本发明属于双极性脉冲调控领域，具体涉及一种双极性高压脉冲电源的控制系统及方法。
背景技术：
高压脉冲电源驱动的气体放电在材料科学、能源与环境、生物医学、军事与空间科学等领域具有重要和广泛的应用前景。在对大气压脉冲介质阻挡放电的模拟研究中发现[1]，双极性脉冲放电过程中，正半周期放电与单极性的正脉冲基本相同，下降沿第二次放电略低于第一次放电；负半周期放电与单极性负脉冲不同，可以在较低的电场中发生，因为正脉冲放电和负脉冲放电之间存在相互影响，正半周期放电产生大量的带电粒子，在负半周期放电开始时没有完全消失掉，使得整个放电空间的电子密度很高，因此不需要那么高的负电压。
国内外现有的纳秒脉冲源主要在纳秒脉冲频率和幅度上可调，无法使脉冲的上升/下降时间、频率、幅度、占空比、脉冲数、以及波形形状等全部参数非相关可控，负载特性匹配差，使放电结果受控困难，难以获得纳秒脉冲放电的系统性的放电特性和规律，对纳秒脉冲放电机理的解释难以形成共识。比如在能源化工领域，脉冲源和负载匹配困难，在航空航天领域，无法得到连续的流动和喘流控制，在生物医学领域，无法精准控制放电产生的活性粒子的剂量。因此，参数可调的纳秒脉冲源已成为纳秒脉冲放电等离子在国防和民用领域发展和应用的瓶颈。
[1]叶换换.针板电极下大气压脉冲介质阻挡放电模拟研究[D].大连理工大学,2014.
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种双极性高压脉冲电源的控制系统及方法，用于解决现有技术的问题，本发明能够得到正/负脉冲上升时间和下降时间、一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲电压、正/负脉冲宽度、脉冲频率和脉冲数可以灵活调节的双极性高压脉冲电源。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双极性高压脉冲电源的控制系统，包括串联连接的高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路，其中，高压正脉冲产生电路由一系列高压正脉冲模块组成，高压负脉冲产生电路由一系列高压负脉冲模块组成，所述高压正脉冲模块包括正脉冲控制模块、正脉冲开关模块以及正脉冲储能模块，正脉冲控制模块通过控制正脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定正脉冲储能模块充电或放电；所述高压负脉冲模块包括负脉冲控制模块、负脉冲开关模块以及负脉冲储能模块，负脉冲控制模块通过控制负脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定负脉冲储能模块充电或放电；所述产生双极性高压脉冲的装置还包括用于给正脉冲储能模块和负脉冲储能模块提供高压直流输入的高压直流电源模块，且高压直流电源模块与正脉冲储能模块及负脉冲储能模块之间相互隔离，以及用于给正脉冲控制模块、负脉冲控制模块、正脉冲开关模块、负脉冲开关模块以及高压直流电源模块提供工作电压的低压直流电源模块，还包括参数输入模块，所述参数输入模块与正脉冲控制模块和负脉冲控制模块连接，所述正脉冲控制模块和负脉冲控制模块用于调节双极性高压脉冲的参数。
进一步地，产生双极性脉冲的一个工作周期包括四个阶段，分别是：①高压正脉冲模块和高压负脉冲模块均处于充电状态，电路输出零电平；②高压正脉冲模块处于放电状态，高压负脉冲模块处于充电状态，电路输出高压正脉冲；③高压正脉冲模块和高压负脉冲模块均处于充电状态，电路输出零电平；④高压负脉冲模块处于放电状态，高压正脉冲模块处于充电状态，电路输出高压负脉冲；所述四个阶段能够任意组合，但是，阶段②和④之间必须至少间隔阶段①或阶段③，控制阶段②和阶段④之间时间的长短，即能够调节一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔。
进一步地，双极性高压脉冲的参数包括双极性高压脉冲的频率、正/负脉冲宽度、一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲的上升时间和下降时间、正/负脉冲的电压幅值和输出的脉冲数，且双极性高压脉冲的参数能够连续调节。
进一步地，正脉冲的上升时间和下降时间的调节方法具体为：正脉冲控制模块根据参数输入模块输入的正脉冲的上升时间和下降时间参数，产生特定的正脉冲控制信号，h级高压正脉冲产生电路的正脉冲控制模块给h个开关组分配不同的导通和关断的开始时间、持续时间和结束时间，其中h＝1，2，3，4，…，2m-1，h个开关组按一定时序依次导通或关断，得到具有不同上升时间和下降时间的正脉冲；
负脉冲的上升时间和下降时间的调节方法具体为：负脉冲控制模块根据参数输入模块输入的负脉冲的上升时间和下降时间参数，产生特定的负脉冲控制信号，j级高压负脉冲产生电路的负脉冲控制模块给j个开关组分配不同的导通和关断的开始时间、持续时间和结束时间，其中j＝1，2，3，4，…，2m-1，且h+j＝2m，j个开关组按一定时序依次导通或关断，得到具有不同上升时间和下降时间的负脉冲。
进一步地，正脉冲的电压幅值的调节方法具体为：在外加高压直流电源时，正脉冲控制模块根据参数输入模块输入的正脉冲的电压幅值产生特定的控制信号，控制高压直流电源模块输出一定的电压，达到正脉冲所需的电压幅值；
