三 个放电单元中的半导体开关254、258和262处于导通状态。因此储能电容278、282和286 对负载观8串联放电，输出正向脉冲电压。如果要输出负向脉冲电压(相对于地电位)， 通过施加相应的开关驱动，使三个充电单元中的所有半导体开关222、224、226、228、230和 232处于关断状态；三个放电单元中的半导体开关254、258和262处于关断状态，同时使三 个放电单元中的半导体开关252、256和260处于导通状态。因此储能电容276、280和284 对负载观8串联放电，输出负向脉冲电压。
实施例3
图3示出能够产生并向负载传送正负脉冲的全固态高压电源的另一种实施方式。 该实施方式中的充电单元采用隔离结构，放电单元采用全桥电路结构。该实施方式包括三 个充电单元和三个放电单元，但是熟悉本领域的技术人员应该认识到，可以包括更多或更 少单元。
该实施方式中的每一个充电单元包括充电变压器和一个整流桥。例如对于充电单 元304，它包括充电变压器310和整流桥316。所有的充电变压器，包括310、312和314共享同一个原边绕组302。每一个放电单元包括一个储能电容，四个半导体开关以及相应的开 关驱动。例如对于放电单元322，它包括储能电容376，半导体开关3观、330、332和334，以 及开关驱动352,354,356和358。
当全固态高压电源处于充电状态时，交流电源300通过三个充电单元304、306和 308分别对三个放电单元322、3 和326中的储能电容376、378和380隔离充电。通过开 关驱动 352、354、356、358、360、362、364、366、368、370、372 和 374 的控制信号，三个放电单 元中的所有半导体开关 328、330、332、334、336、338、；340、；342、；344、；346、348 和 350 处于关断 状态。
当全固态高压电源处于放电状态时，可以选择是否继续对储能电容充电，这通过 控制交流电源充电的工作状态来实现。无论是否继续充电，都不会对高压电源的正常工作 有影响，所影响的是脉冲放电时传输到负载的能量。如果要输出正向脉冲电压(相对于地 电位)，通过施加相应的开关驱动，使三个放电单元中每单元内的一对斜对角半导体开关， 也就是330、332，338、340和346、348处于关断状态，同时使三个放电单元中每单元内的另 一对斜对角半导体开关，也就是328、334，336,342和344、350处于导通状态。因此储能电 容376、378和380对负载382串联放电，输出正向脉冲电压。如果要输出负向脉冲电压(相 对于地电位)，通过施加相应的开关驱动，使三个放电单元中每单元内一对斜对角半导体开 关，也就是328、334，336,342和344、350处于关断状态，同时使三个放电单元中每单元内的 另一对斜对角半导体开关，也就是330、332，338,340和346、348处于导通状态。因此储能 电容376、378和380对负载382串联放电，输出负向脉冲电压。
实施例4
图4示出能够产生并向负载传送正负脉冲的全固态高压电源的另一种实施方式。 该实施方式中的充电单元采用隔离结构，放电单元采用半桥电路结构。该实施方式包括三 个充电单元和三个放电单元，但是熟悉本领域的技术人员应该认识到，可以包括更多或更 少单元。
该实施方式中的每一个充电单元包括充电变压器和一个整流桥。例如对于充电单 元404，它包括充电变压器410和整流桥416。所有的充电变压器，包括410、412和414共 享同一个原边绕组402。每一个放电单元包括两个储能电容，两个半导体开关以及相应的开 关驱动。例如对于放电单元422，它包括储能电容452、454，半导体开关428、430，以及开关 驱动 440、442。
当全固态高压电源处于充电状态时，交流充电电源400通过三个充电单元404、 406和408分别对三个放电单元422、似4和似6中的三对串联的储能电容，也就是452、454， 456、458，和460,462隔离充电。通过开关驱动440、442、444、446、448和450的控制信号， 三个放电单元中的所有半导体开关似8、430、432、434、436和438处于关断状态。
当全固态高压电源处于放电状态时，可以选择是否继续对储能电容充电，这通过 控制交流电源充电的工作状态来实现。无论是否继续充电，都不会对高压电源的正常工作 有影响，所影响的是脉冲放电时传输到负载的能量。如果要输出正向脉冲电压(相对于地 电位)，通过施加相应的开关驱动，使三个放电单元中的半导体开关似8、432和436处于关 断状态，同时使三个放电单元中的半导体开关430、434和438处于导通状态。因此储能电 容454、458和462对负载464串联放电，输出正向脉冲电压。如果要输出负向脉冲电压(相对于地电位)，通过施加相应的开关驱动，使三个放电单元中的半导体开关430、434和438 处于关断状态，同时使三个放电单元中的半导体开关似8、432和436处于导通状态。因此 储能电容452、456和460对负载464串联放电，输出负向脉冲电压。
在以上四种实施方式中，放电单元中的半导体开关既可以是半控型半导体开关， 如晶闸管(SCR)，也可以是全控型半导体开关，如MOSFET或IGBT。如果所使用半导体开关 的内部没有集成反并联二极管(例如对于晶闸管和部分型号的IGBT)，那么需要对这些开 关外接反并联二极管。如果所使用半导体开关的内部已经集成了反并联二极管(例如对于 大多数的M0SFET)，那么就不需要外接二极管。
