脉冲发生电路、脉冲发生装置及方法与流程

本申请实施例涉及脉冲发生
技术领域：
，尤其涉及一种脉冲发生电路、脉冲发生装置及方法。
背景技术：
：脉冲功率技术是将缓慢储存起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩，转换或者直接释放给负载的电物理技术。该技术发展起始，其主要的应用领域主要在粒子加速器、电磁脉冲武器、强激光发生器、新型武器研究等军工国防领域，并推动了脉冲功率技术的快速发展。近年来，随着脉冲功率技术的应用向医疗、环境科学、等离体子科学、食品处理、电磁兼容检测和生物工程等领域不断扩展，对脉冲功率技术的参数需求也在不断的改进。传统的脉冲发生装置基于现有的脉冲发生电路只能输出固定的脉冲电压，不能灵活输出不同的脉冲电压。技术实现要素：本申请实施例的目的旨在提供一种脉冲发生电路、脉冲发生装置及方法，用以解决现有的脉冲发生电路不能灵活输出不同的脉冲电压的技术问题。第一方面，本申请实施例提供一种脉冲发生电路，包括：电连接的第一开关单元和充放电单元；第一开关单元用于与电源电连接；充放电单元包括依次电连接的n个充放电子单元和第n+1储能模块，n为整数且n≥1；每个充放电子单元包括储能模块、变压器和至少一个控制开关；第i个充放电子单元的变压器和控制开关，均与第i个充放电子单元的储能模块和第i+1个充放电子单元的储能模块电连接，i为整数且1≤i≤n-1；第一个充放电子单元和第n+1储能模块用于分别与负载的两端电连接；第一开关单元的控制开关和各充放电子单元的控制开关的控制端均用于与控制单元电连接。在一个可能的实现方式中，变压器包括两个线圈绕组；第i个充放电子单元的两个线圈绕组中，一个线圈绕组的第一端、第二端，分别与第i个充放电子单元的储能模块的第一端、第i+1个充放电子单元的储能模块的第二端电连接；另一个线圈绕组的第一端、第二端，分别与第i个充放电子单元的储能模块的第二端、第i+1个充放电子单元的储能模块的第一端电连接；第n个充放电子单元的两个线圈绕组的第二端，分别与第n+1储能模块的第一端、第二端电连接。在一个可能的实现方式中，两个线圈绕组绕制方向相同，且线圈绕组的匝数相等。在一个可能的实现方式中，每个充放电子单元包括第一控制开关和第二控制开关；第i个充放电子单元中，第一控制开关的第一端、第二端，分别与第i个充放电子单元的储能模块的第一端、第i+1个充放电子单元的储能模块的第二端电连接；第二控制开关的第一端、第二端，分别与第i个充放电子单元的储能模块的第二端、第i+1个充放电子单元的储能模块的第一端电连接；第n个充放电子单元的第一控制开关的第二端、第二控制开关的第二端，分别与第n+1储能模块的两端电连接；第一控制开关和第二控制开关的控制端均用于与控制单元电连接。在一个可能的实现方式中，第一开关单元包括：第三控制开关和第四控制开关；第三控制开关的第一端用于与电源的第一端的电连接，第二端与第一个充放电子单元的储能模块的第一端电连接；第四控制开关的第一端用于与电源的第二端、负载电连接，第二端与第一个充放电子单元的储能模块的第二端电连接；第三控制开关和第四控制开关的控制端均用于与控制单元电连接。在一个可能的实现方式中，第一开关单元还包括：第五控制开关；第五控制开关的第一端、第二端，分别与第三控制开关的第二端、第四控制开关的第一端电连接；第五控制开关的控制端用于与控制单元电连接。在一个可能的实现方式中，脉冲发生电路还包括：第二开关单元；第二开关单元包括第六控制开关和/或第七控制开关；第六控制开关的第一端和第七控制开关的第一端，分别与第n+1储能模块的两端电连接；第六控制开关的第二端和第七控制开关的第二端均与负载电连接；第六控制开关和第七控制开关的控制端均用于与控制单元电连接。第二方面，本申请实施例还提供一种脉冲发生装置，包括：控制单元和如第一方面的脉冲发生电路；控制单元，与第一开关单元的控制开关、各充放电子单元的控制开关的控制端都电连接，用于在充电阶段，控制各充放电子单元的控制开关均断开，使得各充放电子单元的储能模块和第n+1储能模块都并联，并通过第一开关单元控制电源为各充放电子单元都充电；在放电阶段，控制第一开关单元断开各充放电子单元与电源的电连接，并通过各充放电子单元的控制开关控制一个储能模块放电或预定的储能模块串联放电，使得充放电单元向负载输出设计脉冲电压。在一个可能的实现方式中，设计脉冲电压为放电阶段串联的储能模块的数量与电源电压的乘积。第三方面，本申请实施例还提供一种脉冲发生方法，应用于第一方面的脉冲发生电路，包括：在充电阶段，控制各充放电子单元的控制开关均断开，使得各充放电子单元的储能模块和第n+1储能模块都并联，并通过第一开关单元控制电源为各充放电子单元都充电；在放电阶段，控制第一开关单元断开各充放电子单元与电源的电连接，并通过各充放电子单元的控制开关控制一个储能模块放电或预定的储能模块串联放电，使得充放电单元向负载输出设计脉冲电压。