新型电路拓扑方波高压脉冲电源的制作方法

本发明涉及一种高压脉冲电源，具体涉及一种电路拓扑方波高压脉冲电源。

背景技术：

常规的全固态脉冲功率电源很难直接驱动容性负载，这是因为在放电过程中，容性负载中会存储电荷，而这些电荷会缓慢泄放，使负载上的电压并不会很快降到零电位，从而使脉冲形成拖尾。这些拖尾会带来许多不良的影响：严重地影响了波形，使方波难以获得；使输出脉冲的半高宽变宽，增加了窄脉冲输出的难度；限制了电源的工作频率；造成额外的功耗等。脉冲功率技术的很多应用中，负载都表现出一定的容性行为，如介质阻挡放电、食物杀菌、等离子体注入、空气净化、细胞处理等应用。在某种程度上限制了脉冲功率技术在这些领域的应用。现有技术的技术方案主要是采用集中电感截尾的Marx电路来提升电源性能以适用各种应用。

但是现有的集中电感截尾的Marx电路由于电感在放电过程处于恒压充电状态，在Marx电路工作的下一个充电过程，其储存的能量将向各级电容进行释放，类似于boost升压的效果，从而使电容两端的电压高于电源电压，当电路进入放电状态，在负载两端得到的电压将会高于理想电压。该工作模式会对信号控制电路造成严重的电磁干扰，而且集中式电感体积庞大，质量较重，在精细化的工程应用方面存在较大的缺陷。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种新型电路拓扑方波高压脉冲电源，用于输出高压脉冲电压驱动负载，其特征在于，具有：直流电源V_dc、发射极连接在该直流电源V_dc的负极的开关管S_C0以及分别连接直流电源V_dc的正极和开关管S_C0的集电极的n级方波截尾Marx电路模块，n为大于2的整数，其中，直流电源V_dc的正极连接负载的一端并接地，n级方波截尾Marx电路模块包括连接在直流电源V_dc两端的第1级Marx电路以及依次连接的n-1个第i级电路，i为2～n的整数，第i级Marx电路包括开关管S_Ci、开关管S_di、电容C_i以及二极管D_i，电容C_i的一端以及开关管S_Ci的集电极连接第i-1级Marx电路里的开关管S_Ci-1的发射极，开关管S_Ci的发射极分别连接开关管S_di的集电极以及负载的另一端或者后一级Marx电路里的开关管S_Ci+1的集电极，开关管S_di的发射极连接二极管D_i的正极，该二极管D_i的正极还与电容C_i的另一端连接，二极管D_i的负极连接第i-1级Marx电路里的开关管S_di-1的发射极。

本发明提供的一种新型电路拓扑方波高压脉冲电源，还可以具有这样的特征：其中，第1级Marx电路包括开关管S_C1、开关管S_d1以及电容C₁，电容C₁的一端以及开关管S_C1的集电极分别连接直流电源V_dc的正极，开关管S_C1的发射极连接开关管S_d1的集电极，开关管S_d1的发射极连接开关管S_C0的集电极，该开关管S_C0的集电极还与电容C₁的另一端连接。

本发明提供的一种新型电路拓扑方波高压脉冲电源，还可以具有这样的特征：其中，n为2～40的整数。

发明作用与效果

根据本发明的新型电路拓扑方波高压脉冲电源，由于采用开关管代替了庞大的集中隔离电感，避免了电磁干扰，也减小了电源体积和重量；由于将该开关管置于下端，这样可以充分利用第一级的电容，且减少放电损坏一级开关管的风险；由于该开关管在放电时处于关断状态，从而将充电源隔离，防止放电脉冲电流经充电源放电，因此保护了充电源免受放电脉冲电流冲击。由于把负载置于顶端，将负载一端和充电源正端接地，在负载另一端可以获得需要的负高压脉冲，同时将充电源和负载实现接地保护。采用优化了的电路结构实现截尾功能，避免容性负载造成的拖尾现象，输出理想的方波脉冲电压。

附图说明

图1是本发明的新型电路拓扑方波高压脉冲电源电路图；

图2是本发明的新型电路拓扑方波高压脉冲电源电路充电与截尾过程示意图；

图3是本发明的新型电路拓扑方波高压脉冲电源电路放电过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

<实施例>

图1是本发明的新型电路拓扑方波高压脉冲电源电路图。

如图1所示，本实施例提供的新型电路拓扑方波高压脉冲电源(以下简称高压脉冲电源)20包括直流电源V_dc1、开关管S_C02以及n级方波截尾Marx电路模块3，n为2～40的整数。

直流电源V_dc1的正极连接负载的一端并接地，开关管S_C02的发射极连接在该直流电源V_dc1的负极，其中，负载为阻值较大的高压电阻。

在本实施例中，n的取值为10，即10级方波截尾Marx电路模块3包括连接在直流电源V_dc1两端的第1级Marx电路31以及依次连接的9个第i级电路i1，i为2～10的整数。

