基于脉冲充电的脉冲发生装置

本发明涉及脉冲领域，具体是基于脉冲充电的脉冲发生装置。

背景技术：

1、在脉冲功率技术研究领域，主要的储能元件包括了电容储能和电感储能，目前大多数脉冲发生器均为电容储能，其主要用于产生脉冲电压波形，而电感储能在脉冲发生器中使用较少，其主要用于产生脉冲波形。相比于电容储能的方式，电感储能具有储能密度高的优势。

2、脉冲发生装置主要采用电感储能技术，从而可以输出电流幅值灵活可调的脉冲，其输出的电流幅值不随负载特性的改变而改变。脉冲发生装置在现代科学技术领域中具有广泛的应用，如生物医疗、半导体测试、超导测试、等离子体物理、受控核聚变、电磁推进、重复脉冲的大功率激光器、高功率雷达、强流带电粒子束的产生及强脉冲电磁辐射等。

3、在这些应用领域中，大多需要脉冲的波形、幅值、频率等参数可控，如在生物医学领域，需要多脉冲幅值、频率和波形等参数实现定量全控，输出波形多为方波，且频率在数hz至数千hz级别灵活可调。而现有的脉冲发生装置输出波形均为指数衰减波形，无法实现脉冲波形的灵活可调，例如无法实现输出方波脉冲。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于脉冲充电的脉冲发生装置，电路拓扑如下所示：

2、记脉冲源vpulse的两端分别为a端和b端；

3、脉冲源vpulse的a端连接二极管d1的阴极；

4、二极管di的阴极串联电感li后连接开关si’的漏极；开关si’的栅极悬空；开关si’的源极连接负载电阻rl后接地；i＝1,2，…，n-1；

5、二极管di的阴极串联电感li后连接开关si的漏极；开关si的栅极悬空；开关si的源极连接二极管di+1的阴极；开关si的源极串联电感li+1后连接开关si+1的漏极；

6、二极管di的阳极接地；

7、二极管dn的阴极串联电感ln后连接开关sn的漏极；开关sn的栅极悬空；开关sn的源极接地；

8、二极管dn的阴极串联电感ln后连接开关sn’的漏极；开关sn’的栅极悬空；开关sn’的源极串联负载电阻rl后接地；

9、脉冲源vpulse的b端接地。

10、进一步，所述开关包括mosfet开关。

11、进一步，脉冲发生装置充电时，开关s1、开关s2、…、开关sn导通，开关s1’、开关s2’、…、开关sn’断开，脉冲源vpulse向电感l1、电感l2、…、电感ln串联充电，并流向gnd。

12、进一步，脉冲发生装置放电时，开关s1’、开关s2’、…、开关sn’导通，开关s1、开关s2、…、开关sn断开，电感l1、电感l2、…、电感ln的电流流向负载电阻rl；流入负载电阻rl的电流irl＝nidc；idc为任意电感的充电电流。

13、进一步，脉冲频率由开关的导通频率决定；脉冲宽度由开关的导通时间长度决定。

14、进一步，脉冲发生装置输出指数衰减脉冲，输出方式包括：在一次放电过程中，开关s1、开关s2、…、开关sn断开时间大于tmax1，开关s1’、开关s2’、…、开关sn’导通时间大于tmax2；tmax1、tmax2为预设的时间阈值。

15、进一步，脉冲发生装置输出阶梯型脉冲，输出步骤包括：

16、1)在t1-t2时刻，开关s1、开关s2、…、开关sn延迟△t时间断开，开关s1’、开关s2’、…、开关sn’延迟△t时间导通，使得脉冲发生装置输出的脉冲上升沿为阶梯型；

17、2)在t3-t4时刻，开关s1、开关s2、…、开关sn断开，开关s1’、开关s2’、…、开关sn’导通，使得脉冲发生装置输出的脉冲幅值为nidc；idc为任意电感的充电电流；

18、3)在t5-t6时刻，开关s1、开关s2、…、开关sn延迟△t时间导通，开关s1’、开关s2’、…、开关sn’延迟△t时间断开，使得脉冲发生装置输出的脉冲下降沿为阶梯型。

19、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了一种输出脉冲幅值、频率和波形均灵活可调的模块化脉冲发生装置，可以实现输出脉冲幅值恒定，波形可控，波形包括方波、阶梯波及指数衰减波等。

20、本发明输出的脉冲幅值灵活可调，不随负载特性的变化而变化，可定量输出脉冲。

21、本发明采用半导体开关实现对参数的全控，输出频率可调。

22、本发明采用模块化设计，可以根据需求，增加模块数量，实现更大脉冲输出。

23、本发明采用全固态可控开关实现对脉冲的输出波形控制，可以输出方波、阶梯波及指数衰减波等。

24、本发明采用电感储能，实现脉冲幅值可调。

25、本发明每个模块包括两个开关，充电时隔离负载，放电结束后将负载切出，防止负载有残留电荷或电压。

技术特征：

1.基于脉冲充电的脉冲发生装置，其特征在于，电路拓扑如下所示：

2.根据权利要求1所述基于脉冲充电的脉冲发生装置，其特征在于：脉冲发生装置充电时，开关s1、开关s2、…、开关sn导通，开关s1’、开关s2’、…、开关sn’断开，脉冲源vpulse向电感l1、电感l2、…、电感ln串联充电，并流向gnd。

3.根据权利要求1所述基于脉冲充电的脉冲发生装置，其特征在于：脉冲发生装置放电时，开关s1’、开关s2’、…、开关sn’导通，开关s1、开关s2、…、开关sn断开，电感l1、电感l2、…、电感ln的电流流向负载电阻rl；流入负载电阻rl的电流irl＝nidc；idc为任意电感的充电电流。

4.根据权利要求1所述基于脉冲充电的脉冲发生装置，其特征在于：脉冲频率由开关的导通频率决定；脉冲宽度由开关的导通时间长度决定。

5.根据权利要求4所述基于脉冲充电的脉冲发生装置，其特征在于：脉冲发生装置输出指数衰减脉冲，输出方式包括：在一次放电过程中，开关s1、开关s2、…、开关sn断开时间大于tmax1，开关s1’、开关s2’、…、开关sn’导通时间大于tmax2；tmax1、tmax2为预设的时间阈值。

6.根据权利要求4所述基于脉冲充电的脉冲发生装置，其特征在于：脉冲发生装置输出阶梯型脉冲，输出步骤包括：

技术总结
本发明公开基于脉冲充电的脉冲发生装置,电路拓扑如下所示：脉冲源Vpulse的A端连接二极管D1的阴极；二极管D2的阳极接地；二极管Di的阴极串联电感Li、开关Si后连接二极管Di+1的阴极；二极管Di的阴极依次串联电感Li、开关Si’、负载电阻RL后接地；二极管Di的阳极接地；二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn后接地；二极管Dn的阴极依次串联电感Ln、开关Sn’、负载电阻RL后接地；脉冲源Vpulse的B端接地。本发明提出了一种输出脉冲幅值、频率和波形均灵活可调的模块化脉冲发生装置，可以实现输出脉冲幅值恒定，波形可控。

技术研发人员：董守龙,赵立胜,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：2024/1/13