在一个可能的实现方式中，在放电阶段，控制第一开关单元断开各充放电子单元与电源的电连接，并通过各充放电子单元的控制开关控制一个储能模块放电或预定的储能模块串联放电，使得充放电单元向负载输出设计脉冲电压，包括：在第一放电模式，控制第一开关单元断开各充放电子单元与电源的电连接，控制第奇数个充放电子单元的第一控制开关导通且第二控制开关断开，控制第偶数个充放电子单元的第一控制开关断开且第二控制开关导通，使得所有储能模块均串联，向负载输出第一极性的设计脉冲电压。在一个可能的实现方式中，在放电阶段，控制第一开关单元断开各充放电子单元与电源的电连接，并通过各充放电子单元的控制开关控制一个储能模块或预定的储能模块串联，使得充放电单元向负载输出设计脉冲电压，包括：在第二放电模式，控制第一开关单元断开各充放电子单元与电源的电连接，控制第奇数个充放电子单元的第二控制开关导通且第一控制开关断开，控制第偶数个充放电子单元的第二控制开关断开且第一控制开关导通，使得所有储能模块均串联，向负载输出第二极性的设计脉冲电压。在一个可能的实现方式中，在充电阶段，通过第一开关单元控制电源为各充放电子单元都充电，包括：控制第一开关单元中的第三控制开关和第四控制开关均导通，控制第一开关单元中的第五控制开关断开，使得第一个充放电子单元的储能模块的两端与电源的两端电连接；以及，在第一放电模式，控制第一开关单元断开各充放电子单元与电源的电连接，包括：控制第一开关单元中的第三控制开关和第五控制开关断开，控制第一开关单元中的第四控制开关导通，使得各充放电子单元与电源的断开电连接。在一个可能的实现方式中，在充电阶段，通过第一开关单元控制电源为各充放电子单元都充电，包括：控制第一开关单元中的第三控制开关和第四控制开关均导通，控制第一开关单元中的第五控制开关断开，使得第一个充放电子单元的储能模块的两端与电源的两端电连接；以及，在第二放电模式，控制第一开关单元断开各充放电子单元与电源的电连接，包括：控制第一开关单元中的第三控制开关和第四控制开关断开，控制第一开关单元中的第五控制开关导通，使得各充放电子单元与电源的断开电连接。相比现有技术，本申请实施例的技术方案至少具有以下有益技术效果：本申请实施例的脉冲发生电路的充放电单元包括依次电连接的n个充放电子单元和第n+1储能模块，可以通过控制单元控制第一开关单元的控制开关、各充放电子单元的控制开关实现充放电单元的充电和放电。在放电阶段，控制第一开关单元断开各充放电子单元与电源的电连接，并通过各充放电子单元的控制开关控制一个储能模块放电或预定的储能模块串联放电，使得充放电单元向负载输出设计脉冲电压，设计脉冲电压为多种不同的脉冲电压中的任一种。由于本申请实施例的放电回路中储能模块的数量的不同，使得充放电单元向负载对应输出不同的脉冲电压，从而可以根据实际需求灵活调整放电回路中的储能模块的数量，输出设计脉冲电压。本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。附图说明本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本申请实施例提供的一种脉冲发生电路、电源以及负载电连接的电路结构示意图；图2为本申请实施例提供的一种脉冲发生装置的结构示意图；图3为本申请实施例提供的一种脉冲发生方法的流程图；图4为图1的电路结构在充电阶段的结构示意图；图5为图1的电路结构在第一放电模式的结构示意图；图6为图1的电路结构在第二放电模式的结构示意图；图7为图1的电路结构在非工作阶段的结构示意图；图8为本申请实施例提供的一种脉冲发生电路中的各控制开关的开关状态的时序图；图9为本申请实施例提供的一种脉冲发生电路中的变压器的感应隔离工作原理示意图；图10为本申请实施例提供的一种脉冲发生电路输出典型方波脉冲的示意图；图11a、11b分别为本申请实施例提供的一种脉冲发生电路输出正极性脉冲上升沿和负极性脉冲上升沿的局部示意图；图12a、12b分别为本申请实施例提供的一种脉冲发生电路输出不同宽度的正极性脉冲和负极性脉冲的示意图。附图标记：10-脉冲发生电路；20-电源；110-第一开关单元、111-第三控制开关、112-第四控制开关、113-第五控制开关；120-充放电子单元、121-储能模块、122-变压器、123-第一控制开关、124-第二控制开关、130-第n+1储能模块；140-第二开关单元、141-第六控制开关、142-第七控制开关；30-负载；40-控制单元。具体实施方式下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。本
技术领域：