负脉冲的电压幅值的调节方法具体为：在外加高压直流电源时，负脉冲控制模块根据参数输入模块输入的负脉冲的电压幅值产生特定的控制信号，控制高压直流电源模块输出一定的电压，达到负脉冲所需的电压幅值。
进一步地，双极性高压脉冲的频率的调节方法为：正脉冲控制模块和负脉冲控制模块根据参数输入模块输入的双极性脉冲频率，产生不同频率的控制信号，分别控制高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路中的开关组，使双极性高压脉冲按照特定的频率持续产生。
进一步地，正脉冲宽度的调节方法为：在高压正脉冲产生电路中，所有工作的开关组都完全导通后，维持相同的导通时间，再开始按照一定的顺序关断，使高压正脉冲具有所需的脉冲宽度；
负脉冲宽度的调节方法为：在高压负脉冲产生电路中，所有工作的开关组都完全导通后，维持相同的导通时间，再开始按照一定的顺序关断，从而使高压负脉冲具有所需的脉冲宽度。
进一步地，输出的脉冲数的调节方法具体为：如果参数输入模块设置有确定的脉冲数，当正脉冲控制模块和负脉冲控制模块中的计数器均计到目标脉冲数时，正脉冲控制模块和负脉冲控制模块分别控制高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路停止产生脉冲，从而输出所需的脉冲数；如果参数输入模块未设置脉冲数，或者设置的脉冲数超过允许的范围，电路则输出无穷多个脉冲。
进一步地，正脉冲宽度、正脉冲的上升时间和下降时间以及正脉冲的电压幅值通过正脉冲控制模块改变正脉冲开关模块中开关的工作状态来调节；负脉冲宽度、负脉冲的上升时间和下降时间以及负脉冲的电压幅值通过负脉冲控制模块改变负脉冲开关模块中开关的工作状态来调节。
进一步地，正脉冲控制模块和负脉冲控制模块为现场可编程逻辑门阵列、专用集成电路、复杂可编程逻辑器件、单片机、数字信号处理芯片、ARM处理器或计算机。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
根据本发明所述的双极性高压脉冲电源的控制系统及方法，每一级的固体开关模块均可单独控制，通过可编程的控制模块精确控制和补偿MOSFET器件之间的导通和关断时间差异，以及不同级MOSFET的开关时序，可实现输出正/负脉冲上升/下降时间以及一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲电压、正/负脉冲宽度、脉冲频率和脉冲数等其它参数的连续调节，以及电路的安全可靠工作，满足不同脉冲放电研究所需。
此外，本发明获得精准的脉冲波形能够用于进行放电机理、放电特性和其它应用基础研究。不同研究人员在开展同类研究时得到的研究结果可以比对，会极大的促进大气压脉冲等离子放电机理和应用研究。正负脉冲交替输出的脉冲源，在脉冲等离子放电研究中，有利于发现一些脉冲放电的新现象、新特性和新规律。
附图说明
图1是本发明提出的双极性高压脉冲电源控制方法流程图；
图2是本发明中双极性高压脉冲的全部可调参数示意图；
图3是本发明中的双极性高压脉冲电源的一种可以实现的装置；
图4是高压正脉冲产生电路中，部分高端开关处于导通状态，且导通开始时间间隔非均匀分配的开关组工作时序图；
图5是高压正脉冲产生电路中，全部高端开关处于导通状态，且导通开始时间间隔均匀分配的开关组工作时序图；
图6是高压负脉冲产生电路中，部分低端开关处于导通状态，且导通开始时间间隔非均匀分配的开关组工作时序图；
图7是高压负脉冲产生电路中，全部低端开关处于导通状态，且导通开始时间间隔均匀分配的开关组工作时序图；
图8是高压正脉冲产生电路中，部分高端开关处于关断状态，且关断开始时间间隔间隔非均匀分配的开关组工作时序图；
图9是高压正脉冲产生电路中，全部高端开关处于关断状态，且关断开始时间间隔间隔均匀分配的开关组工作时序图；
图10是高压负脉冲产生电路中，部分低端开关处于关断状态，且关断开始时间间隔间隔非均匀分配的开关组工作时序图；
图11是高压负脉冲产生电路中，全部低端开关处于关断状态，且关断开始时间间隔间隔均匀分配的开关组工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图3，一种双极性高压脉冲电源的控制系统，包括串联连接的高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路，其中，高压正脉冲产生电路由一系列高压正脉冲模块组成，高压负脉冲产生电路由一系列高压负脉冲模块组成，所述高压正脉冲模块包括正脉冲控制模块、正脉冲开关模块以及正脉冲储能模块，正脉冲控制模块通过控制正脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定正脉冲储能模块充电或放电；所述高压负脉冲模块包括负脉冲控制模块、负脉冲开关模块以及负脉冲储能模块，负脉冲控制模块通过控制负脉冲开关模块中每个开关的导通或关断决定负脉冲储能模块充电或放电；所述产生双极性高压脉冲的装置还包括用于给正脉冲储能模块和负脉冲储能模块提供高压直流输入的高压直流电源模块，且高压直流电源模块与正脉冲储能模块及负脉冲储能模块之间相互隔离，以及用于给正脉冲控制模块、负脉冲控制模块、正脉冲开关模块、负脉冲开关模块以及高压直流电源模块提供工作电压的低压直流电源模块，还包括参数输入模块，所述参数输入模块与正脉冲控制模块和负脉冲控制模块连接，所述正脉冲控制模块和负脉冲控制模块用于调节双极性高压脉冲的参数。
