一种重复频率高压方波脉冲电源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及脉冲高压电源技术领域，具体而言，涉及一种重复频率高压方波脉冲电源。
【背景技术】
[0002]高压脉冲电源是将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短的时间内的高峰值功率输出。高压脉冲电源能够激励产生等离子体，主要用于材料表面改性、医学杀菌、治理环境污染以及航空航天等领域。与交流高频电源相比，高压脉冲电源激励产生等离子体区域大，作用效果强，均匀，发热不严重。因此，高压脉冲电源的研制受到了广泛的关注。开关对于高压脉冲电源十分重要，其性能将直接影响到输出脉冲的参数。传统的脉冲电源以火花间隙和闸流管等气体开关为主开关，这种开关重复频率低，寿命短，成本高，所以逐渐被大功率半导体开关取代，现在研制的重复频率脉冲电源大多采用半导体器件作为开关。
[0003]大多数高压脉冲电源通过脉冲变压器将电压提高，输出波形为类三角波或振荡波形。高压方波脉冲电源输出波形近似方波，波形良好，频率、电压幅值和脉宽等多参数可调，在等离子体应用领域有着广阔的应用前景。
[0004]目前脉宽可调的高压方波脉冲电源研制方案主要有四种方案:开关与传输线配合、开关串联、全固态Marx发生器、级联型电压叠加。专利CN101745178A中脉冲电源通过人工形成线、脉冲变压器以及可调节负载电阻等技术手段实现输出方波并且脉宽可调。Zorngiebel等人通过将45个IGBT串联组成耐压50kV、最大电流500A的开关模块(Zorngiebel V, Hecquard M, Spahn E, Welleman A, Scharnholz S.Modular 50~kVIGBT switch for pulsed-power applicat1ns[J].1EEE Transact1ns on PlasmaScience, 2011,39(1):364-367.)。复旦大学雷宇等人设计并制作了一种基于MOSFET的全固态Marx脉冲发生器(雷宇，邱剑，刘克富.150kV全固态高压脉冲发生器设计[J].强激光与粒子束，2012，24(3):258-262.)。前三种方案脉宽调节复杂，技术成本高，电源体积庞大，不易扩展等问题。
[0005]而采用级联型电压叠加方案研制的电源输出电压幅值、频率和宽度均可以方便的调节，电源能够高度模块化，便于扩展。哈工大巩春志等人研制的脉冲电源主电路采用级联型电压叠加拓扑，把12组脉冲单元模块串联起来，同步驱动模块采用隔离技术没有公布。其输出电压有很大的振荡，下降沿比上升沿长很多，波形与方波相差较大(巩春志，田修波，曹珍恩，朱宗涛，杨士勤.1OkV等离子体表面改性高压脉冲电源[J].强激光与粒子束，2007, 19(11): 1927-1930)。大连理工大学的戚栋等人研制的方波脉冲电源主电路也采用级联电压叠加拓扑，主电路单元模块数量可以改变，其IGBT驱动电路采用光电耦合器和独立供电电路实现(戚栋，王宁会.一种级联型结构的固体开关式高压脉冲电源的研制[J].电子器件，2006，29 (4): 1081-1084)。中科院电工所李文峰等人之前采用级联型电压叠加方式研制了一台可以输出方波和三角波的微秒脉冲电源(李文峰.基于半导体开关的高压微秒脉冲源研宄[D]，中国科学院大学，硕士论文，2013)。该电源主电路也才采用级联型电压叠加拓扑，驱动电路采用落木源IGBT驱动模块和锂电池组隔离供电，输出脉冲上升沿干扰较大，下降沿比上升沿长很多。
【发明内容】