技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被固定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。本
技术领域：
技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。本申请实施例提供一种脉冲发生电路10，参见图1所示，该脉冲发生电路10包括：电连接的第一开关单元110和充放电单元。第一开关单元110用于与电源20电连接。充放电单元包括依次电连接的n个充放电子单元120和第n+1储能模块130，n为整数且n≥1。每个充放电子单元120包括储能模块121、变压器122和至少一个控制开关。第i个充放电子单元120的变压器122和控制开关，均与第i个充放电子单元120的储能模块121和第i+1个充放电子单元120的储能模块121电连接，i为整数且1≤i≤n-1。第一个充放电子单元120和第n+1储能模块130用于分别与负载30的两端电连接。第一开关单元110的控制开关和各充放电子单元120的控制开关的控制端均用于与控制单元40电连接。本申请实施例可以通过控制单元40控制第一开关单元110的控制开关、各充放电子单元的控制开关实现充放电单元的充电和放电。在放电阶段，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，并通过各充放电子单元120的控制开关控制一个储能模块121放电或预定的储能模块121串联放电，输出设计脉冲电压，设计脉冲电压为多种不同的脉冲电压中的任一种。由于本申请实施例的放电回路中储能模块121的数量的不同，会使得充放电单元向负载30对应输出不同的脉冲电压，从而可以根据实际需求灵活调整放电回路中的储能模块121的数量，输出设计脉冲电压。可选地，参见图1所示，电源vdc表示电源20，电源20为直流电源。在一些实施例中，参见图1所示，变压器122包括两个线圈绕组。第i个充放电子单元120的两个线圈绕组中，一个线圈绕组的第一端、第二端，分别与第i个充放电子单元120的储能模块121的第一端、第i+1个充放电子单元120的储能模块121的第二端电连接；另一个线圈绕组的第一端、第二端，分别与第i个充放电子单元120的储能模块121的第二端、第i+1个充放电子单元120的储能模块121的第一端电连接。第n个充放电子单元120的两个线圈绕组的第二端，分别与第n+1储能模块130的第一端、第二端电连接。可选地，储能模块121可以包括至少一个电容，在图1所示的实施例中，每个储能模块121包括一个电容，储能模块121的第一端为电容的正极，储能模块121的第二端为电容的负极。在一些实施例中，两个线圈绕组绕制方向相同，且线圈绕组的匝数相等。可选地，参见图1所示，作为一种示例，n＝3，充放电单元包括依次电连接的三个充放电子单元120和第n+1储能模块130，第n+1储能模块130为第四储能模块。第一个充放电子单元120、第二个充放电子单元120、第三个充放电子单元120的储能模块121分别具体为电容c1、电容c2、电容c3，c4表示第n+1储能模块130，也就是第四储能模块130。线圈绕组t1_1、线圈绕组t1_2分别为第一个充放电子单元120的变压器122的两个线圈绕组，线圈绕组t2_2、线圈绕组t2_1分别为第二个充放电子单元120的变压器122的两个线圈绕组，线圈绕组t3_1、线圈绕组t3_2分别为第一个充放电子单元120的变压器122的两个线圈绕组。可选地，图1所示的实施例中，示出了充放电单元包括三个充放电子单元120的结构，同理在其他的实施例中充放电单元可以包括一个、两个或三个以上的充放电子单元120。在一些实施例中，参见图1所示，每个充放电子单元120包括第一控制开关123和第二控制开关124。第i个充放电子单元120中，第一控制开关123的第一端、第二端，分别与第i个充放电子单元120的储能模块121的第一端、第i+1个充放电子单元120的储能模块121的第二端电连接；第二控制开关124的第一端、第二端，分别与第i个充放电子单元120的储能模块121的第二端、第i+1个充放电子单元120的储能模块121的第一端电连接。第n个充放电子单元120的第一控制开关123的第二端、第二控制开关124的第二端，分别与第n+1储能模块130的两端电连接。第一控制开关123和第二控制开关124的控制端均用于与控制单元40电连接。可选地，参见图1所示，第一个充放电子单元120、第二个充放电子单元120、第三个充放电子单元120的第一控制开关123分别具体为控制开关s1_1、控制开关s2_2和控制开关s3_1。第一个充放电子单元120、第二个充放电子单元120、第三个充放电子单元120的第二控制开关124分别具体为控制开关s1_2、控制开关s2_1、控制开关s3_2。