参见图2所示，根据本发明所示的双极性高压脉冲电源的控制系统及方法，能够实现包括正/负脉冲上升时间和下降时间、一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲电压、正/负脉冲宽度、脉冲频率和脉冲数等参数的全部连续或非连续可调。
所述正脉冲开关模块包括h级开关组，负脉冲开关模块包括j级开关组，且h≥1，j≥1，h+j＝2m，2m级开关组悬浮级联，每级开关组包括高端固态开关Kai和低端固态开关Kbi其中，i＝1,2，…，2m高端固态开关Kai和低端固态开关Kbi连接的节点为每级开关组的高压输出Vout，每级开关组的地端GND为低端固态开关Kbi的另一端，每级开关组的电源端Vp为高端固态开关Kai的另一端，在高压正脉冲产生电路中，高一级开关组SWh+1的地端GND和低一级开关组SWh的电源输出端Vout直接相连，其中h＝1，2，3，…，2m；在高压负脉冲产生电路中，高一级开关组SWj+1的电源端Vp和低一级开关组SWj的电源输出端Vout直接相连，其中j＝1，2，3，…，2m，且h≠j，高端固态开关Kai为一个开关或多个开关，且多个开关之间并联或串联连接；低端固态开关Kbi为一个开关或多个开关，且多个开关之间并联或串联连接，每级开关组的高端固态开关Kai和低端固态开关Kbi能够同时关闭，但不能同时导通。
双极性高压脉冲产生电路的前半部分由高压正脉冲模块组成，后半部分由高压负脉冲模块组成；或双极性高压脉冲产生电路的前半部分由高压负脉冲模块组成，后半部分由高压正脉冲模块组成；或双极性高压脉冲产生电路由高压正脉冲模块和高压负脉冲模块任意交错级联组成，即双极性高压脉冲产生电路的每一级为高压正脉冲模块或高压负脉冲模块，但是，至少有一级必须是和其它级是不一样的模块，高压直流电源模块与正脉冲储能模块及负脉冲储能模块之间通过变压器进行隔离或通过单向导通器件进行隔离；当采用单向导通器件进行隔离时，在高压正脉冲产生电路中，单向导通器件连接在高压直流电源模块的输出高端和正脉冲储能模块的输入高端之间；在高压负脉冲产生电路中，单向导通器件连接在高压直流电源模块的输出低端和负脉冲储能模块的输入低端之间。
一种双极性高压脉冲电源的控制方法，实现该方法的关键装置是，参数输入模块、控制模块、固体开关组模块和高压直流电源模块。控制模块根据输入的双极性脉冲参数，产生相应的控制信号，控制固体开关组中的每一个开关，实现对双极性脉冲参数的调节，通过控制以悬浮方式级联的固体开关组模块中各个开关的工作状态，实现输出双极性高压脉冲波形参数的调节。其中，双极性高压脉冲波形参数包括双极性高压脉冲的频率、正/负脉冲宽度(占空比)、一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲的上升时间和下降时间、正/负脉冲宽度和输出的脉冲数等，以上参数在允许范围内可以一定步长调节，双极性高压脉冲中，正脉冲波形参数可以通过控制模块改变高压正脉冲产生电路中的开关状态来调节；负脉冲波形的参数可以通过控制模块改变高压负脉冲产生电路中的开关状态来调节，本发明提出的控制方法，可以对不同结构的双极性高压脉冲产生电路进行控制，例如该双极性高压脉冲电路的结构可以是前部分由高压正脉冲产生电路组成，后部分由高压负脉冲产生电路组成；可以是前部分由高压负脉冲产生电路组成，后部分由高压正脉冲产生电路组成。还可以是高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路的任意交错级联，产生控制信号的控制模块可以是现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、单片机、数字信号处理芯片(DSP)、ARM处理器、计算机等，固体开关组模块中的每一个开关都有其固定的控制端，通过接收控制模块发出的控制信号，开关进入相应的工作状态，固体开关组模块所接收到的控制信号可以是周期性的，也可以是非周期性的；可以是部分时段周期性的，也可以是部分时段非周期性的。
控制模块控制每一个开关组中的高端开关Kai和低端开关Kbi可以同时关断，但是不能同时导通，在控制模块的控制下，固体开关组模块中的开关组之间，可以有不同的导通和关断开始时间、持续时间和结束时间，也可以有相同的导通和关断的开始时间、持续时间和结束时间，实现对每一个开关工作时序的控制。其中，第一个导通的开关可以是第一个关断的，也可以不是第一个关断的。
双极性脉冲的一个工作周期可分为四个工作阶段，分别是：①高压正脉冲模块和高压负脉冲模块均处于充电状态；②高压正脉冲模块处于放电状态，高压负脉冲模块处于充电状态；③高压正脉冲模块和高压负脉冲模块均处于充电状态；④高压负脉冲模块处于放电状态，高压正脉冲模块处于充电状态。这四个阶段可以任意组合，但是，阶段②和④之间必须至少间隔一个高压正脉冲模块和高压负脉冲模块都处于充电的阶段。控制该阶段时间的长短，可以调节一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔。在不同周期中，正脉冲和负脉冲之间的时间间隔可以是相同的，也可以是不同的。
