本发明属于高压脉冲电源结构设计领域，具体涉及一种参数可调的负高压脉冲电源装置及参数化调节方法。
背景技术：
采用高压脉冲驱动的气体放电等离子体及其应用技术发展迅速，相关研究和应用领域涵盖生物医学、环境保护、废弃物处理、材料表面改性、流动控制、等离子体点火和辅助燃烧等。研究表明外加电压正负极性不同导致气体放电等离子体的特性存在明显差别。例如，在使用高压脉冲负电晕荷电喷雾提高农药利用效率的试验研究中，宜采用负电晕充电，因为在相同电压条件下，负高压脉冲驱动的电晕放电产生的突发性电场强，能够使气体分子激发、分解和电离，放电为收敛，且农药一般为中型分子构成的高分子化合物，易获得电子而呈负性。以上结论表明气体放电等离子体在负极性高压脉冲驱动下与在正极性高压脉冲驱动下相比拥有一定的优势，具有独特的应用价值。
此外，当采用脉冲驱动而非其他方式产生大气压非平衡等离子体时，脉冲的各项参量对等离子体放电特性有着直接的影响。研究表明，脉冲电压幅度越高，电子产生效率越高；脉冲上升沿影响电子平均能量大小，而脉冲下降沿影响二次放电过程；脉冲重复频率越高，等离子体复合程度越低；脉冲宽度则会影响放电电流的大小。由于面向应用的等离子体研究的最终目标就是要实现对关键等离子体参量的有效调控，而等离子体参量与脉冲的各项参量又有着密不可分的联系，因而等离子体放电领域的研究对脉冲电源参数的可调性提出了越来越高的需求。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种参数可调的负高压脉冲电源装置及参数化调节方法，能够通过控制和调节悬浮级联的若干个开关组的工作状态，从而使输出的负高压脉冲符合所设置的波形参数。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开的一种参数可调的负高压脉冲电源装置，包括参数输入模块、驱动控制模块、高压直流电源模块和开关模块；
参数输入模块，用于设置所需的负高压脉冲波形参数并发送至驱动控制模块；驱动控制模块，用于将设置的负高压脉冲波形参数处理并转化为开关模块的控制信号，并发送至开关模块；高压直流电源模块，用于给开关模块提供直流工作电压；开关模块，用于对接收到的控制信号做出相应的响应，并输出符合所设置的负高压脉冲波形参数的负高压脉冲；
其中，所述开关模块，由悬浮级联的m级开关组swi组成，其中，i＝1,2,…,m；m大于2；驱动控制模块，能够输出m路控制信号，m路控制信号对m级开关组的工作状态进行控制和调节，改变最终输出的负高压脉冲波形参数。
优选地，开关模块中的每一级开关组均有一个用于接收控制信号的控制端，每一级开关组对控制信号的响应是相互独立的。
优选地，负高压脉冲波形参数包括上升沿、下降沿、电压幅值、重复频率、脉冲宽度和脉冲个数，且上述负高压脉冲波形参数连续可调或非连续可调。
进一步优选地，m路控制信号给m个开关组分配一定的导通延时和关断延时，使m个开关组按照对应时序依次导通和关断，从而使负高压脉冲输出具有相应的上升沿和下降沿；其中：
在产生上升沿的过程中，m个开关组全部工作或部分工作，导通延时在工作的开关组中均匀分配或非均匀分配；
在产生下降沿的过程中，m个开关组全部工作或部分工作；关断延时在工作的开关组中均匀分配或非均匀分配。
进一步优选地，m路控制信号给m个开关组分配一定的电压幅值参数，使m个开关组在高压直流电源的驱动下产生对应的电压，并通过串联叠加使负高压脉冲输出具有相应的电压幅值；其中，在产生一定电压幅值的过程中，m个开关组全部或部分工作；电压幅值参数在工作的开关组中均匀分配或非均匀分配。
进一步优选地，控制信号给工作的开关组分配一定的导通持续时间参数，使所有工作的开关组在全部导通后维持相同的导通持续时间，然后再开始依次关断，使负高压脉冲输出具有相应的脉冲宽度；
根据接收的控制信号的频率，所有工作的开关组按照一定的周期导通和关断，使负高压脉冲输出具有相应的重复频率；
若设置有确定的输出脉冲个数，驱动控制模块会进行计数，当产生的脉冲个数达到所设置的脉冲个数时停止输出负高压脉冲，使负高压脉冲输出具有相应的脉冲个数。