在一些实施例中，参见图1所示，第一开关单元110包括：第三控制开关111和第四控制开关112。第三控制开关111的第一端用于与电源20的第一端的电连接，第二端与第一个充放电子单元120的储能模块121的第一端电连接。第四控制开关112的第一端用于与电源20的第二端、负载30电连接，第二端与第一个充放电子单元120的储能模块121的第二端电连接。第三控制开关111和第四控制开关112的控制端均用于与控制单元40电连接。在一些实施例中，参见图1所示，第一开关单元110还包括：第五控制开关113。第五控制开关113的第一端、第二端，分别与第三控制开关111的第二端、第四控制开关112的第一端电连接。第五控制开关113的控制端用于与控制单元40电连接。可选地，参见图1所示，控制开关sc、控制开关s0_1、控制开关s0_2分别表示第三控制开关111、第四控制开关112和第五控制开关113，电阻rl表示负载30。控制开关sc的第一端与电源20的正极电连接，控制开关sc的第二端与电容c1的正极电连接。控制开关s0_2的第一端与控制开关sc的第二端和电容c1的正极都电连接；控制开关s0_2的第二端与电源20的负极、控制开关s0_1的第一端、电阻rl的第一端均电连接。控制开关s0_1的第一端与电源20的负极、控制开关s0_2的第二端、电阻rl的第一端均电连接；控制开关s0_1的第二端与电容c1的负极电连接。在一些实施例中，参见图1所示，脉冲发生电路10还包括：第二开关单元140。第二开关单元140包括第六控制开关141和/或第七控制开关142。第六控制开关141的第一端和第七控制开关142的第一端，分别与第n+1储能模块130的两端电连接。第六控制开关141的第二端和第七控制开关142的第二端均用于与负载30电连接。第六控制开关141和第七控制开关142的控制端均用于与控制单元40电连接。可选地，参见图1所示，第二开关单元140包括控制开关s4_2和控制开关s4_1，控制开关s4_2、控制开关s4_1分别表示第六控制开关141、第七控制开关142。控制开关s4_2的两端分别与电容c4的负极、电阻rl的第二端电连接，控制开关s4_1的两端分别与电容c4的正极、电阻rl的第二端电连接。可选地，第一开关单元110的控制开关、各充放电子单元120的控制开关、以及第二开关单元140的控制开关均可采用mosfet。基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种脉冲发生装置，包括：控制单元40和本申请任一实施例的脉冲发生电路10。控制单元40，与第一开关单元110的控制开关、各充放电子单元120的控制开关的控制端都电连接，用于在充电阶段，控制各充放电子单元120的控制开关均断开，使得各充放电子单元120的储能模块121和第n+1储能模块130都并联，并通过第一开关单元110控制电源20为各充放电子单元120都充电；在放电阶段，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，并通过各充放电子单元120的控制开关控制一个储能模块121放电或预定的储能模块121串联放电，使得充放电单元向负载30输出设计脉冲电压。可选地，参见图2所示，脉冲发生电路10分别与电源20和负载30电连接，电源20和负载30分别为脉冲发生电路10的外接部件，电源20为脉冲发生电路10提供电源，脉冲发生电路10向负载30输出设计脉冲电压。可选地，在实际应用中，电源20可以是脉冲发生装置自带电源，也可以是脉冲发生装置的外接电源，负载30可以是脉冲发生装置自带输出部，也可以是脉冲发生装置的外接部件。在一些实施例中，设计脉冲电压为放电阶段串联的储能模块121的数量与电源20电压的乘积。可选地，控制单元40用于根据需输出的设计脉冲电压，控制第一开关单元110的控制开关、各充放电子单元120的控制开关，形成带有预定数量的储能模块121的放电回路，使得充放电单元向负载30输出设计脉冲电压。可选地，控制单元40用于控制第一开关单元110的控制开关、各充放电子单元120的控制开关，使储能模块121的不同极性端子相连接，可以在负载30上输出第一极性的设计脉冲电压和第二极性的设计脉冲电压。可选地，控制单元40采用fpga(field-programmablegatearray，现场可编程门阵列)。基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种脉冲发生方法，应用于本申请任一实施例的脉冲发生电路10，包括：步骤s301、在充电阶段，控制各充放电子单元120的控制开关均断开，使得各充放电子单元120的储能模块121和第n+1储能模块130都并联，并通过第一开关单元110控制电源20为各充放电子单元120都充电。