一种基于磁感应均流并联SiCMOSFETs的双极性脉冲发生器

本发明涉及脉冲功率源，具体涉及一种基于磁感应均流并联sicmosfets的双极性脉冲发生器。

背景技术：

1、近年来，脉冲功率技术广泛运用于食品加工、微藻处理、等离子体反应、水中放电等领域。在液态食品杀菌领域中，相较于传统的热处理、紫外线照射、化学处理等方法，高压脉冲电场的非热杀菌方法因其无显著温升、处理时间短、杀菌效果好等优势受到广泛关注。高压脉冲电源作为脉冲电场发生的核心设备，其参数性能直接影响到最终的杀菌效果。研究表明，除脉冲电场强度和作用时间外，双极性脉冲产生的交变应力使得细胞膜的结构疲劳，细胞膜的通透性提高，灭菌效果有效提升。其次，在食品杀菌处理过程中，高压电极往往采用金属电极。在与液态食品接触时，单一极性的脉冲输出容易发生电极腐蚀进而引发食品安全问题。相较于单极性脉冲，双极性脉冲通过极性切换，可有效抑制电极腐蚀，保障食品安全。同时在这些应用场景，由于其低阻抗负载特性，除了高电压的脉冲输出需求，也需要能够产生大电流。其脉冲发生器也正向着更大功率趋势发展。同时为满足低成本、短脉宽、高重频的大规模工业化应用需求，对脉冲源及其开关器件提出了更高要求。

2、双极性高压脉冲产生的典型方式主要有blumlein传输线，直线变压器驱动源，marx电路等。随着半导体技术的发展，基于sic mosfets的marx电路，因其无需阻抗匹配、脉宽灵活可调等优势，而被广泛选用。产生双极性脉冲的全固态marx电路拓扑主要有两种：双marx型及全桥型。双marx型拓扑的开关电压利用率高，需要的开关数量少，控制要求简单，可作为双极性脉冲源的良好选择。marx可通过多模块堆叠实现高电压输出，但其输出电流受限于所使用的开关器件。目前，商用的单个sic mosfet额定电流仍非常有限，提高全固态marx发生器的额定输出电流是一个需要解决的难题。

3、现有的marx级间并联方案可以在低阻抗负载上输出高电流脉冲。但其模块并联的方案增加了脉冲发生器体积和结构的复杂度，同时其并联的模块之间也未采取均流措施，模块间存在的电流不平衡对整个脉冲发生器的稳定运行带来极大的挑战。而相比之下，sicmosfet并联是一种提高marx脉冲发生器输出电流和功率更简单、高效的解决方案。然而，由于器件之间的参数存在分散性，回路寄生参数缺乏一致性，两个或者多个sic mosfet并联时，不同并联开关支路不可避免地会存在电流不均衡的现象，包括导通后的静态电流不均衡，以及开关动态过程中产生的瞬态电流不均衡。保证sic mosfet并联均流是发生器的长期稳定运行的前提，也是目前尚未解决的挑战。

4、现有的marx级间并联方案可以在低阻抗负载上输出高电流脉冲。但其模块并联的方案增加了脉冲发生器体积和结构的复杂度，同时其并联的模块之间也未采取均流措施，模块间存在的电流不平衡对整个脉冲发生器的长期可靠稳定运行带来极大的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于磁感应均流并联sic mosfets的双极性脉冲发生器，包括：控制信号产生模块、光电隔离驱动模块、固态开关驱动模块、磁感应均流模块、双极性marx脉冲发生器输出模块和负载。

2、所述控制信号产生模块用于生成固态开关控制信号。

3、所述光电隔离驱动模块用于消除固态开关的高电位悬浮。

4、所述固态开关驱动模块接收到固态开关控制信号后，控制双极性marx脉冲发生器输出模块中各固态开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。

