一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器

本发明涉及脉冲功率源，具体涉及一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器。

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。产生高压脉冲的典型方法包括磁压缩、blumlein脉冲形成线、线性变压器驱动器(ltd)、marx等。前者磁压缩结构复杂，blumlein脉冲形成线需要阻抗匹配；后者ltd可以产生大电流脉冲输出，而由于其效率低、体积大且脉宽受磁芯限制，大规模工业化运用难以实现。相较于以上脉冲产生方法，全固态marx电路具有结构简单、参数灵活可调、可多模块堆叠等优势，可满足更多的场景需求，有着更为广阔的运用前景。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。

2、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，采用多个sic mosfet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，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。

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多开关并联脉冲发生器，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、多开关并联marx脉冲发生器模块和负载。

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，控制多开关并联marx脉冲发生器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、所述多开关并联marx脉冲发生器模块用于生成脉冲信号，并将脉冲信号输入负载。

7、所述脉冲发生器的电路拓扑如下所示：

8、记电源vdc正极所在的一端为i端，负极所在的一端为j端，j端接地。

9、所述i端连接二极管d1-1的阳极，二极管d1-1的阴极连接电容c1后连接至j端。

10、所述二极管d1-i的阴极连接电容ci后连接至二极管d2-i的阳极，其中，i＝1,2,...,n，n为正整数。

11、所述二极管d1-i的阴极连接并联开关模块smi后连接至二极管d2-i的阴极。

12、所述二极管d2-k的阳极连接二极管d2-(k-1)的阴极，其中，k＝2,3,...,n。

13、所述二极管d1-k的阳极连接二极管d1-(k-1)的阴极。

14、所述二极管d2-n的阴极连接负载rl后连接至二极管d2-1的阳极。

15、每个并联开关模块sm均包括m个并联的开关单元。每个开关单元均包括磁感应线圈和固态开关。

16、其中，第i个并联开关模块smi的电路拓扑如下所示：

17、记第j个磁感应线圈的四个端子分别为aj端、bj端、ej端、fj端，其中，j＝1,2,...,m。

18、磁感应线圈的bj端连接二极管d1-i，ej端串联固态开关后连接二极管d2-i，fj端连接第j+1个磁感应线圈的a(j+1)端。

19、进一步，所述脉冲发生器还包括上位机。

20、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。

21、进一步，所述并联开关模块sm中的固态开关导通，任意两条传输线内的支路电流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。

22、进一步，两个支路电流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：

23、vm＝lmdδid/dt                 (1)

24、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。

25、进一步，所述m个固态开关通过m个磁感应线圈相互耦合，实现电流平衡。

26、进一步，所述脉冲发生器的输出幅值、脉冲宽度和脉冲频率均可调。

27、进一步，所述m个固态开关均采用mosfet开关。

28、进一步，所述脉冲发生器输出的电压幅值范围为500v-5kv。

29、所述脉冲发生器输出的脉冲宽度范围为50ns-1000ns。

30、所述脉冲发生器输出的脉冲频率范围为1hz-1khz。

31、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)多开关并联脉冲发生器。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marx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。

32、本发明的有益效果包括：

33、1.通过多个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。

34、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。

35、3.本发明提出的基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器的脉冲输出电压电流幅值、脉冲宽度、脉冲频率均灵活可调。

技术特征：

1.一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器，其特征在于，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、多开关并联marx脉冲发生器模块和负载；

2.根据权利要求1所述的一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器还包括上位机；

3.根据权利要求1所述的一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器，其特征在于，所述并联开关模块sm中的固态开关导通，任意两条传输线内的支路电流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。

4.根据权利要求3所述的一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器，其特征在于，两个支路电流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：

5.根据权利要求1所述的一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器，其特征在于，所述m个固态开关通过m个磁感应线圈相互耦合，实现电流平衡。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器的输出幅值、脉冲宽度和脉冲频率均可调。

7.根据权利要求1所述的一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器，其特征在于，所述m个固态开关均采用mosfet开关。

8.根据权利要求1所述的一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器输出的电压幅值范围为500v-5kv；

技术总结
一种基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器，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、多开关并联Marx脉冲发生器模块和负载。本发明通过多个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。本发明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SiC MOSFET脉冲发生器大电流输出的可靠性和稳定性。本发明提出的基于磁感应均流多开关并联脉冲发生器的脉冲输出电压电流幅值、脉冲宽度、脉冲频率均灵活可调。

技术研发人员：董守龙,申小冬,姚陈果,余亮
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19