可选地，参见图4所示，以图1的电路结构为例，示出了充电阶段的充电回路，图中实线线路和连接的部件形成充电回路，虚线线路和连接的部件未参与充电阶段，处于断开状态。步骤s302、在放电阶段，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，并通过各充放电子单元120的控制开关控制一个储能模块121放电或预定的储能模块121串联放电，使得充放电单元向负载30输出设计脉冲电压。可选地，根据需输出的设计脉冲电压，放电回路中储能模块121的数量，使得充放电单元向负载30输出设计脉冲电压。可选地，步骤s301的充电阶段和步骤s302的放电阶段，可以依次循环进行。在一些实施例中，在放电阶段，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，并通过各充放电子单元120的控制开关控制一个储能模块121放电或预定的储能模块121串联放电，使得充放电单元向负载30输出设计脉冲电压，包括：在第一放电模式，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，控制第奇数个充放电子单元120的第一控制开关123导通且第二控制开关124断开，控制第偶数个充放电子单元120的第一控制开关123断开且第二控制开关124导通，使得所有储能模块121均串联，向负载30输出第一极性的设计脉冲电压。可选地，在第一放电模式，控制第二开关单元140的第六控制开关141断开，第七控制开关142导通，形成放电回路，使得所有储能模块121均串联，向负载30输出第一极性的设计脉冲电压。在一些实施例中，在放电阶段，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，并通过各充放电子单元120的控制开关控制一个储能模块121或预定的储能模块121串联，使得充放电单元向负载30输出设计脉冲电压，包括：在第二放电模式，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，控制第奇数个充放电子单元120的第二控制开关124导通且第一控制开关123断开，控制第偶数个充放电子单元120的第二控制开关124断开且第一控制开关123导通，使得所有储能模块121均串联，向负载30输出第二极性的设计脉冲电压。在一些实施例中，在充电阶段，通过第一开关单元110控制电源20为各充放电子单元120都充电，包括：控制第一开关单元110中的第三控制开关111和第四控制开关112均导通，控制第一开关单元110中的第五控制开关113断开，使得第一个充放电子单元120的储能模块121的两端与电源20的两端电连接；以及，在第一放电模式，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，包括：控制第一开关单元110中的第三控制开关111和第五控制开关113断开，控制第一开关单元110中的第四控制开关112导通，使得各充放电子单元120与电源20断开电连接。在一些实施例中，在充电阶段，通过第一开关单元110控制电源20为各充放电子单元120都充电，包括：控制第一开关单元110中的第三控制开关111和第四控制开关112均导通，控制第一开关单元110中的第五控制开关113断开，使得第一个充放电子单元120的储能模块121的两端与电源20的两端电连接；以及，在第二放电模式，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，包括：控制第一开关单元110中的第三控制开关111和第四控制开关112断开，控制第一开关单元110中的第五控制开关113导通，使得各充放电子单元120与电源20断开电连接。可选地，在第一放电模式，还包括：控制第二开关单元140的第六控制开关141断开，控制第七控制开关142导通，使得所有储能模块121均串联，向负载30输出第一极性的设计脉冲电压。可选地，在第二放电模式，还包括：控制第二开关单元140的第六控制开关141导通，控制第七控制开关142断开，使得所有储能模块121均串联，向负载30输出第二极性的设计脉冲电压。可选地，该脉冲发生方法还包括：在非工作阶段，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，控制各充放电子单元120与负载30断开电连接。可选地，非工作阶段相当于放电阶段中的输出脉冲电压为0的阶段。