优选地，驱动控制模块产生的控制信号为周期性、非周期性、部分时段周期性或部分时段非周期性；
驱动控制模块产生的控制信号为拥有全部负高压脉冲波形参数信息的单一控制信号，或者为分别拥有各参数信息的一系列控制信号的总和；
通过改变参数输入模块中所设置参数的任意一项或多项的数值，对驱动控制模块产生的控制信号进行即时的修改和调节。
优选地，驱动控制模块采用的处理芯片为现场可编程门阵列fpga、复杂可编程逻辑器件cpld、专用集成电路asic、数字信号处理芯片dsp、单片机或arm处理器，但不限于这些器件。
本发明还公开了基于上述的参数可调的负高压脉冲电源装置的参数化调节方法，包括以下步骤：
步骤1：负高压脉冲波形参数的设置与发送
用户根据需求在参数输入模块设置负高压脉冲输出的波形参数，包括上升沿、下降沿、电压幅值、重复频率、脉冲宽度和脉冲个数，设置完成后，参数输入模块将设置好的波形参数信息发送给驱动控制模块；
步骤2：参数信息的处理和控制信号的产生与发送
驱动控制模块在接收到由参数输入模块发送的波形参数后，对各个参数分别进行处理，产生m路控制信号g1，g2，…，g(m-1)，gm，并将其发送给开关模块，分别控制m个悬浮级联的开关组sw1，sw2，…，sw(m-1)，swm的工作状态；
步骤3：开关组工作状态的控制和负高压脉冲的输出
开关模块中m个开关组的控制端g1，g2，…，g(m-1)，gm分别接收由驱动控制模块发送的m路控制信号g1，g2，…，g(m-1)，gm，使这m个开关组具有不同的导通延时、关断延时和导通持续时间，从而按照一定的时序导通和关断；同时，高压直流电源模块给开关模块提供所需的直流工作电压，最终由开关模块产生与所设置波形参数相符的负高压脉冲输出，并且该负高压脉冲输出的全部波形参数均能够连续或非连续地调节。
优选地，改变设置参数的数值，参数输入模块发送的波形参数信息会随之即时发生改变；当参数输入模块发送的参数信息发生改变时，驱动控制模块产生的控制信号做出即时响应，即通过改变参数输入模块中所设置参数的任意一项或多项的数值，能够对驱动控制模块产生的控制信号进行即时的修改和调节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的负高压脉冲电源的参数化方法和装置，由参数输入模块、驱动控制模块、高压直流电源模块和开关模块四个部分组成。参数输入模块用于设置所需的负高压脉冲波形参数，进而发送给驱动控制模块；驱动控制模块用于对设置的参数进行处理，将其转化为开关模块中各个开关组工作的控制信号，进而发送给开关模块；高压直流电源模块用于给开关组提供直流工作电压；开关模块对接收到的控制信号做出相应的响应，进而最终输出符合所设置参数的负高压脉冲。本发明的关键点在于通过驱动控制模块对输入的波形参数信息进行处理，产生控制信号来控制和调节悬浮级联的开关组中每一级开关组的工作状态，从而产生符合所设置波形参数的负高压脉冲输出，该输出的负高压脉冲的全部波形参数在一定范围内可以连续或非连续地调节。负高压脉冲的波形参数包括上升沿、下降沿、电压幅值、重复频率、脉冲宽度和脉冲个数等。
附图说明
图1是本发明中负高压脉冲输出的部分波形参数示意图；
图2是本发明中实现负高压脉冲电源参数化的装置结构图；
图3是n个开关组处于工作状态并且导通延时非均匀分配的上升沿参数化方法示意图(n≤m)；
图4是n个开关组处于工作状态并且导通延时均匀分配的上升沿参数化方法示意图(n≤m)；
图5是n个开关组均处于工作状态并且关断延时非均匀分配的下降沿参数化方法示意图(n≤m)；
图6是n个开关组处于工作状态并且关断延时均匀分配的下降沿参数化方法示意图(n≤m)；
图7是n个开关组处于工作状态的电压幅值参数化方法示意图(n≤m)；
图8是n个开关组处于工作状态的重复频率参数化方法示意图(n≤m)；
图9是n个开关组处于工作状态的脉冲宽度参数化方法示意图(n≤m)。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提出了如图2所示的参数可调的负高压脉冲电源装置结构，包括参数输入模块、驱动控制模块、高压直流电源模块和开关模块四个部分；
