一种基于磁感应均流并联开关脉冲发生器

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开关脉冲发生器

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。现有基于电容储能的脉冲发生器可实现高电压输出，但其输出电流受限于所使用的开关器件。目前，商用的单个开关额定电流仍非常有限，提高脉冲发生器的额定输出电流输出是一个需要解决的难题。

2、开关并联是一种提高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，两个或者多个开关并联时，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。保证开关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。

3、现有的模块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开关脉冲发生器，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、电容储能脉冲输出模块和负载。

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，控制电容储能脉冲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、所述电容储能脉冲输出模块用于生成脉冲信号，并将脉冲信号输入负载。

7、所述基于磁感应均流并联开关脉冲发生器的电路拓扑如下所示：

8、第一传输线和第二传输线对称的缠绕在磁环的两侧。

9、把三个电容和一个固态开关作为第一电流支路、第二电流支路。

10、记第一传输线的一端为a端，另一端为b端。第二传输线的一端为c端，另一端为d端。电源vdc正极所在一端为e端，负极所在一端为f端，f端接地。

11、所述e端连接电容cdc后连接至f端。

12、所述a端和c端连接，且连接至e端。

13、b端依次连接第一电流支路、电阻rg1、电阻rl后接地。

14、b端依次连接第一电流支路、电阻rl后接地。

15、d端依次连接第二电流支路、电阻rl后接地。

16、d端依次连接第二电流支路、电阻rg2、电阻rg1、电阻rl后接地。

17、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：

18、所述b端连接固态开关s1的漏极，固态开关s1的源极连接至电阻rl后接地。

19、所述d端连接固态开关s2的漏极，固态开关s2的源极连接至电阻rl后接地。

20、所述固态开关s1的漏极连接电容cds1后连接至固态开关s1的源极。

21、所述固态开关s1的漏极连接电容cgd1后连接至固态开关s1的栅极。

22、所述固态开关s1的栅极连接电容cgs1后连接至固态开关s1的源极。

23、所述固态开关s2的漏极连接电容cds2后连接至固态开关s2的源极。

24、所述固态开关s2的漏极连接电容cgd2后连接至固态开关s2的栅极。

25、所述固态开关s2的栅极连接电容cgs2后连接至固态开关s2的源极。

26、所述固态开关s1的栅极依次连接电阻rg1、电阻rl后接地。

27、所述固态开关s1的栅极连接电阻rg2后连接至固态开关s2的栅极。

28、进一步，所述固态开关s1、固态开关s2均采用mosfet开关。

29、进一步，所述脉冲发生器还包括上位机。

30、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。

31、进一步，当固态开关s1、固态开关s2开始导通时，第一电流支路、第二电流支路分别流入磁芯上的两个匝数相同的耦合线圈，在磁路中产生方向相反的磁通。

32、进一步，第一电流支路、第二电流支路的电流差在磁芯中产生磁通，原边线圈将感应出电动势vm，副边线圈感应出电动势-vm，所述电动势驱使不平衡的电流保持为零，电动势vm如下所示：

33、vm＝lmdδid/dt                   (1)

34、式中，lm为磁感应耦合线圈的激磁电感，δid为线圈内的电流差。t为时间。

35、进一步，所述耦合线圈的激磁电感lm和漏感lσ如下所示：

36、

37、式中，n1为线圈匝数。dmax、dmin分别为磁芯的外径、内径。δid为线圈内的电流差。μr为磁芯的相对磁导率。μ0为真空磁导率。id为流经线圈电流。l为线圈长度。

38、其中，磁芯中的磁通密度bc如下所示：

39、

40、式中，μ为磁导率。hm为磁芯中的磁场强度。id1为第一传输线内的电流。id2为第二传输线内的电流。

41、空气中的漏磁通密度ba如下所示：

42、ba＝μ0hσ＝n1μ0id/l                 (4)

43、式中，hσ为空气中的磁场强度。

44、磁芯截面积s如下所示：

45、s＝0.5(dmax-dmin)h                 (5)

46、式中，h为磁芯的高度。

47、进一步，所述固态开关s1、固态开关s2导通的瞬态过程中，不平衡电流的动态响应时间τ1如下所示：

48、τ1＝(2lm+lσ+ld1+ls1)/rds1≈2lm/rds             (6)

49、式中，lm为磁感应耦合线圈的激磁电感，lσ为磁感应耦合线圈的漏感，ld1为固态开关si-1的漏极寄生电感，ls1为固态开关si-1的源极寄生电感，rds1为固态开关si-1漏极和源极之间的电阻，rds为开关动态过程时的可变电阻。

50、进一步，所述固态开关s1、固态开关s2完全导通后，激磁电感lm对不平衡电流δid产生抑制作用的时间常数τ2如下所示：

51、τ2＝2lm/rdson1                    (7)

52、式中，rdson1为固态开关s1的导通电阻。

53、进一步，所述脉冲发生器的脉冲输出电压电流幅值、脉冲宽度、脉冲频率均可调。

54、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)并联开关脉冲发生技术。采用磁感应均流(magneticinduction 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，实现脉冲发生器的更大脉冲电流输出，同时保证脉冲发生器大电流输出的可靠性和稳定性。

55、本发明的有益效果包括：

56、1.通过开关并联更简单、高效地实现了电容储能型脉冲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。

57、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，保证了并联开关的脉冲发生器大电流输出的可靠性和稳定性。

58、3.本发明提出的基于磁感应均流并联开关脉冲发生技术的脉冲输出电压电流幅值、脉冲宽度、脉冲频率均灵活可调。