在以上四种实施方式中，如果放电单元中的半导体开关使用了晶闸管这类半控型 开关，那么要使开关断开，除了施加相应的开关驱动，还应该确保流过开关的电流小于开关 本身的维持电流。例如对于图1所示的第一种实施方式，当输出正向脉冲时，通过施加相应 的开关驱动，要使三个放电单元中的半导体开关136、138、144、146、152和巧4处于关断状 态，此时应该确保流过这些开关的电流小于开关本身的维持电流。如果放电单元中的半导 体开关使用了 IGBT或MOSFET这类全控型开关，那么无论在开关断开之前流过的电流或大 或小，只需要施加相应的开关驱动，开关即能关断。
权利要求
1.一种具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于，其包括一系列串联连接的 放电单元，以及与各个放电单元相连的充电单元；所述的一系列放电单元中的第一个和最 后一个单元用于连接到负载；每个放电单元包括数个半导体开关和与开关相连的储能电容。
2.按权利要求1所述的具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于，所述的开 关的类型是半控型半导体开关，或是全控型半导体开关。
3.按权利要求1所述的具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于，所述的每 一个放电单元的结构是全桥电路结构，或是半桥电路结构。
4.按权利要求2或3所述的具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于，在每一 套高压电源中，每一个放电单元的结构都保持一致；充电单元是二极管和半导体开关的组 合或是变压器和整流桥的组合，每一套所述的高压电源中，每一个充电单元的结构都保持 一致。
5.按权利要求3所述的具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于，所述的全 桥电路结构放电单元包括四个半导体开关和一个储能电容，同时包括相应的开关驱动；所 述的半桥电路结构放电单元包括两个半导体开关和两个储能电容，同时包括相应的开关驱动。
6.按权利要求2所述的具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于，所述的是 半控型半导体开关是晶闸管；所述的全控型半导体开关为MOSFET或IGBT。
7.按权利要求1所述的具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于，所述的充 电单元采用非隔离结构，放电单元采用全桥电路结构；所述的充电单元包括三个或更多或 更少充电单元和三个或更多或更少放电单元，其中的每一个充电单元包括一个二极管，一 个半导体开关和开关驱动，每一个放电单元包括一个储能电容，四个半导体开关以及相应 的开关驱动。
8.按权利要求1所述的具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于，所述的充 电单元采用非隔离结构，放电单元采用半桥电路结构；所述的充电单元三个或更多或更少 充电单元和三个或更多或更少放电单元，其中的每一个充电单元包括两个二极管，两个半 导体开关和相应的开关驱动，每一个放电单元包括两个储能电容，两个半导体开关以及相 应的开关驱动。
9.按权利要求1所述的具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于，所述的充 电单元采用隔离结构，放电单元采用全桥电路结构；所述的充电单元三个或更多或更少充 电单元和三个或更多或更少放电单元，其中的每一个充电单元包括充电变压器和一个整流 桥，每一个放电单元包括一个储能电容，四个半导体开关以及相应的开关驱动。
10.按权利要求1所述的具有正负脉冲输出的全固态高压电源，其特征在于，所述的充 电单元采用隔离结构，放电单元采用半桥电路结构，所述的充电单元三个或更多或更少充 电单元和三个或更多或更少放电单元，其中的每一个充电单元包括充电变压器和一个整流 桥，每一个放电单元包括两个储能电容，两个半导体开关以及相应的开关驱动。
全文摘要
本发明属于电源技术领域，涉及一种具有正负脉冲输出的全固态高压电源，包括一系列串联连接的放电单元，以及与各个放电单元相连的充电单元；所述的一系列放电单元中的第一个和最后一个单元用于连接到负载；每个放电单元包括数个半导体开关和与开关相连的储能电容。本发明可在不使用高压脉冲变压器和高压直流电源的情况下，利用半导体开关开通和关断的特性，将直流或交流低压转变为正负双向的高压脉冲，并且输出脉冲的宽度、频率和幅值都具有较大的可调节范围。本发明的全固态高压电源具有体积小、寿命长、故障率低的特点。在特定应用场合，本发明能够替代升压变压器。
文档编号H02M3/10GK102035378SQ200910196678
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者刘克富, 王冬冬, 邱剑 申请人:复旦大学