控制模块根据设置的正脉冲的上升时间和下降时间参数，产生特定的正脉冲控制信号，h级(h＝1，2，3，4，…，2m-1)高压正脉冲产生电路的控制模块给h个开关组分配不同的导通和关断的开始时间、持续时间和结束时间，h个开关组按一定时序依次导通或关断，得到具有不同上升时间和下降时间的正脉冲。正脉冲的上升时间和下降时间可以一定步长可调的；控制模块根据设置的负脉冲的上升时间和下降时间参数，产生特定的负脉冲控制信号，j级(j＝1，2，3，4，…，2m-1，其中h+j＝2m)高压负脉冲产生电路的控制模块给j个开关组分配不同的导通和关断的开始时间、持续时间和结束时间，j个开关组按一定时序依次导通或关断，得到具有不同上升时间和下降时间的负脉冲。负脉冲的上升时间和下降时间是以一定步长可调的。其中，正脉冲和负脉冲的上升时间和下降时间可以是相同的，也可以是不相同的。
在产生正脉冲上升沿和下降沿时，h个高压正脉冲模块可以都处于放电工作阶段，也可以只有部分处于放电工作阶段；各个高压正脉冲模块的上升和下降时间的延时分配方式可以是均匀分配，也可以是非均匀分配；在产生负脉冲的上升沿和下降沿时，j个高压负脉冲模块可以都处于放电工作阶段，也可以只有部分处于放电工作阶段；各个高压负脉冲模块的上升和下降时间的延时分配方式可以是均匀分配，也可以是非均匀分配。
在外加高压直流电源时，正脉冲控制模块根据所需正脉冲的电压幅值产生特定的控制信号，控制每一个开关组产生一定的电压，各个正脉冲开关组通过叠加，达到正脉冲所需的电压幅值。正脉冲的电压幅值是连续可调的。在外加直流高压电源时，负脉冲控制模块根据所需负脉冲的电压幅值产生特定的控制信号，控制每一个开关组产生一定的电压，各个负脉冲开关组通过叠加，达到负脉冲所需的电压幅值。负脉冲的电压幅值是连续可调的。正脉冲和负脉冲的电压幅值可以是相同的，也可以是不同的。
在产生一定电压幅值的正脉冲时，h个高压正脉冲模块可以都处于放电工作阶段，也可以只有部分处于放电工作阶段；各个高压正脉冲模块的电压幅值参数的分配方式可以均匀分配，也可以是非均匀分配；在产生一定电压幅值的负脉冲时，j个高压负脉冲模块可以都处于放电工作阶段，也可以只有部分处于放电工作阶段；各个高压负脉冲模块的电压幅值参数的分配方式可以均匀分配，也可以是非均匀分配。
控制模块根据所需的双极性脉冲频率，产生不同频率的控制信号，控制高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路中的开关组，可以是周期性地导通和关断，也可以是非周期性的导通和关断，还可以是以任意时间间隔的导通和关断，从而使双极性高压脉冲按照特定的频率持续产生。频率在允许范围内是以一定步长可调的。
在高压正脉冲产生电路中，所有工作的开关组都完全导通后，维持相同的导通时间，再开始按照一定的顺序关断，可以使高压正脉冲具有所需的脉冲宽度。正脉冲的宽度在一定范围内是以一定步长可调的。在高压负脉冲产生电路中，所有工作的开关组都完全导通后，维持相同的导通时间，再开始按照一定的顺序关断，从而使高压负脉冲具有所需的脉冲宽度。负脉冲的宽度在一定范围内是以一定步长可调的。
控制模块根据设置的参数可以产生周期性的控制信号，控制开关模块进行周期性的导通和关断，输出周期性的双极性高压脉冲；如果设置有确定的脉冲数，当控制模块中的计数器计到目标脉冲数时，控制模块会控制高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路停止产生脉冲，从而输出所需的脉冲数。如果没有设置脉冲数，或者设置的脉冲数超过允许的范围，电路会输出无穷多个脉冲。
下面对本发明的实施过程做详细描述：
本发明涉及一种双极性高压脉冲电源的控制方法，通过控制模块控制开关模块中每个开关导通和关断的起始时间、持续时间以及结束时间，实现对双极性高压脉冲波形参数的调节。双极性高压脉冲的参数，如正/负脉冲的上升时间和下降时间、频率、正/负脉冲宽度(占空比)、一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲电压幅度及输出的脉冲数等都由控制模块产生的控制信号控制，最终通过高压电路输出所需特征参数的双极性高压脉冲波形，如图1所示，第一步，在参数输入模块输入所需双极性脉冲波形的各个参数，第二步，高压正脉冲产生电路中的控制模块对参数输入模块中关于正脉冲的各项参数进行分析并产生相应的控制信号，固体开关组中的每一个开关都有一个控制端用于接收该控制信号。控制信号使固体开关组中的每个开关按照一定的时序导通和关断；高压负脉冲产生电路中的控制模块对参数输入模块中关于负脉冲的各项参数进行分析并产生相应的控制信号，固体开关组中的每一个开关都有一个控制端用于接收该控制信号，控制信号使固体开关组中的每个开关按照一定的时序导通和关断。第三步，高压直流电源模块对与固体开关组并联的储能电容模块充电。最后，高压脉冲电路每一级的电压叠加，在最后一级输出所需波形参数特征的双极性脉冲。