[0006]为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构紧凑、参数可调范围大、输出脉冲下降沿很短、波形近似方波、可扩展性强的重复频率高压方波脉冲电源。
[0007]本发明提供了一种重复频率高压方波脉冲电源，包括控制电路、主电路、供电系统和辅助系统；
[0008]所述控制电路提供所述主电路的IGBT开关和切尾IGBT开关的驱动信号，并控制所述IGBT开关和所述切尾IGBT开关的开通时刻和开通持续时间；
[0009]所述主电路通过控制所述主电路的IGBT开关的开通与关断将整流得到的直流电开断为脉冲叠加输出，并且提供续流通道；
[0010]所述供电系统为所述控制电路、所述主电路和所述辅助系统供电，提供不同幅值的、隔离的电压；
[0011]所述辅助系统对所述主电路进行测量和保护，显示所述供电系统的输入电压，并在负载过流时切断电源输出。
[0012]作为本发明进一步的改进，所述控制电路包括光电转换模块、保护扩展模块、信号处理模块、开关桥模块和驱动脉冲输出模块；
[0013]所述光电转换模块的输出端与所述保护扩展模块的输入端相连，所述保护扩展模块的输出端与所述信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述开关桥模块的输入端相连，所述开关桥模块的输出端与所述驱动脉冲输出模块的输入端相连。
[0014]作为本发明进一步的改进，所述光电转换模块用于将输入的光纤信号转换成同步的电信号，包括光电转换器、第一限流电阻、第一滤波电容、第一发光二极管和第一储能电容；
[0015]所述光电转换器的I脚与所述光电转换器的9脚、所述第一滤波电容的一端和所述第一储能电容一端连接，所述第一滤波电容的另一端与所述第一储能电容的另一端、所述光电转换器的5脚、所述光电转换器的6脚和所述第一发光二极管的正极连接，所述第一发光二极管的负极与所述第一限流电阻的一端连接，所述第一限流电阻的另一端与所述光电转换器的4脚连接。
[0016]作为本发明进一步的改进，所述保护扩展模块用于将所述光电转换模块传输来的电信号转换成能够驱动信号处理模块的同步电信号，并且为控制电路提供扩展，包括CD4082BE芯片和第一 IXDN604芯片；
[0017]所述第一 IXDN604芯片的3脚与所述CD4082BE芯片的7脚连接，所述第一 IXDN604芯片的6脚与所述CD4082BE芯片的14脚和所述保护扩展模块的输出端子4连接，所述第一 IXDN604芯片的7脚与所述CD4082BE芯片的9脚和所述CD4082BE芯片2脚连接，所述⑶4082BE芯片的3脚与所述⑶4082BE芯片的12脚和所述保护扩展模块的输出端子I连接，所述⑶4082BE芯片的4脚与所述⑶4082BE芯片的11脚和所述保护扩展模块的输出端子2连接，所述⑶4082BE芯片的5脚与所述⑶4082BE芯片的10脚和所述保护扩展模块的输出端子3连接。
[0018]作为本发明进一步的改进，所述信号处理模块用于将所述保护扩展模块传输来的电信号转换成能驱动开关桥模块的同步电信号和由同步电信号下降沿触发的延时电信号，包括CD4098BE芯片、参数调节电阻、参数调节电容、第二 IXDN604芯片、第三IXDN604芯片、第一输出限流电阻和第二输出限流电阻；
[0019]所述⑶4098BE芯片的I脚与所述参数调节电容的一端连接，所述参数调节电容的另一端与所述参数调节电阻的一端连接，所述参数调节电阻的另一端与所述CD4098BE芯片的2脚、所述第二 IXDN604芯片的6脚和所述第三IXDN604芯片的6脚连接，所述CD4098BE芯片的4脚与所述CD4098BE芯片的8脚、所述第二 IXDN604芯片的3脚和所述第三IXDN604芯片的3脚连接，所述CD4098BE芯片的6脚与所述第三IXDN604芯片的2脚连接，所述第二 IXDN604芯片的7脚与所述第一输出限流电阻的一端连接，所述第一输出限流电阻的另一端与所述信号处理模块的输出端子I连接，所述第三IXDN604芯片的7脚与所述第二输出限流电阻的一端连接，所述第二输出限流电阻的另一端与所述信号处理模块的输出端子2连接。