第1级Marx电路31包括开关管S_C1、开关管S_d1以及电容C₁，电容C₁的一端以及开关管S_C1的集电极分别连接直流电源V_dc的正极，开关管S_C1的发射极连接开关管S_d1的集电极，开关管S_d1的发射极连接开关管S_C0的集电极，该开关管S_C0的集电极还与电容C₁的另一端连接。

第2级Marx电路32包括开关管S_C2、开关管S_d2、电容C₂以及二极管D₂，电容C₂的一端以及开关管S_C2的集电极连接第1级Marx电路11里的开关管S_C1的发射极，开关管S_C2的发射极连接开关管S_d2的集电极，开关管S_d2的发射极连接二极管D₂的正极，该二极管D₂的正极还与电容C₂的另一端连接，二极管D₂的负极连接第1级Marx电路里的开关管S_d1的发射极。

以此类推，第3级、第4至第10级Marx电路310依次连接，第10级Marx电路310包括开关管S_C10、开关管S_d10、电容C₁₀以及二极管D₁₀，电容C₁₀的一端以及开关管S_C10的集电极连接第9级Marx电路(图中未示出)里的开关管S_C9的发射极，开关管S_C10的发射极分别连接负载的另一端，开关管S_d10的发射极连接二极管D₁₀的正极，该二极管D₁₀的正极还与电容C₁₀的另一端连接，二极管D₁₀的负极连接第9级Marx电路里的开关管S_d9的发射极。

以下结合附图说明本实施例的新型电路拓扑方波高压脉冲电源20的工作过程。

图2是本发明的新型电路拓扑方波高压脉冲电源电路充电与截尾过程示意图；

如图3所示，当高压脉冲电源20处于充电状态，即开关管Sc₀～Sc₁₀处于导通状态，开关管S_d1～S_d10处于关断状态时，直流电源V_dc1对10级方波截尾Marx电路模块3里的各级电容C₁～C₁₀进行并联充电，以C₁₀为例，其充电回路为直流电源V_dc1、开关管Sc₁～Sc₉、C₁₀、D₁～D₉、Sc₀、直流电源V_dc1，其余各级电容C₁～C₉充电同理。

当充电过程结束，即开关管S_d1～S_d10导通前一刻，各级电容的上端电位为0，下端电位为直流电源V_dc1的幅值-U₀。同时，由于开关管Sc₀～Sc₁₀处于导通状态，负载两端通过Sc₁～Sc₁₀截尾。

另一条截尾回路如图2中的箭头所示，支路包含负载和开关管Sc₁～Sc₁₀，一方面在直流电源V_dc1对电容C₁～C₁₀充电的同时实现对负载短路，保证负载两端电压为零，从而在接下来放电得到陡峭的上升沿。另一方面，在放电结束后对各级电容C₁～C₁₀充电即可以实现截尾功能，避免容性负载造成的拖尾现象，从而获得陡峭的下降沿，实现高压脉冲电源20方波脉冲输出。

图3是本发明的新型电路拓扑方波高压脉冲电源电路放电过程示意图。

如图3所示，当高压脉冲电源20处于放电状态，即开关管Sc₀～Sc₁₀处于关断状态，开关管Sd₁～Sd₁₀处于导通状态，前一级电容的上端和后一级电容的下端等电位，由于电容两端的电压不能突变，因此，电容C₁上端电位为0，C₁下端电位为-U₀，电容C₃上端和C₂下端电位为-2U₀，C3下端电位为-3U₀，以此类推，C₁₀下端的电位为-10U₀，而此时各级电容和前一级充电开关管的上管脚之间的电压为U₀，由电路中二极管D₁～D₉以及开关管Sc₁～Sc₉的体二极管承受反向电压，避免各级电容C₁～C₁₀和开关管Sc₀～Sc₁₀直接放电，因此，第一级电容C₁和最后一级开关管Sd₁₀之间各个元器件在放电过程中处于串联状态，并以10U₀的电压对负载进行放电。而负载一端和直流电源V_dc1的正极接地，在负载另一端可以获得需要的负高压脉冲，同时将直流电源V_dc1和负载实现接地保护。

实施例作用与效果

根据本实施例的新型电路拓扑方波高压脉冲电源，由于采用开关管代替了庞大的集中隔离电感，避免了电磁干扰，也减小了电源体积和重量；由于将该开关管置于下端，这样可以充分利用第一级的电容，且减少放电损坏一级开关管的风险；由于该开关管在放电时处于关断状态，从而将充电源隔离，防止放电脉冲电流经充电源放电，因此保护了充电源免受放电脉冲电流冲击。由于把负载置于顶端，将负载一端和充电源正端接地，在负载另一端可以获得需要的负高压脉冲，同时将充电源和负载实现接地保护。采用优化了的电路结构实现截尾功能，避免容性负载造成的拖尾现象，输出理想的方波脉冲电压。总之，本发明设计合理，抗干扰能力强，体积小，重量轻，工作可靠性高，便于推广使用。