本发明所述的双极性高压脉冲电源主要由高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路组成。高压正脉冲产生电路(共h级，h＝1，2，3，…，2m-1)和高压负脉冲产生电路(共j级，j＝1，2，3，…，2m-1且h+j＝2m)共2m级(m＝1，2，3，4，…，500)，这2m级电路通过悬浮级联的方式连接在一起。本发明中所述的双极性高压脉冲电源控制方法的具体过程是，通过参数输入模块输入高压正脉冲/负脉冲的波形参数，控制模块根据输入的参数产生一定的控制信号(共2m路)，每一级高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路中均有一个固体开关组，固体开关组中的每一个开关都有一个控制端，用于接收控制信号。控制信号通过控制每一个固体开关组的工作状态决定与开关组并联的储能电容的充放电状态。当储能电容处于充电状态时，该级电路的输出为零电平；否则，若该级电路是高压正脉冲产生电路，则该级电路输出正高压；若该级电路是高压负脉冲产生电路，则该级电路输出负高压。2m级电路的输出电压叠加即可产生所需波形特征参数的双极性脉冲。
本发明所述的控制方法可以通过控制模块，改变正脉冲产生电路中的开关状态来调节正脉冲的波形参数；也可以通过控制模块，改变负脉冲产生电路中的开关状态来调节负脉冲的波形参数。本发明控制方法灵活，可获得全部参数可调的双极性高压脉冲波形。
双极性脉冲源的输出由控制模块和固体开关组模块的配合来实现。本发明以图3所示的双极性高压脉冲电路为例进行说明。图3所示的双极性高压脉冲电路由m级高压正脉冲产生电路和m级高压负脉冲产生电路组成。电路中的2m个固体开关组悬浮级联，高压直流电源对与每个开关组并联的储能电容充电，每个开关组的导通和关断决定与开关组并联的储能电容的充放电状态。当储能电容处于充电状态时，该级电路的输出为零电平；当储能电容处于非充电状态时，若该级电路是高压正脉冲产生电路，则该级电路输出正高压；若该级电路是高压负脉冲产生电路，则该级电路输出负高压。通过控制每一个开关的工作状态可控制电路最终输出的高压双极性脉冲。
本发明所述的控制方法中，双极性高压脉冲中正脉冲波形的各个参数可以通过高压正脉冲产生电路中的控制模块改变对应开关的状态来调节。双极性高压脉冲中，负脉冲波形的各个参数可以通过高压负脉冲产生电路中的控制模块改变对应开关的状态来调节。其中，控制2m个固体开关组开关时序的信号可以是周期性信号、也可以是非周期性信号；可以是部分周期性信号，也可以是部分非周期性信号。因此，输出的双极性高压脉冲可以是周期性的双极性高压脉冲、也可以是非周期性的双极性高压脉冲；可以是有限个数的双极性高压脉冲，也可以是无限个数的高压脉冲。
下面以具体例子进行说明：
一种双极性高压脉冲电源的控制方法的流程如图1所示。参数输入模块用于设置双极性脉冲参数，如正/负脉冲上升沿和下降沿、一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔、正/负脉冲电压、正/负脉冲宽度、脉冲频率和脉冲数等。参数输入模块将各个参数送到电源的控制模块，高压正脉冲产生电路中的控制模块根据送入的正脉冲的参数产生相应的控制信号，高压负脉冲产生电路中的控制模块根据送入的负脉冲的参数产生相应的控制信号，控制信号控制固体开关组模块中每一个开关的导通和关断的开始时间、持续时间和结束时间。高压直流电源作为固体开关组的驱动，每一组开关的导通或关断状态决定了这一级电路的高压输出，2m级电路的输出叠加产生所需波形参数特征的双极性脉冲。下面，对调节双极性高压脉冲各个参数的具体过程进行说明。可能用到的参数或变量的名称如下：
固体开关组的总数量及其对应控制信号的路数2m(m＝2，3，…，500)；
2m个固体开关组分别为SW1，SW2，…，SWi(i＝1，2，3，4，……，1000)
高压正脉冲产生电路的级数及其对应控制信号的路数m(m＝2，3，…，500)；
高压负脉冲产生电路的级数及其对应控制信号的路数m(m＝2，3，…，500)；
固体开关组模块中每个开关的固有导通延时t1；
固体开关组模块中每个开关的固有关断延时t2；
输出正脉冲上升沿参数Tp1；
输出正脉冲下降沿参数Tp2；
输出负脉冲上升沿参数Tn1；
输出负脉冲下降沿参数Tn2；
开关组的开始导通或开始关断延时参数tx(延时均匀分配)，txi(延时非均匀分配；i＝1，2，3，4，……，1000)；
输出的正脉冲宽度参数为tp0；
输出的负脉冲宽度参数为tn0；
周期性双极性脉冲的频率为f；
一个周期内正脉冲和负脉冲之间的时间间隔为tg。
本发明中控制模块产生的控制信号共2m路，控制信号分别为G1，G2，…，G2m，分别对固体开关组模块中的每一个开关组进行参数控制和分配。这里的控制信号可以是包含双极性脉冲全部参数信息的单一控制信号，也可以是一个脉冲周期里分别具有各个参数信息的一系列控制信号的总和。控制信号控制固体开关组中每一个开关的工作状态，同一个开关组里面的高端开关Ka和低端开关Kb可以同时关断，但是不能同时导通。在实际应用中，每个开关都不是理想的，导通和关断都不是瞬间完成的且每个开关的各项参数不可能都是完全相同的，本发明中所使用的开关均为同一种开关，假设开关的导通延时是一个常数t1，开关的关断延时是一个常数t2，假设固体开关组中的所有开关在控制信号为高电平时导通，低电平时开关关断，也就是说当控制信号G1，G2，…，G2m为高电平时，固态开关组模块中的高端开关Ka1，Ka2，…，Ka2m导通，对应的低端开关Kb1，Kb2，…，Kb2m关断；当控制信号G1，G2，…，G2m为低电平时，固态开关组模块中的高端开关Ka1，Ka2，…，Ka2m关断，对应的低端开关Kb1，Kb2，…，Kb2m导通。
