一种双极性多模式磁场发生器

技术领域

本发明涉及脉冲磁场技术领域，具体涉及一种双极性多模式磁场发生器。

背景技术

电力电子技术的进步使得电穿孔技术蓬勃发展，在基因转染，神经刺激和肿瘤治疗等领域被广泛研究和应用。然而，随着研究的深入和需求的升级，电穿孔技术的问题逐渐暴露。在各种形式的物理场中，磁场以其穿透性强，可灵活聚焦等优点，能够较好地匹配生物介质，这使得人们寄希望于利用磁场实现穿孔效应的技术研究，即磁穿孔技术。磁穿孔作为一种改变细胞膜通透性的新兴技术，在电穿孔技术所受限制的领域表现出巨大替代潜力。

然而，磁穿孔技术实现的一个难点在于需要灵活可靠的高功率脉冲磁场装置，目前在磁场装置方面对脉冲功率技术的嵌入和优化还不足以和脉冲电场发生装置相比，这限制了人们开展磁穿孔技术的研究动力。为了更好地开发磁穿孔技术在生物医学领域研究和应用价值，设计一款灵活可靠的磁场发生器拓扑是十分必要的，这能够方便地实现磁场强度，磁场极性和变化率等参数灵活调节，有望进一步推动实验研究和临床治疗的开展。

传统高功率磁场装置多采用气体火花隙开关、快速点火管等，半控型开关的特性和固定的电路参数使得难以实现磁场的灵活调节，因此大多只能输出振荡或单极性的脉冲磁场波形，这大大限制了磁场强度、极性和磁场变化率所决定的生物效应机理研究，甚至导致相关研究和应用受阻。此外，传统高功率磁场装置存在功率损耗大，能量利用率低等问题，由于一次输出过程中大量能量被线圈内阻所消耗导致线圈发热严重，因此成为了限制磁穿孔技术应用的潜力风险。

发明内容

本发明的目的是提供一种双极性多模式磁场发生器，包括：正极性电路、负极性电路、负载线圈。

所述正极性电路包括正极性充电模块、正极性馈能电路模块、n个正极性单级放电模块，其中，n为正整数。

所述负极性电路包括负极性充电模块、负极性馈能电路模块、n个负极性单级放电模块。

所述正极性充电模块为正极性单级放电模块中的电容充电。

所述正极性馈能电路模块用于回收负载线圈的能量，并将能量回收至正极性单级放电模块的电容中。

所述正极性单级放电模块通过电容放电，输出正极性脉冲。

所述负极性充电模块为负极性单级放电模块中的电容充电。

所述负极性馈能电路模块用于回收负载线圈的能量，并将能量回收至负极性单级放电模块的电容中。

所述负极性单级放电模块通过电容放电，输出负极性脉冲。

所述正极性单级放电模块包括放电电容器C

所述充电二极管D

所述充电二极管D

所述负极性单级放电模块包括放电电容器C

所述充电二极管D

所述充电二极管D

所述负载线圈用于产生脉冲磁场。

进一步，所述n个正极性单级放电模块的电路拓扑如下所示：

所述充电二极管D

所述续流开关P

进一步，所述正极性充电模块包括直流电源U

所述直流电源U

所述二极管D

进一步，所述正极性馈能电路模块包括馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述换流开关S

进一步，所述n个负极性单级放电模块的电路拓扑如下所示：

所述充电二极管D

所述续流开关P

进一步，所述负极性充电模块包括直流电源U

所述直流电源U

所述二极管D

进一步，所述负极性馈能电路模块包括馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述换流开关S

进一步，所述负载线圈包括电感L和电阻R。

进一步，所述磁场发生器的输出磁场包括正极性三角波磁场、负极性三角波磁场、正极性指数波磁场、负极性指数波磁场。

进一步，所述磁场发生器的工作过程包括充电阶段、放电阶段、脉冲输出阶段。

所述脉冲输出阶段包括续流阶段和馈能阶段。

当所述磁场发生器的脉冲输出阶段为续流阶段时，磁场发生器输出的磁场是指数波形式的磁场。

当所述磁场发生器的脉冲输出阶段为馈能阶段时，磁场发生器输出的磁场是三角波形式的磁场。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了一种基于模块化电路的双极性脉冲磁场发生技术，基于该技术形成的双极性多模式脉冲磁场装置由正极性电路和负极性电路结合放电线圈组成，对于各极性电路，均由前端能量反馈电路和基本放电模块组成，每级放电模块主要由两个放电开关构成，电路灵活可调，易于搭建。