5、所述磁感应均流模块用于消除固态开关间的不均流。

6、所述双极性marx脉冲发生器输出模块用于生成双极性脉冲信号，并将双极性脉冲信号输入负载。

7、所述双极性脉冲发生器的电路拓扑如下所示：

8、记电源vdc1正极所在的一端为a端，负极所在的一端为b端，b端接地。

9、记电源vdc2正极所在的一端为c端，负极所在的一端为d端，d端接地。

10、所述a端连接二极管d1-1的阳极，二极管d1-1的阴极连接电容c1-1后连接至b端。

11、所述二极管d1-1的阴极依次连接并联开关模块s1-1、并联开关模块s2-1后连接至b端。

12、所述c端连接二极管d2-1的阳极，二极管d2-1的阴极连接电容c2-1后连接至d端。

13、所述二极管d2-1的阴极依次连接并联开关模块s3-1、并联开关模块s4-1后连接至d端。

14、并联开关模块s(2i-1)-j和并联开关模块s(2i)-j串联，其中，i＝1,2。j＝1,2,...,n，n为正整数。

15、记并联开关模块s(2i-1)-j与并联开关模块s(2i)-j串联的一端为ei-j端。

16、二极管di-k的阴极连接电容ci-k后连接至ei-(k-1)端，其中，k＝2,3,...,n。

17、所述二极管di-k的阳极连接二极管di-(k-1)的阴极。

18、所述二极管di-k的阴极依次连接并联开关模块s(2i-1)-k、并联开关模块s(2i)-k后连接至ei-(k-1)端。

19、所述e1-n端连接负载rl后连接至e2-n端。

20、进一步，所述双极性脉冲发生器还包括上位机。

21、所述上位机生成电路参数，并传输至控制信号产生模块，使控制信号产生模块生成固态开关控制信号。

22、进一步，所述双极性脉冲发生器的工作过程包括正极性输出过程、无输出过程、负极性输出过程。

23、进一步，当双极性脉冲发生器工作在正极性输出过程时，导通并联开关模块s1-j和并联开关模块s4-j，断开并联开关模块s2-j和并联开关模块s3-j，电容c1-j的电流通过并联开关模块s1-j、并联开关模块s4-j和负载rl形成的回路。

24、进一步，当双极性脉冲发生器工作在无输出过程时，导通并联开关模块s2-j和并联开关模块s4-j，断开并联开关模块s1-j和并联开关模块s3-j，双极性脉冲发生器停止输出。

25、进一步，当双极性脉冲发生器工作在负极性输出过程时，导通并联开关模块s2-j和并联开关模块s3-j，断开并联开关模块s1-j和并联开关模块s4-j，电容c2-j的电流通过并联开关模块s2-j、并联开关模块s3-j和负载rl形成的回路。

26、进一步，所述双极性脉冲发生器的脉冲输出电压幅值、脉冲宽度、脉冲频率及正负脉冲间距均可调。

27、所述双极性脉冲发生器输出的电压幅值范围为500v-5kv。

28、所述双极性脉冲发生器输出的脉冲宽度范围为50ns-1000ns。

29、所述双极性脉冲发生器输出的脉冲频率范围为1hz-1khz。

30、所述双极性脉冲发生器输出的正负脉冲间距范围为50ns-10μs。

31、进一步，所述并联开关模块的电路拓扑如下所示：

32、第一传输线和第二传输线对称的缠绕在磁环的两侧。

33、把三个电容和一个开关作为第一电流支路、第二电流支路。

34、记第一传输线的一端为g端，另一端为h端。第二传输线的一端为i端，另一端为j端。

35、所述g端连接i端。

36、所述h端依次连接第一电流支路、电阻rg1后连接至第一电流支路。

37、所述j端依次连接第二电流支路、电阻rg2、电阻rg1后连接至第二电流支路。

38、进一步，所述第一电流支路、第二电流支路的电路拓扑如下所示：

39、所述h端连接固态开关q1的漏极。

40、所述j端连接固态开关q2的漏极。

41、所述固态开关q1的漏极连接电容cds1后连接至固态开关q1的源极。

42、所述固态开关q1的漏极连接电容cgd1后连接至固态开关q1的栅极。

43、所述固态开关q1的栅极连接电容cgs1后连接至固态开关q1的源极。

44、所述固态开关q2的漏极连接电容cds2后连接至固态开关q2的源极。

45、所述固态开关q2的漏极连接电容cgd2后连接至固态开关q2的栅极。

46、所述固态开关q2的栅极连接电容cgs2后连接至固态开关q2的源极。

47、所述固态开关q1的栅极连接电阻rg1后连接至固态开关q1的源极。

48、所述固态开关q1的栅极连接电阻rg2后连接至固态开关q2的栅极。

49、所述固态开关q2的源极连接固态开关q1的源极。

50、进一步，所述固态开关q1、固态开关q2均采用mosfet开关。

51、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了一种基于磁感应均流(magneticinduction current balance micb)并联sic mosfets的双极性脉冲发生器。采用磁感应均流(magnetic induction current balance micb)技术，仅用一个耦合线圈有效抑制了脉冲产生过程中出现的开关瞬态和静态不平衡电流，解决了并联开关器件间不均流问题，实现双极性marx发生器的更大脉冲电流输出，保证脉冲发生器大电流输出的可靠性和稳定性。

52、本发明的有益效果包括：

53、1.本发明提出的基于磁感应均流并联sic mosfets的双极性脉冲发生器，直接通过sic mosfet开关并联更简单、高效地实现了marx发生器更大脉冲电流和功率的输出，电路拓扑结构简单、参数灵活可调、可多模块堆叠。

54、2.采用的磁感应均流技术解决了并联开关器件间不均流问题，保证了并联sicmosfet脉冲发生器大电流输出的可靠性和稳定性。

55、3.本发明提出的基于磁感应均流并联sic mosfets脉冲发生器的脉冲输出电压电流幅值、脉冲宽度、脉冲频率及正负脉冲间距均灵活可调。