本发明所述的双极性高压脉冲电源，高压正脉冲产生电路中的每一级开关组在高端开关导通，低端开关关断时，输出正脉冲；当高端开关关断，低端开关导通时，高压正脉冲产生电路处于充电状态。高压负脉冲产生电路中的每一级开关组在低端开关导通，高端开关关断时，输出负脉冲；当低端开关关断，高端开关导通时，负脉冲电路处于充电状态。在下面具体实施例中，由于每个开关组中的高端开关Ka和低端开关Kb的控制信号是反相的，所以为了阐述方便，在实施例中只给出了高端开关的工作时序或低端开关的工作时序。
对高压正脉冲和高压负脉冲上升时间和下降时间参数的调控，实际上是对开关组模块导通时序的控制。图4是高压正脉冲产生电路中部分高端开关处于导通状态，且导通开始时间间隔非均匀分配，对应的各个开关组工作时序图。设置正脉冲的上升时间为Tp1(Tp1≥t1)，在如图4所示的控制方法中，m级正脉冲产生电路中只有部分(u级开关组，u≤m)处于工作状态用于产生正脉冲，即控制模块将上升时间延时Tp1分配给这u个开关组模块，经过tx1的延时，第一个开关组的高端开关Ka1开始打开，导通延时为t1，即经过tx1+t1时间后Ka1完全导通。第一个开关组的高端开关Ka1开始打开后经过tx2的延时，第二个开关组的高端开关Ka2开始打开，导通时间为t1，即经过tx1+tx2+t1时间后第二个开关组的高端开关Ka2完全导通。依次类推，从第一个开关组的高端开关Ka1开始导通，到第u个开关组的高端开关Kau也开始打开并经过时间t1完全导通时，所用的时间即为正脉冲的上升时间Tp1，即Tp1＝tx1+tx2+……+txu+t1。电路的第u+1，u+2，…，m的高端开关Ka(u+1)，Ka(u+2)，…，Kam的工作电平在上述整个过程一直是零电平，电路的第m+1，m+2，…，2m级电路中的高端开关Ka(m+1)，Ka(m+2)，…，Ka2m在t＝0时刻开始导通，即负脉冲产生电路全部处于充电状态，输出零电平。
如图5所示，在产生正脉冲的上升沿时，高压正脉冲产生电路中的高端开关Ka1，Ka2，…，Kam可以全部处于导通状态，并且导通开始时间间隔间隔为均匀分配。高压正脉冲产生电路共m级，当t＝0时刻第一个开关组的高端开关Ka1开始打开，经过延时tx后第二个开关组的高端开关Ka2开始打开，再经过延时tx，第三个开关组的高端开关Ka3开始打开，依次类推，经过时间t＝(m-1)*tx+t1时间后，高压正脉冲产生电路中所有固体开关组模块中的高端开关完全导通。如果满足(m-1)*tx+t1＝Tp1，(其中Tp1≥t1)则能够实现设置的正脉冲上升时间。电路的第m+1，m+2，…，2m级电路中的高端开关Ka(m+1)，Ka(m+2)，…，Ka2m在t＝0时刻开始导通，即负脉冲产生电路全部处于充电状态，输出零电平。
高压负脉冲的上升时间参数调节与正脉冲的上升时间参数的调节原理是相同的，可以是高压负脉冲产生电路中的低端开关Kb(m+1)，Kb(m+2)，…，Kb2m部分处于导通状态，且导通开始时间间隔非均匀分配。如图6所示，设置负脉冲上升时间为Tn1，m级负脉冲产生电路中只有部分(v级开关组，v≤m)处于工作状态，控制模块将上升时间Tn1分配给这v个开关组模块，经过tx1的延时，负脉冲产生电路的第一级，即第m+1级电路的低端开关Kb(m+1)开始打开，导通延时为t1，即经过tx1+t1时间后第m+1级电路的低端开关Kb(m+1)完全导通。第m+1级电路的低端开关Kb(m+1)开始打开后经过tx2的延时，第m+2级电路的低端开关Kb(m+2)开始打开，导通时间为t1，即经过tx1+tx2+t1时间后第m+2级电路的低端开关Kb(m+2)完全导通。依次类推，从负脉冲产生电路的第一个开关组的低端开关Kb(m+1)开始导通，到负脉冲产生电路的第v个开关组的低端开关Kb(m+v)也开始打开并经过时间t1完全导通时，所用的时间即为负脉冲的上升时间Tn1，即Tn1＝tx1+tx2+……+txv+t1。电路的第1，2，…，m的低端开关Kb1，Kb2，…，Kbm的工作电平在上述整个过程一直是高电平，电路的第m+v+1，m+v+2，…，2m级电路中的低端开关Kb(m+v+1)，Kb(m+v+2)，…，Kb2m在整个过程工作电平一直是低电平，即就是说高压正脉冲产生电路处于充电状态，不输出正脉冲。
如图7所示，在产生负脉冲的上升时间时，还可以是高压负脉冲产生电路中的低端开关Kb(m+1)，Kb(m+2)，…，Kb2m全部处于导通状态，并且导通开始时间间隔分配方式为均匀分配。高压负脉冲产生电路共m级，在t＝0时，负脉冲产生电路的第一级，即第m+1级电路的低端开关Kb(m+1)开始打开，导通延时为t1，即经过t1时间后第m+1级电路的低端开关Kb(m+1)完全导通。第m+1级电路的低端开关Kb(m+1)开始打开后经过tx的延时，第m+2级电路的低端开关Kb(m+2)开始打开，导通时间为t1，即经过tx+t1时间后第m+2级电路的低端开关Kb(m+2)完全导通。依次类推，从负脉冲产生电路的第一个开关组的低端开关Kb(m+1)开始导通，到负脉冲产生电路的第m个开关组的低端开关Kb2m也开始打开并经过时间t1完全导通时，所用的时间即为负脉冲的上升时间Tn1，即Tn1＝(m-1)tx+t1。电路的第1，2，…，m的低端开关Kb1，Kb2，…，Kbm的工作电平在上述整个过程一直是低电平，即就是说高压正脉冲产生电路处于充电状态，不输出正脉冲。