参数输入模块，用于设置所需的负高压脉冲波形参数并发送至驱动控制模块；驱动控制模块，用于将设置的负高压脉冲波形参数处理并转化为开关模块的控制信号，并发送至开关模块；高压直流电源模块，用于给开关模块提供直流工作电压；开关模块，用于对接收到的控制信号做出相应的响应，并输出符合所设置的负高压脉冲波形参数的负高压脉冲；
其中，所述开关模块，由悬浮级联的m级开关组swi组成，其中，i＝1,2,…,m；m大于2；驱动控制模块，能够输出m路控制信号，m路控制信号对m级开关组的工作状态进行控制和调节，改变最终输出的负高压脉冲波形参数。
参见图1，对本发明中上升沿、下降沿、电压幅值、重复频率、脉冲宽度和脉冲个数等波形参数实现参数化的具体方法进行详细说明，可能用到的参数或变量的名称如下：
开关模块中悬浮级联的全部开关组的个数以及对应的控制信号的路数为m(m不小于2)；开关模块中处于工作状态的开关组的个数以及对应的控制信号的路数为n(n≤m)；
开关模块中每一个开关组的固有导通时间为tc0；开关模块中每一个开关组的固有关断时间为ts0；开关模块中每一个开关组的导通延时参数为tcx(x＝1,2,…,m)(导通延时非均匀分配)或tc(导通延时均匀分配)；开关模块中每一个开关组的关断延时参数为tsy(y＝1,2,…,m)(关断延时非均匀分配)或ts(关断延时均匀分配)；开关模块中每一个开关组的电压幅值参数为vaz(z＝1,2,…,m)(电压幅值非均匀分配)或va(电压幅值均匀分配)；
负高压脉冲输出的上升沿参数为tr；负高压脉冲输出的下降沿参数为tf；
负高压脉冲输出的电压幅值参数为vout；负高压脉冲输出的重复频率参数为f0；负高压脉冲输出的脉冲宽度参数为tw；负高压脉冲输出的脉冲个数参数为n。
本发明中，由于实际情况下每个开关组中的开关都不会是理想的状态，因此导通和关断都不能瞬间完成，导致每个开关组都有一定的固有导通时间和固有关断时间。
因此，假设本发明中所使用的开关均为同一种开关，故开关组的固有导通时间和关断时间可以分别认为是一个常数，即分别是tc0和ts0。
负高压脉冲输出的上升沿实现参数化的过程如图3所示，其本质是通过控制信号对开关模块中开关组的导通时序进行控制。产生负高压脉冲的上升沿时，可以是m个开关组均处于工作状态，也可以是仅有一部分开关组处于工作状态。设开关模块中处于工作状态的开关组个数为n(n≤m)，每一级开关组的固有导通时间为常数tc0，参数输入模块中设置的上升沿参数为tr(tr≥tc0)，则驱动控制模块经过对接收到的上升沿参数tr的处理，会产生对应特征的n路控制信号g1，g2，…，g(n-1)，gn，并且分别发送给每一级处于工作状态的开关组的控制端g1，g2，…，g(n-1)，gn。每一路控制信号分别给每一级处于工作状态的开关组分配一个导通延时参数tcx(x＝1,2,…,n)，使开关组根据各自的延时开始依次导通。
具体时序为：在t＝tc1时刻第1个开关组开始导通，经过时间tc0完全导通，此时的时刻为t＝tc1+tc0；在t＝tc1+tc2时刻第2个开关组开始导通，经过时间tc0完全导通，此时的时刻为t＝tc1+tc2+tc0；依次类推可知，第n个(即最后一个)开关组完全导通的时刻为t＝tc1+tc2+…+tcn+tc0。因此，从第1个开关组开始导通，到第n个开关组也开始导通并经过时间tc0完全导通时，所用的时间即为负高压脉冲的上升沿tr，即tr＝tc2+tc3+…+tcn+tc0。
产生负高压脉冲的上升沿时，控制信号对导通延时的分配可以是非均匀分配的，也可以是均匀分配的。图4所示为n个开关组处于工作状态，并且导通延时均匀分配的负高压脉冲上升沿参数化过程(n≤m)。控制信号给每一级开关组分配的导通延时参数均为tc。开关组工作的具体时序为，在t＝tc时刻第1个开关组开始导通，经过时间tc0完全导通，此时的时刻为t＝tc+tc0；在t＝2·tc时刻第2个开关组开始导通，经过时间tc0完全导通，此时的时刻为t＝2·tc+tc0；依次类推可知，若有n个开关组处于工作状态，第n个(即最后一个)开关组完全导通的时刻为t＝n·tc+tc0。因此，从第1个开关组开始导通，到第n个开关组也开始导通并经过时间tc0完全导通时，所用的时间即为负高压脉冲的上升沿tr，即tr＝(n-1)·tc+tc0。输出的负高压脉冲的上升沿在一定范围内可以是连续可调的，也可以是非连续可调的。