[0020]作为本发明进一步的改进，所述开关桥模块根据所述信号处理模块传输来的同步电信号控制IGBT开关的开通与关断，产生具有驱动能力和反向关断功能的驱动信号，包括第一整流桥、第一充电电阻、指示电路限流电阻、第二发光二极管、第二储能电容、第二限流电阻、第二滤波电容、第三限流电阻、第一 HCPL3120光耦、第一稳压滤波电容、第一栅极电阻、第一栅射极间电阻、第一 IGBT开关、第一开关保护电阻、第一开关保护电容、第三滤波电容、第二 HCPL3120光耦、第二稳压滤波电容、第二栅极电阻、第二 IGBT开关、第二栅射极间电阻、第二开关保护电阻、第二开关保护电容、第三HCPL3120光耦、输出稳定电阻、第三稳压滤波电容、第三栅极电阻、第三IGBT开关、第三栅射极间电阻、第三开关保护电阻、第三开关保护电容、第四HCPL3120光耦、第四稳压滤波电容、第四栅极电阻、第四IGBT开关、第四栅射极间电阻、第四开关保护电阻和第四开关保护电容；
[0021]所述第一整流桥的两个交流输入端分别接所述开关桥模块的输入端子I和所述开关桥模块的输入端子2，所述第一整流桥的正极输出端与所述第一充电电阻的一端连接，所述第一充电电阻的另一端与所述指示电路限流电阻的一端、所述第二储能电容的一端、所述第二限流电阻的一端和所述第三限流电阻的一端连接，所述指示电路限流电阻的另一端与所述第二发光二极管的正极连接，所述第二发光二极管的负极与所述第一整流桥的负极输出端、所述第二储能电容的另一端、所述第二滤波电容的一端、所述第二稳压滤波电容的一端、所述第二 HCPL3120光耦的5脚、所述第二栅射极间电阻的一端、所述第二 IGBT开关的发射极、所述第二开关保护电容的一端、所述第三滤波电容的一端、所述第四稳压滤波电容的一端、所述第四HCPL3120光耦的5脚、所述第四栅射极间电阻的一端、所述第四IGBT开关的发射极和所述第四开关保护电容的一端连接，所述第二滤波电容的另一端与所述第二限流电阻的另一端、所述第三IGBT开关的集电极和所述第三开关保护电阻的一端连接，所述第三限流电阻的另一端与所述第一 IGBT开关的集电极、所述第一开关保护电阻的一端和所述第三滤波电容的一端连接，所述第一 HCPL3120光耦的3脚与所述第四HCPL3120光耦的2脚连接，所述第一 IGBT开关的发射极与所述第一开关保护电容的一端、所述第二IGBT开关的集电极、所述第二开关保护电阻的一端、所述第一栅射极间电阻的一端、所述第一 HCPL3120光親的5脚、所述第一稳压滤波电容的一端、所述输出稳定电阻的一端和所述开关桥模块的输出端子3连接，所述第一 HCPL3120光耦的6脚与所述第一 HCPL3120光耦的7脚和所述第一栅极电阻的一端连接，所述第一 HCPL3120光耦的8脚与所述第一稳压滤波电容的另一端、所述第一栅极电阻的另一端、所述第一栅射极间电阻的另一端和所述第一IGBT开关的栅极连接，所述第一开关保护电阻的另一端与所述第一开关保护电容的另一端连接，所述第二 HCPL3120光耦的2脚与所述第三HCPL3120光耦的3脚连接，所述第二HCPL3120光耦的8脚与所述第二稳压滤波电容的另一端连接，所述第二 HCPL3120光耦的6脚与所述第二 HCPL3120光耦的7脚和所述第二栅极电阻的一端连接，所述第二栅极电阻的另一端与所述第二 IGBT开关的栅极和所述第二栅射极间