如图8所示，是高压正脉冲产生电路中部分开关处于关断状态，且关断开始时间间隔非均匀分配的下降沿对应的各个开关组工作时序图。设置正脉冲的下降沿为Tp2(Tp2≥t1)，在如图3所示的控制方法中，m级正脉冲产生电路中只有部分(u级开关组，u≤m)处于工作状态用于产生正脉冲，即控制模块将下降时间Tp2分配给这u个开关组模块，经过tx1的延时，第一个开关组的高端开关Ka1开始断开，关断延时为t2，即经过tx1+t2时间后第一个开关组的高端开关Ka1完全关断。第一个开关组的高端开关Ka1开始关断后经过tx2的延时，第二个开关组的高端开关Ka2开始关断，关断延时为t2，即经过tx1+tx2+t2时间后第二个开关组的高端开关Ka2完全关断。依次类推，从第一个开关组的高端开关Ka1开始关断，到第u个开关组的高端开关Kau也开始关断并经过时间t2完全关断时，所用的时间即为正脉冲的下降沿Tp2，即Tp2＝tx1+tx2+……+txu+t2。电路的第u+1，u+2，…，m级的高端开关Ka(u+1)，Ka(u+2)，…，Kam的工作电平在上述整个过程一直是零电平，电路的第m+1，m+2，…，2m级电路中的高端开关Ka(m+1)，Ka(m+2)，…，Ka2m在t＝0时刻开始导通，即就是说负脉冲产生电路处于充电状态，不输出负脉冲。
如图9所示，高压正脉冲下降时间的参数调节方式是高压正脉冲产生电路中全部高端开关处于关断状态，且关断开始时间间隔均匀分配到每一个开关。如图8所示，当t＝0时刻第一个开关组的高端开关Ka1开始关断，经过延时tx后第二个开关组的高端开关Ka2开始关断，再经过延时tx，第三个开关组的高端开关Ka3开始关断，依次类推，经过时间t＝(m-1)*tx+t2时间后，高压正脉冲产生电路中所有固体开关组模块中的高端开关全部关断。如果满足(m-1)*tx+t2＝Tp2，(其中Tp2≥t1)则能够实现设置的正脉冲下降时间。电路的第m+1，m+2，…，2m级电路中的高端开关Ka(m+1)，Ka(m+2)，…，Ka2m在t＝0时刻开始导通，即负脉冲产生电路全部处于充电状态，不输出负脉冲。
如图10所示，高压负脉冲下降时间的参数调节方式是高压负脉冲产生电路的低端开关Kb(m+1)，Kb(m+2)，…，Kb2m中的部分开关处于关断状态，且关断开始时间间隔非均匀分配到每一个开关。如图9所示，设置负脉冲下降沿为Tn2，m级负脉冲产生电路中只有部分(v级开关组，v≤m)处于工作状态，控制模块将负脉冲下降沿延时Tn2分配给这v个开关组，经过tx1的延时，负脉冲产生电路的第一级，即第m+1级电路的低端开关Kb(m+1)开始关断，关断延时为t2，即经过tx1+t2时间后第m+2级电路的低端开关Kb(m+1)完全关断。第m+1级电路的低端开关Kb(m+1)开始关断后经过tx2的延时，第m+2级电路的低端开关Kb(m+2)开始关断，关断延时为t2，即经过tx1+tx2+t2时间后第m+2级电路的低端开关Kb(m+2)完全关断。依次类推，从负脉冲产生电路的第一个开关组的低端开关Kb(m+1)开始关断，到负脉冲产生电路的第v个开关组的低端开关Kb(m+v)也开始关断并经过时间t2完全关断时，所用的时间即为负脉冲的下降沿Tn2，即Tn2＝tx1+tx2+……+txv+t2。电路的第m+v+1，m+v+2，…，2m的低端开关Kb(v+1)，Kb(v+2)，…，Kb2m的工作电平在上述整个过程一直是零电平，电路的第1，2，…，m级电路中的低端开关Kb1，Kb2，…，Kbm在t＝0时刻开始导通，即就是说高压正脉冲产生电路处于充电状态，不输出正脉冲。
如图11所示，高压负脉冲下降时间的参数调节方式是高压负脉冲产生电路中的全部低端开关Kb(m+1)，Kb(m+2)，…，Kb2m处于关断状态，且关断开始时间间隔均匀分配到每一个开关。如图10所示，当t＝0时刻第一个开关组的低端开关Kb1开始关断，经过延时tx后第二个开关组的低端开关Kb2开始关断，再经过延时tx，第三个开关组的低端开关Kb3开始关断，依次类推，经过时间t＝(m-1)*tx+t2时间后，高压负脉冲产生电路中所有固体开关组模块中的低端开关全部关断。如果满足(m-1)*tx+t2＝Tn2，(其中Tn2≥t1)则能够实现设置的负脉冲下降时间。电路的第1，2，…，m级电路中的低端开关Kb1，Kb2，…，Kbm在t＝0时刻开始导通，即就是说高压正脉冲产生电路处于充电状态，不输出正脉冲。
高压正脉冲的电压幅值调节，就是根据输入的高压正脉冲的电压参数，给m个高压正脉冲模块进行电压分配的过程，给每一级电路的电压分配方式可以是均匀分配的，也可以是非均匀分配的。m个高压正脉冲模块(即双极性脉冲电路的第1，2，…，m级)通过悬浮级联的方式连接在一起，每一级开关组的输出电压叠加，最终在输出端产生所需电压幅值的正脉冲。达到某个电压幅值的过程，与上升沿和下降沿的产生过程相对应，m个开关组中的高端开关可以均处于导通状态，也可以只有部分处于导通状态；且每个开关组产生的电压幅值可以是相同的，也可以是不同的。在允许的工作电压范围内，每个开关组产生的脉冲电压的幅值是可以连续调节的，叠加后在输出端产生高压脉冲在一定范围内也是连续可调的。以高压正脉冲模块中的全部开关组处于工作状态为例，假设设置的高压正脉冲的幅值为VH，控制模块的控制方法为：如果电压是非均匀分配方式，控制第一个开关组产生电压U1，控制第二个开关组产生电压U2，…，控制第m个开关组产生电压Um，则最后的输出电压为U1+U2+…+Um＝VH。如果电压是均匀分配的方式，控制第一个开关组产生电压U，第二个开关组也产生电压U，…，第m个开关组也产生电压U，则最后的输出电压为m*U＝VH。