可选地，在非工作阶段，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，控制各充放电子单元120与负载30断开电连接，包括：控制单元40控制第一开关单元110的第三控制开关111和第五控制开关113断开，第四控制开关112导通，使得各充放电子单元120与电源20断开电连接；控制单元40控制各充放电子单元120的第一控制开关123断开，各充放电子单元120的第二控制开关124导通，使得各充放电子单元120与负载30断开电连接。可选地，在非工作阶段，控制各充放电子单元120与负载30断开电连接，还包括：控制单元40控制第二开关单元140的第六控制开关141断开，第七控制开关142导通。可选地，作为一种示例，图4至图7示出了充电阶段、放电阶段、和非工作阶段的电路结构；图8示出了t0至t6时刻的各控制开关的开关状态的时序图，chargingmode表示充电阶段，dischargingmode表示放电阶段，表一示出了负载30输出波形极性及幅值的关系。结合图4至图8、以及表一，进一步具体说明本申请的一个实施例的实施方式。表1脉冲发生电路开关状态和输出脉冲极性及幅值表一中，开关状态中的1表示控制开关导通，0表示控制开关断开。输出幅值中，4vs表示设计脉冲电压为4倍的直流电源vds的电压，为正极性的设计脉冲电压；-4vs表示设计脉冲电压为4倍的直流电源vds的电压，为负极性的设计脉冲电压。可选地，参见图4所示，控制单元40控制控制开关s1_1、控制开关s2_2、控制开关s3_1、控制开关s1_2、控制开关s2_1、控制开关s3_2断开，使得电容c1、电容c2、电容c3和电容c4都并联，控制开关sc和控制开关s0_1均导通，控制开关s0_2断开，电源vdc对电容c1、电容c2、电容c3和电容c4都充电。可选地，控制单元40控制第二开关单元140的第六控制开关141和第七控制开关142均断开，使得各充放电子单元120与负载30断开连接。参见图4所示，控制单元40控制控制开关s4_2和控制开关s4_1断开，使得各充放电子单元120与电阻rl断开连接。可选地，在本实施例中，结合图4和图8所示，在t0-t1阶段，为充电阶段，直流电源vdc通过控制开关sc、控制开关s0_1的反向二极管和同向绕制的变压器122向并联的电容充电；每个电容并联充电电压值均为直流电源vds的电压vs，由于变压器122的引线端子与电容为交叉连接，电容充电的极性不同，vc1＝vc3＝vs，vc2＝vc4＝―vs。其中，vc1为电容c1的电压，vc2为电容c2的电压，vc3为电容c3的电压，vc4为电容cc1的电压。可选地，参见图5所示，在第一放电模式，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，控制第奇数个充放电子单元120的第一控制开关123导通且第二控制开关124断开，控制第偶数个充放电子单元120的第一控制开关123断开且第二控制开关124导通，使得所有储能模块121均串联，向负载30输出第一极性的设计脉冲电压，包括：在第一放电模式，控制单元40控制第一开关单元110的控制开关sc、控制开关s0_2断开，控制开关s0_1导通，使得第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接。控制单元40控制各充放电子单元120的控制开关s1_1、控制开关s2_1、控制开关s3_1导通，控制控制开关s1_2、控制开关s2_2、控制开关s3_2断开；控制第二开关单元140的控制开关s4_2断开，控制开关s4_1导通，使得电容c1、电容c2、电容c3和电容c4串联放电，向负载30输出第一极性的设计脉冲电压。可选地，结合图5和图8所示，第一放电模式为4倍脉冲放电模式：在t1-t2阶段，为第一放电模式，控制开关s0_1、s1_1、s2_1、s3_1、s4_1导通，控制开关sc、s0_2、s1_2、s2_2、s3_2、s4_2断开，从而使得电容c1、c2、c3、c4的不同极性端连接，从而对负载电阻串联放电，脉冲发生电路10输出的脉冲极性为正极性。此时，电阻rl上脉冲电压vo如表达式(1)所示：此时，控制开关s0_2承受反向的电压为vs，控制开关s1_2、s2_2、s3_2、s4_2承受的反向电压为2vs，变压器122的线圈绕组处于感应隔离状态。参见图9所示，线圈绕组的两端承受的电压为vs，在线圈绕组t1_1两侧电压为vc2时，流过线圈绕组t1_1的电流为i1，由于变压器磁感应，会在次级线圈绕组t1_2上形成电流i1'，且i1＝-i1'。而次级线圈绕组t1_2在正极性放电时两端电压为vc1，流过线圈绕组t1_2的电流为i2，因此会在线圈绕组t1_1上感应出电流i2'，且i2＝―i2'。由于变压器122的线圈绕组绕制方向相同且匝数为1:1，且vc1＝vc2，因此i1＝i2，即i1＝i2＝―i1'＝―i2'。