负高压脉冲输出的下降沿实现参数化的过程如图5所示，其原理与上升沿的参数化方法类似。同样地，产生负高压脉冲的下降沿时，可以是m个开关组均处于工作状态，也可以是仅有一部分开关组处于工作状态。设开关模块中处于工作状态的开关组个数为n(n≤m)，每一级开关组的固有关断时间为常数ts0，参数输入模块中设置的下降沿参数为tf(tf≥ts0)，则驱动控制模块经过对接收到的下降沿参数tf的处理，会产生对应特征的n路控制信号g1，g2，…，g(n-1)，gn，并且分别发送给每一级处于工作状态的开关组的控制端g1，g2，…，g(n-1)，gn。每一路控制信号分别给每一级开关组分配一个关断延时参数tsy(y＝1,2,…,n)，使开关组根据各自的延时开始依次关断。具体时序为，在t＝ts1时刻第1个开关组开始关断，经过时间ts0完全关断，此时的时刻为t＝ts1+ts0；在t＝ts1+ts2时刻第2个开关组开始关断，经过时间ts0完全关断，此时的时刻为t＝ts1+ts2+ts0；依次类推可知，第n个(即最后一个)开关组完全关断的时刻为t＝ts1+ts2+…+tsn+ts0。因此，从第1个开关组开始关断，到第n个开关组也开始关断并经过时间ts0完全关断时，所用的时间即为负高压脉冲的下降沿tf，即tf＝ts2+ts3+…+tsn+ts0。
产生负高压脉冲的下降沿时，控制信号对关断延时的分配可以是非均匀分配的，也可以是均匀分配的。图6所示为n个开关组处于工作状态，并且关断延时均匀分配的负高压脉冲下降沿参数化过程(n≤m)。控制信号给每一级开关组分配的关断延时参数均为ts。开关组工作的具体时序为，在t＝ts时刻第1个开关组开始关断，经过时间ts0完全关断，此时的时刻为t＝ts+ts0；在t＝2·ts时刻第2个开关组开始关断，经过时间ts0完全关断，此时的时刻为t＝2·ts+ts0；依次类推可知，若有n个开关组处于工作状态，第n个(即最后一个)开关组完全关断的时刻为t＝n·ts+ts0。因此，从第1个开关组开始关断，到第n个开关组也开始关断并经过时间ts0完全关断时，所用的时间即为负高压脉冲的下降沿tf，即tf＝(n-1)·ts+ts0。同样，输出的负高压脉冲的下降沿在一定范围内可以是连续可调的，也可以是非连续可调的。此外，开关组导通和关断的时序控制可以是任意的，即第一个导通的开关组可以第一个关断，也可以不是。
负高压脉冲输出的电压幅值实现参数化的过程如图7所示，其本质是通过控制信号对开关模块中的开关组进行电压分配。达到一定电压幅值的过程中，可以是m个开关组均处于工作状态，也可以是仅有一部分开关组处于工作状态。设开关模块中处于工作状态的开关组个数为n(n≤m)，参数输入模块中设置的电压幅值参数为vout，则驱动控制模块经过对电压幅值参数vout的处理后产生n路控制信号，分别将电压幅值参数分配到每一级处于工作状态的开关组，使n级开关组在外加直流工作电压的驱动下分别产生相应幅值的负电压(n≤m)。由于n级开关组sw1，sw2，…，sw(n-1)，swn是悬浮级联的，因此n个开关组产生的负电压叠加起来，最终在输出端产生与所设置参数vout相同电压幅值的负高压脉冲。达到一定电压幅值的过程中，电压幅值参数在工作的开关组中可以非均匀分配，也可以均匀分配。从而每个处于工作状态的开关组产生的电压幅值可以是不同的，也可以是相同的。如果电压幅值参数非均匀分配，那么第1级开关组产生的负电压幅值为va1，第2级开关组产生的负电压幅值为va2，依次类推，第n级开关组产生的负电压幅值为van(n≤m)。此时输出的负高压脉冲的电压幅值为vout＝va1+va2+…+van；如果电压幅值参数均匀分配，那么每一级开关组产生的负电压幅值均为va。此时输出的负高压脉冲的电压幅值为vout＝n·va。每个开关组产生的负电压幅值可以是连续可调的，也可以是非连续可调的，因此叠加之后输出的负高压脉冲的电压幅值在一定范围内可以是连续可调的，也可以是非连续可调的。