本发明通过正负极性电路的协同作用能够输出双极性脉冲磁场。同时该脉冲源具有能量反馈电路结构，可通过换流开关实现系统节能并降低线圈温升。此外，该脉冲源基于模块化的结构，通过各模块开关时序控制能够实现多种输出模式，在保证可靠运行的基础上极大提高了脉冲磁场发生器的输出性能。

本发明的有益效果包括：

1.本发明能够灵活选择输出模式，可实现双极性三角波，双极性指数波等输出模式。

2.本发明包含负载端能量回馈功能，可将线圈能量回馈至上级电路电容或下级电路电容，从而实现能量的回收利用，降低线圈发热。

3.本发明可按需选择放电模块数量，控制最终输出电压大小，从而实现灵活调节磁场变化率和强度等。

附图说明

图1为模块化节能型脉冲磁场发生器示意图；

图2为双极性多模式脉冲磁场发生器正极性输出过程示意图；图2(a)为正极性电路充电阶段示意图；图2(b)为正极性放电阶段示意图；图2(c)为正极性续流阶段示意图；图2(d)为正极性馈能阶段示意图；

图3为双极性多模式脉冲磁场发生器负极性输出过程示意图；图3(a)为负极性电路充电阶段示意图；图3(b)为负极性放电阶段示意图；图3(c)为负极性续流阶段示意图；图3(d)为负极性馈能阶段示意图；

图4为发生器各模式开关驱动时序示意图；图4(a)为正极性指数波输出模式开关工作时序示意图；图4(b)为负极性指数波输出模式开关工作时序示意图；图4(c)为正极性指数波输出模式开关工作时序示意图；图4(d)为负极性指数波输出模式开关工作时序示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图4，一种双极性多模式磁场发生器，包括：正极性电路、负极性电路、负载线圈。

所述正极性电路包括正极性充电模块、正极性馈能电路模块、n个正极性单级放电模块，其中，n为正整数。

所述负极性电路包括负极性充电模块、负极性馈能电路模块、n个负极性单级放电模块。

所述正极性充电模块为正极性单级放电模块中的电容充电。

所述正极性馈能电路模块用于回收负载线圈的能量，并将能量回收至正极性单级放电模块的电容中。

所述正极性单级放电模块通过电容放电，输出正极性脉冲。

所述负极性充电模块为负极性单级放电模块中的电容充电。

所述负极性馈能电路模块用于回收负载线圈的能量，并将能量回收至负极性单级放电模块的电容中。

所述负极性单级放电模块通过电容放电，输出负极性脉冲。

所述正极性单级放电模块包括放电电容器C

所述充电二极管D

所述充电二极管D

所述负极性单级放电模块包括放电电容器C

所述充电二极管D

所述充电二极管D

所述负载线圈用于产生脉冲磁场。

实施例2：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例1，进一步，所述n个正极性单级放电模块的电路拓扑如下所示：

所述充电二极管D

所述续流开关P

实施例3：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例1至2任一项，进一步，所述正极性充电模块包括直流电源U

所述直流电源U

所述二极管D

实施例4：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例1至3任一项，进一步，所述正极性馈能电路模块包括馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述换流开关S

实施例5：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例1至4任一项，进一步，所述n个负极性单级放电模块的电路拓扑如下所示：

所述充电二极管D

所述续流开关P

实施例6：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例1至5任一项，进一步，所述负极性充电模块包括直流电源U

所述直流电源U

所述二极管D

实施例7：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例1至6任一项，进一步，所述负极性馈能电路模块包括馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述换流开关S

实施例8：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例1至7任一项，进一步，所述负载线圈包括电感L和电阻R。

实施例9：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例1至8任一项，进一步，所述磁场发生器的输出磁场包括正极性三角波磁场、负极性三角波磁场、正极性指数波磁场、负极性指数波磁场。