高压负脉冲的电压幅值调节，就是根据输入的高压负脉冲的电压参数，给m个高压负脉冲模块进行电压分配的过程，给每一级电路的电压分配方式可以是均匀分配的，也可以是非均匀分配的。m个高压负脉冲模块(即双极性脉冲电路的第m+1，m+2，…，2m级)通过悬浮级联的方式连接在一起，每一级的开关组输出电压叠加，最终在输出端产生所需电压幅值的负脉冲。达到某个电压幅值的过程，与负脉冲上升沿和下降沿的产生过程相对应，负脉冲产生电路的m个开关组中的低端开关可以均处于导通状态，也可以只有部分处于导通状态；且每个开关组产生的电压幅值可以是相同的，也可以是不同的。在允许的工作电压范围内，每个开关组产生的脉冲电压的幅值是可以连续调节的，叠加后在输出端产生高压负脉冲在一定范围内也是连续可调的。以高压负脉冲产生电路中的全部开关组处于工作状态为例，假设设置的高压负脉冲的幅值为VL，控制模块的控制方法为：如果电压是非均匀分配方式，控制高压负脉冲模块中的第一个开关组产生电压-U1，控制第二个开关组产生电压-U2，…，控制第m个开关组产生电压-Um，则最后的输出电压为(-U1)+(-U2)+…+(-Um)＝VL。如果电压是均匀分配的方式，控制第一个开关组产生电压-U，第二个开关组也产生电压-U，…，第m个开关组也产生电压-U，则最后的输出电压为m*(-U)＝VL。
高压正脉冲的宽度参数的是通过控制高压正脉冲模块中开关的导通持续时间来实现的。当上升沿过程结束后，高压正脉冲的电压达到稳定时，处于工作状态的高端开关都是完全导通的状态。假设有u个高端开关处于工作状态，则u个开关完全导通的时刻为Tp1＝tx1+tx2+…+txu+t1，设置输出脉冲的正脉冲宽度参数为tp0，假设第一个导通的开关也第一个关断，则第一个开关组中的高端开关开始关断的时刻应该为Tp1+tp0+tx1，第二个开关组中的高端开关开始关断的时刻应该为Tp1+tp0+tx1+tx2(假设同一个开关组SWi在上升沿和下降沿被分配的导通延时和关断延时都为txi)，依此类推，脉冲波形出现下降沿。因此，最终的正脉冲具有相应的脉冲宽度tp0，且脉冲宽度在该过程中是连续可调的。
高压负脉冲的宽度参数的是通过控制高压负脉冲模块中开关导通的持续时间来实现的。当负脉冲的上升沿过程结束后，高压负脉冲的电压达到稳定时，处于工作状态的开关组的低端开关都是完全导通的状态。假设高压负脉冲产生电路中有v个低端开关处于工作状态，则v个低端开关完全导通的时刻为Tn1＝tx1+tx2+…+txv+t1，设置输出脉冲的负脉冲宽度参数为tn0，假设第一个导通的开关也第一个关断，则第一个低端开关开始关断的时刻应该为Tn1+tn0+tx1，第二个低端开关开始关断的时刻应该为Tn1+tn0+tx1+tx2(假设开关组SWi在上升沿和下降沿被分配的导通延时和关断延时都为txi)，依此类推，负脉冲波形出现下降沿。因此，最终的负脉冲具有相应的脉冲宽度tn0，且脉冲宽度在该过程中是连续可调的。
对双极性高压脉冲频率参数的调控，是通过调节控制模块产生的控制信号的频率实现的。参数输入模块输入双极性脉冲的频率f，控制模块根据收到的参数信息，产生周期性的频率为f的控制信号，控制固体开关组模块中的开关周期性的导通和关断。高压正脉冲模块中的开关组的每一次导通和关断的过程都会产生一个高压正脉冲，高压负脉冲模块中的开关组的每一次导通和关断过程都会产生一个高压负脉冲，且每一个控制信号在一个周期内导通信息和关断信息都是固定的，所以会在输出端周期性的输出双极性高压脉冲。输出的双极性脉冲信号与控制信号具有相同的频率f，满足所设置频率参数的要求，在意范围内输出频率是连续可调的。
对双极性高压脉冲一个周期内正脉冲和负脉冲之间时间间隔的调控，是通过控制模块控制一个周期内高压正脉冲下降沿结束时间和高压负脉冲上升沿开始时间之间的时间间隔来控制的。当所有高压正脉冲模块的高端开关全部关断，高压正脉冲模块的下降沿结束时，高压负脉冲模块并没有开始工作，这时，电路最后一级输出为零电平，假设设置的一个周期内高压正脉冲和高压负脉冲之间的时间间隔为tg，高压正脉冲模块最后一个开关完全关断的时间为tc，那么高压负脉冲模块第一个低端开关开始导通的时间应该为tg+tc+tx1，后面电路中的高压负脉冲模块按照负脉冲上升沿延时分配依次导通。
在实际需求中，有时需要的脉冲数是有限的，因此需要一定数目的双极性高压脉冲。当在参数输入模块输入具体的脉冲数，控制模块中的计数器会对发出的控制信号进行计数，当开关组模块完成一个周期的导通和关断，产生一个正脉冲和一个负脉冲时，计数器加1，在周期性控制信号的控制下，固体开关组模块不断的完成导通和关断，产生周期性的双极性高压脉冲，计数依次递增。当达到设置的脉冲数之后，控制信号控制输出端不再输出高压脉冲，最终得到有限数目的双极性高压脉冲。若不要求输出脉冲数，则在工作期间会以固定频率持续地产生高压脉冲。脉冲数参数在一定数值范围内是连续可调的，当超过该数值之后可近似认为脉冲数是无穷的。
本发明提出的控制方法，可以对不同结构的双极性高压脉冲产生电路进行控制，例如该双极性高压脉冲电路的结构可以是前部分由高压正脉冲产生电路组成，后部分由高压负脉冲产生电路组成；可以是前部分由高压负脉冲产生电路组成，后部分由高压正脉冲产生电路组成。还可以是高压正脉冲产生电路和高压负脉冲产生电路的任意交错级联。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。