负高压脉冲输出的重复频率实现参数化的过程如图8所示，其本质是通过控制信号对开关模块中的开关组的通断频率进行控制。由于同一个开关组中使用的所有开关均为同一种开关，因此每一级开关组内各开关的导通和关断性能相同，都可以达到同一种导通和关断的频率。设参数输入模块中设置的负高压脉冲输出的重复频率参数为f0，驱动控制模块经过对重复频率参数f0的处理后，周期性地对开关模块发送相同的控制信号，发送的频率也为f0。由于在每一个周期内，n路控制信号中控制开关组导通和关断的延时信息是固定的，因此处于工作状态的n个开关组在接收到控制信号后，会按照频率f0周期性地导通和关断，并且每经过一次完整的导通和关断过程都会产生一个固定的负高压脉冲，最终在输出端产生与所设置参数f0相同重复频率的负高压脉冲。输出的负高压脉冲的重复频率在一定范围内可以是连续可调的，也可以是非连续可调的。
负高压脉冲输出的脉冲宽度实现参数化的过程如图9所示，其本质是通过控制信号对开关模块中的开关组的导通持续时间进行控制。设参数输入模块中设置的负高压脉冲输出的脉冲宽度参数为tw，经驱动控制模块处理后产生n路控制信号，分别将导通持续时间参数分配到n级处于工作状态的开关组。当负高压脉冲的上升沿过程结束后，所有工作的开关组均处于完全导通的状态，此时的时刻为t＝tc1+tc2+…+tcn+tc0，负高压脉冲输出的电压幅值理论上达到设置值vout。假设第一个导通的开关组也第一个关断，则在维持时长为tw的导通持续时间之后，第1个开关组开始关断的时刻为t＝tc1+tc2+…+tcn+tc0+tw，第2个开关组开始关断的时刻为t＝tc1+tc2+…+tcn+tc0+tw+ts2，……依次类推，则第n个开关组开始关断的时刻为t＝tc1+tc2+…+tcn+tc0+tw+ts2+ts3+…+tsn，所有工作的开关组均完全关断的时刻为：
t＝tc1+tc2+…+tcn+tc0+tw+ts2+ts3+…+tsn+ts0；以上过程使得负高压脉冲波形产生下降沿。最终，开关模块的输出端产生与所设置参数tw相同脉冲宽度的负高压脉冲。输出的负高压脉冲的脉冲宽度在一定范围内可以是连续可调的，也可以是非连续可调的。
在实际应用的需求中，有时需要输出有限脉冲个数的负高压脉冲，该过程本质上是驱动控制模块对产生的控制信号进行计数。设参数输入模块中设置的负高压脉冲输出的脉冲个数参数为n，驱动控制模块经过处理后在对开关模块发送控制信号的同时开始计数。当控制信号经过一个完整的周期，使开关模块中的开关组完成一次完全的导通和关断过程，产生一个负高压脉冲时，计数加1；由于控制信号被周期性地发送给开关模块，开关组不断地重复导通和关断的过程，从而周期性地产生负高压脉冲，计数依次递增。当计数值达到设置值n时，驱动控制模块产生的控制信号使开关模块不再产生负高压脉冲，最终输出的负高压脉冲个数与所设置的参数n相同。若对输出的脉冲个数不作要求，则控制信号会控制开关模块持续地以一定频率输出负高压脉冲。输出的负高压脉冲的脉冲个数在一定范围内可以是连续可调的，也可以是非连续可调的，当超过该范围后可以近似认为脉冲个数是无穷多个。
通过上述负高压脉冲电源的参数化方法可以看出，驱动控制模块产生的一个完整的控制信号至少包含给开关模块中开关组分配的导通延时、关断延时、导通持续时间和电压幅值参数信息。控制信号可以是周期性的，也可以是非周期性的。周期性的控制信号还包含特定的重复频率参数信息，并且可以在产生负高压脉冲输出的同时对脉冲个数进行计数。在控制信号的控制和调节下，输出的负高压脉冲的上升沿、下降沿、电压幅值、重复频率、脉冲宽度和脉冲个数等波形参数在一定范围内可以是连续可调的，也可以是非连续可调的。
以上所述仅为本发明的部分实施方式，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。