一种双极性多模式磁场发生器

本发明涉及脉冲磁场，具体涉及一种双极性多模式磁场发生器。

背景技术：

1、电力电子技术的进步使得电穿孔技术蓬勃发展，在基因转染，神经刺激和肿瘤治疗等领域被广泛研究和应用。然而，随着研究的深入和需求的升级，电穿孔技术的问题逐渐暴露。在各种形式的物理场中，磁场以其穿透性强，可灵活聚焦等优点，能够较好地匹配生物介质，这使得人们寄希望于利用磁场实现穿孔效应的技术研究，即磁穿孔技术。磁穿孔作为一种改变细胞膜通透性的新兴技术，在电穿孔技术所受限制的领域表现出巨大替代潜力。

2、然而，磁穿孔技术实现的一个难点在于需要灵活可靠的高功率脉冲磁场装置，目前在磁场装置方面对脉冲功率技术的嵌入和优化还不足以和脉冲电场发生装置相比，这限制了人们开展磁穿孔技术的研究动力。为了更好地开发磁穿孔技术在生物医学领域研究和应用价值，设计一款灵活可靠的磁场发生器拓扑是十分必要的，这能够方便地实现磁场强度，磁场极性和变化率等参数灵活调节，有望进一步推动实验研究和临床治疗的开展。

3、传统高功率磁场装置多采用气体火花隙开关、快速点火管等，半控型开关的特性和固定的电路参数使得难以实现磁场的灵活调节，因此大多只能输出振荡或单极性的脉冲磁场波形，这大大限制了磁场强度、极性和磁场变化率所决定的生物效应机理研究，甚至导致相关研究和应用受阻。此外，传统高功率磁场装置存在功率损耗大，能量利用率低等问题，由于一次输出过程中大量能量被线圈内阻所消耗导致线圈发热严重，因此成为了限制磁穿孔技术应用的潜力风险。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种双极性多模式磁场发生器，包括：正极性电路、负极性电路、负载线圈。

2、所述正极性电路包括正极性充电模块、正极性馈能电路模块、n个正极性单级放电模块，其中，n为正整数。

3、所述负极性电路包括负极性充电模块、负极性馈能电路模块、n个负极性单级放电模块。

4、所述正极性充电模块为正极性单级放电模块中的电容充电。

5、所述正极性馈能电路模块用于回收负载线圈的能量，并将能量回收至正极性单级放电模块的电容中。

6、所述正极性单级放电模块通过电容放电，输出正极性脉冲。

7、所述负极性充电模块为负极性单级放电模块中的电容充电。

8、所述负极性馈能电路模块用于回收负载线圈的能量，并将能量回收至负极性单级放电模块的电容中。

9、所述负极性单级放电模块通过电容放电，输出负极性脉冲。

10、所述正极性单级放电模块包括放电电容器c1i、放电开关s1i、续流开关p1i、充电二极管d1(i+1)，其中，i＝1,2,...,n。

11、所述充电二极管d1(i+1)的阳极连接放电电容器c1i后接入续流开关p1i的发射极。

12、所述充电二极管d1(i+1)的阴极连接放电开关s1i的集电极。放电开关s1i的发射极连接续流开关p1i的集电极。

13、所述负极性单级放电模块包括放电电容器c2i、放电开关s2i、续流开关p2i、充电二极管d2(i+1)。

14、所述充电二极管d2(i+1)的阳极连接放电电容器c2i后接入续流开关p2i的发射极。

15、所述充电二极管d2(i+1)的阴极连接放电开关s2i的集电极。放电开关s2i的发射极连接续流开关p2i的集电极。

16、所述负载线圈用于产生脉冲磁场。

17、进一步，所述n个正极性单级放电模块的电路拓扑如下所示：

18、所述充电二极管d1(k+1)的阴极连接充电二极管d1(k+2)的阳极，其中，k＝1,2,...,n-1。

19、所述续流开关p1k的集电极连接续流开关p1(k+1)的发射极。

20、进一步，所述正极性充电模块包括直流电源u1、限流电阻r1、二极管d11。

21、所述直流电源u1负极所在一端接地，正极所在一端连接限流电阻r1后接入二极管d11的阳极。

22、所述二极管d11的阴极接入充电二极管d12的阳极。

23、进一步，所述正极性馈能电路模块包括馈能二极管d10、换流开关s10。

24、所述馈能二极管d10的阴极连接充电二极管d12的阳极。

25、所述馈能二极管d10的阳极连接换流开关s10的集电极。换流开关s10的发射极连接续流开关p11的发射极。

26、所述换流开关s10的集电极接地。

27、进一步，所述n个负极性单级放电模块的电路拓扑如下所示：

28、所述充电二极管d2(k+1)的阴极连接充电二极管d2(k+2)的阳极，其中，k＝1,2,...,n-1。

29、所述续流开关p2k的集电极连接续流开关p2(k+1)的发射极。

30、进一步，所述负极性充电模块包括直流电源u2、限流电阻r2、二极管d21。

31、所述直流电源u2负极所在一端接地，正极所在一端连接限流电阻r2后接入二极管d21的阳极。

32、所述二极管d21的阴极接入充电二极管d22的阳极。

33、进一步，所述负极性馈能电路模块包括馈能二极管d20、换流开关s20。

34、所述馈能二极管d20的阴极连接充电二极管d22的阳极。

35、所述馈能二极管d20的阳极连接换流开关s20的集电极。换流开关s20的发射极连接续流开关p21的发射极。

36、所述换流开关s20的集电极接地。

37、进一步，所述负载线圈包括电感l和电阻r。

38、进一步，所述磁场发生器的输出磁场包括正极性三角波磁场、负极性三角波磁场、正极性指数波磁场、负极性指数波磁场。

39、进一步，所述磁场发生器的工作过程包括充电阶段、放电阶段、脉冲输出阶段。

40、所述脉冲输出阶段包括续流阶段和馈能阶段。

41、当所述磁场发生器的脉冲输出阶段为续流阶段时，磁场发生器输出的磁场是指数波形式的磁场。

42、当所述磁场发生器的脉冲输出阶段为馈能阶段时，磁场发生器输出的磁场是三角波形式的磁场。

43、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了一种基于模块化电路的双极性脉冲磁场发生技术，基于该技术形成的双极性多模式脉冲磁场装置由正极性电路和负极性电路结合放电线圈组成，对于各极性电路，均由前端能量反馈电路和基本放电模块组成，每级放电模块主要由两个放电开关构成，电路灵活可调，易于搭建。

44、本发明通过正负极性电路的协同作用能够输出双极性脉冲磁场。同时该脉冲源具有能量反馈电路结构，可通过换流开关实现系统节能并降低线圈温升。此外，该脉冲源基于模块化的结构，通过各模块开关时序控制能够实现多种输出模式，在保证可靠运行的基础上极大提高了脉冲磁场发生器的输出性能。

45、本发明的有益效果包括：

46、1.本发明能够灵活选择输出模式，可实现双极性三角波，双极性指数波等输出模式。

47、2.本发明包含负载端能量回馈功能，可将线圈能量回馈至上级电路电容或下级电路电容，从而实现能量的回收利用，降低线圈发热。

48、3.本发明可按需选择放电模块数量，控制最终输出电压大小，从而实现灵活调节磁场变化率和强度等。