此时线圈绕组t1_1流过的电流即为i1_1＝i1+i2'＝0，同样线圈绕组t1_2流过的电流也为i1_2＝i2+i1'＝0，因此，流过变压器122的电流均为0。可选地，参见图6所示，在第二放电模式，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，控制第奇数个充放电子单元120的第二控制开关124导通且第一控制开关123断开，控制第偶数个充放电子单元120的第二控制开关124断开且第一控制开关123导通，使得所有储能模块121均串联，向负载30输出第二极性的设计脉冲电压，包括：在第一放电模式，控制单元40控制第一开关单元110的控制开关sc、控制开关s0_1断开，控制开关s0_2导通，使得第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接；控制单元40控制各充放电子单元120的控制开关s1_1、控制开关s2_1、控制开关s3_1断开，控制控制开关s1_2、控制开关s2_2、控制开关s3_2导通；控制第二开关单元140的控制开关s4_2导通，控制开关s4_1断开，使得电容c1、电容c2、电容c3和电容c4串联放电，向负载30输出第二极性的设计脉冲电压。可选地，第一极性的设计脉冲电压为正极性的设计脉冲电压；第二极性的设计脉冲电压为负极性的设计脉冲电压。可选地，结合图6和图8所示，第二放电模式为4倍脉冲放电模式，原理与第一放电模式类似。在t3-t4阶段，控制开关s0_2、s1_2、s2_2、s3_2、s4_2导通，控制开关sc、s1_1、s2_1、s3_1、s4_1断开电容c1、c2、c3、c4的不同极性端连接，脉冲发生器输出的脉冲极性为负极性。此时，电阻上脉冲电压vo如表达式(2)所示：：此时，控制开关s0_1承受反向的电压为vs，控制开关s1_1、s2_1、s3_1、s4_1承受的反向电压为2vs，变压器122的线圈绕组同样处于感应隔离状态。可选地，参见图7所示，在放电阶段输出脉动电压为0，也就是非工作阶段，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，控制各充放电子单元120与负载30断开电连接，包括：控制单元40控制第一开关单元110的控制开关sc和控制开关s0_2断开，控制开关s0_1导通，使得各充放电子单元120与电源20断开电连接；控制单元40控制控制开关s1_1、控制开关s2_2、控制开关s3_1断开，控制开关s1_2、控制开关s2_1、控制开关s3_2导通；控制单元40控制控制开关s4_2断开，控制开关s4_1导通，使得各充放电子单元120与负载30断开电连接。可选地，结合图7和图8所示，在非工作阶段，在t5-t6阶段，控制开关s0_1、s1_2、s2_1、s3_2、s4_1导通，控制开关sc、s0_2、s1_1、s2_2、s3_1、s4_2断开，放电回路中没有任何电容，因此负载30上输出的电压是0。可选地，作为一种示例，在放电阶段，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，并通过各充放电子单元120的控制开关控制一个储能模块121放电，使得充放电单元向负载30输出设计脉冲电压，包括：控制单元40控制控制开关sc、控制开关s0_2、控制开关s1_2、控制开关s2_1、控制开关s3_2、控制开关s4_1断开，控制控制开关s0_1、控制开关s1_1、控制开关s2_2、控制开关s3_1、控制开关s4_2导通，控制一个电容c1放电，使得充放电单元向负载30输出设计脉冲电压。此时，设计脉冲电压为vs。可选地，作为一种示例，在放电阶段，控制第一开关单元110断开各充放电子单元120与电源20的电连接，并通过各充放电子单元120的控制开关控制两个储能模块121串联放电，使得充放电单元向负载30输出设计脉冲电压，包括：控制单元40控制控制开关sc、控制开关s0_2、控制开关s1_2、控制开关s2_2、控制开关s3_1、控制开关s4_2断开，控制控制开关s0_1、控制开关s1_1、控制开关s2_1、控制开关s3_2、控制开关s4_1导通，控制一个电容c1和电容c2串联放电，使得充放电单元向负载30输出设计脉冲电压。此时，设计脉冲电压为2vs。可选地，本申请实施例的感应隔离双极性脉冲源在输出双极性方波且幅值最大的时候，输出功率最大，其各个电容均处于正极性或负极性放电状态，因此，可以在此状态下对电路中各元件主要参数进行分析，从而实现对整个脉冲源设计的参数选择。感应隔离双极性脉冲源在工作时，可以视为一个能量转换的过程，即将充电电源的能量进行压缩叠加，在短时间内输出至负载电阻rl，考虑的能量转换过程中的损耗，充电电源的为电容充电的功率应大于输出脉冲在电阻上消耗的平均功率，如表达式(3)所示：其中，ps为充电电源功率，vo为负载电阻上电压值，方波脉冲可忽略其电压降，rl为负载电阻值，tp为单个脉冲宽度，f为输出双极性脉冲的频率。根据前面所述的电路工作原理可知，负载电阻的最大脉冲电压vo如表达式(4)所示：vo＝nvs表达式(4)因此，充电电源的功率如表达式(5)所示：电容作为储能模块121，其额定工作电压和容值的选取影响整个电路的工作性能，每级电容的最大充电电压为vs。因此，该电容的额定工作电压需大于等于vs。在放电时，电容串联后将向负载30放电，该放电过程中电容电压如表达式(6)所示：τ＝rlce表达式(7)其中，vt为t时刻电容上的电压值，rl为负载电阻值，vc为n个电容串联后总初始电压值如表达式(8)所示：vc＝nvs表达式(8)其中，ce为n个电容串联放电时的等效电容值，电路中所有的电容均取相同容值c，则ce如表达式(9)所示：因此，得到如下表达式(10)：为保证脉冲发生电路10所输出的脉冲近似为方波，电容容值应尽量大，若取方波脉冲的顶降小于5％，即在t＝tp时，脉冲电压幅值大于等于为初始值电压值的0.95倍，因此得到如下表达式(11)：储能电容的最小容值需满足以下条件，如下表达式(12)所示：此外，在工作过程中，多数半导体开关最大的反向耐受电压为2vs，因此，在控制开关选择mosfet时，其最大漏源极电压vdsmax应大于2vs。为了验证本申请实施例的脉冲发生电路10的基本原理，本实验研发了由fpga控制的10级模块化感应隔离双极性脉冲发生装置，并搭建测试平台。控制信号采用光纤进行隔离传输，增加系统抗干扰能力。各级充放电子单元120之间用铜柱固定并导电，使得模块的增减十分灵活。研制的脉冲发生器最大输出电压±6000v，最大输出方波脉冲宽度1000ns，负载电阻为50ω的无感电阻，每级模块的电容容值由公式15计算得出应大于1.9μf，因此电容选用2μf。因此，脉冲发生电路10中各主要规格参数如表2所示。表2实验参数充电电源电压vs0-600v模块级数n10输出脉冲电压vo0-±6000v最大脉冲宽度tp1000ns负载电阻rl50ω单位电容电压放电后保持值α0.9每级模块储能电容值c2μf选用电源20的输出电压600v，最大输出功率150w。控制开关的mosfet选用漏源极击穿电压为1200v，直流通流90a，脉冲电流可达250a。电容选用电容容值0.1μf，采取20个并联使用，总容值为2μf。控制单元40为fpga，脉冲发生电路10采用的磁芯选用纳米晶磁芯pn5017，变压器122的线圈绕组的匝数为40匝。基于上述脉冲发生装置，输出的方波脉冲如图10所示，因为电源20充电电压为600v，经过10级充放电子单元120叠加输出后的脉冲幅值±6000v，脉宽为1000ns，正脉冲和负脉冲的上升沿均在10ns左右，如图11a和11b所示。通过调节fpga的控制信号，控制控制开关的导通和断开，可以输出不同宽度的方波脉冲，如图11a和11b所示，分别示出了正极性和负极性的脉冲，脉冲宽度分别为200ns、400ns、600ns、800ns、1000ns。由图11a和11b，可以看出脉冲发生装置在不同脉宽下，上升沿与下降沿均无明显差别，本申请实施例的脉冲发生电路10及装置还可以实现脉冲宽度的灵活调节。基于上述研究，本申请实施例的脉冲发生电路10及装置验证了感应隔离双极性脉冲源的理论分析与仿真结果，并且脉冲发生电路10及装置的样机可以达到设计指标，实现了脉冲发生电路10输出脉冲灵活可调。同时，本申请实施例的脉冲发生电路10可以具有多级充放电子单元120，可以通过增加充放电子单元120的级数，可以实现更高电压的脉冲输出。本申请实施例的脉冲发生电路10及装置是一种新型的磁感应隔离双极性脉冲源，该脉冲源采用并联充电，串联放电的工作模式，采用1:1的变压器122在对主电路中的电容充电，并在放电时刻对瞬间变化的电压进行隔离，充放电子单元120可以在负载30上输出正负双极性的脉冲。通过理论分析、仿真和实物研制测试，验证了该脉冲源电路形式的可行性，可实现脉冲波形的灵活调节。通过fpga系统的控制，该脉冲源可以输出正极性、负极性及双极性的方波脉冲或阶梯波脉冲，脉冲宽度、频率、幅值也灵活可调。此外，可通过改变电源20的充电功率、开关电容等器件型号，充放电子单元120的数量，实现更高电压、更大脉宽的脉冲输出。因此，本申请实施例的脉冲发生电路10及装置在理论与实验上得到验证，可输出多电平脉冲，波形灵活可调，在生物医疗、等离子体产生、电磁兼容检测、环境应用等需要灵活可调波形的领域有着良好的应用前景。本
技术领域：
技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有固定的方位、以固定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。当前第1页12