实施例10：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例1至9任一项，进一步，所述磁场发生器的工作过程包括充电阶段、放电阶段、脉冲输出阶段。

所述脉冲输出阶段包括续流阶段和馈能阶段。

当所述磁场发生器的脉冲输出阶段为续流阶段时，磁场发生器输出的磁场是指数波形式的磁场。

当所述磁场发生器的脉冲输出阶段为馈能阶段时，磁场发生器输出的磁场是三角波形式的磁场。

实施例11：

参见图1至图4，一种双极性多模式磁场发生器，包括：正极性电路、负极性电路、负载线圈。

所述正极性电路包括正极性充电模块、正极性馈能电路模块、n个正极性单级放电模块，其中，n为正整数。

所述负极性电路包括负极性充电模块、负极性馈能电路模块、n个负极性单级放电模块。

所述正极性充电模块为正极性单级放电模块中的电容充电。

所述正极性馈能电路模块用于回收负载线圈的能量，并将能量回收至正极性单级放电模块的电容中。

所述正极性单级放电模块通过电容放电，输出正极性脉冲。

所述负极性充电模块为负极性单级放电模块中的电容充电。

所述负极性馈能电路模块用于回收负载线圈的能量，并将能量回收至负极性单级放电模块的电容中。

所述负极性单级放电模块通过电容放电，输出负极性脉冲。

所述正极性单级放电模块包括放电电容器C

所述充电二极管D

所述充电二极管D

所述负极性单级放电模块包括放电电容器C

所述充电二极管D

所述充电二极管D

所述负载线圈用于产生脉冲磁场。

如图1所示，整体结构上由正极性和负极性电路组成。正负极电路的充电模块，分别由直流电源U

实施例12：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例11，进一步，所述n个正极性单级放电模块的电路拓扑如下所示：

所述充电二极管D

所述续流开关P

实施例13：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例11至12任一项，进一步，所述正极性充电模块包括直流电源U

所述直流电源U

所述二极管D

实施例14：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例11至13任一项，进一步，所述正极性馈能电路模块包括馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述换流开关S

实施例15：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例11至14任一项，进一步，所述n个负极性单级放电模块的电路拓扑如下所示：

所述充电二极管D

所述续流开关P

实施例16：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例11至15任一项，进一步，所述负极性充电模块包括直流电源U

所述直流电源U

所述二极管D

实施例17：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例11至16任一项，进一步，所述负极性馈能电路模块包括馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述馈能二极管D

所述换流开关S

实施例18：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例11至17任一项，进一步，所述负载线圈包括电感L和电阻R。

实施例19：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例11至18任一项，进一步，所述磁场发生器的输出磁场包括正极性三角波磁场、负极性三角波磁场、正极性指数波磁场、负极性指数波磁场。

双极性多模式脉冲磁场发生器有两种输出模式：1.正极性指数波输出模式、2.负极性指数波输出模式、3.正极性三角波输出模式、4.负极性三角波输出模式。

实施例20：

一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容见实施例11至19任一项，进一步，所述磁场发生器的工作过程包括充电阶段、放电阶段、脉冲输出阶段。

所述脉冲输出阶段包括续流阶段和馈能阶段。

当所述磁场发生器的脉冲输出阶段为续流阶段时，磁场发生器输出的磁场是指数波形式的磁场。

当所述磁场发生器的脉冲输出阶段为馈能阶段时，磁场发生器输出的磁场是三角波形式的磁场。

每个模式分别包含三个工作阶段：Ⅰ充电阶段、Ⅱ放电阶段、Ⅲ续流阶段/馈能阶段。

1.正极性输出模式

Ⅰ充电阶段：此阶段正极性电路充电模块给各级电容充电，该过程放电开关S

Ⅱ放电阶段：电容充电完毕后，正极性电路各放电模块主开关S

由于负载线圈输出的磁场强度和磁场变化率等参数取决于系统输出电压，因此在负载线圈不变的情况下，可通过设置正极性各级放电模块主开关S

Ⅲ续流阶段：当放电任务完成，正极性电路主开关S

在正极性指数波输出模式中，线圈能量最终将通过线路内阻及线圈内阻等被逐渐消耗殆尽，从而形成指数形式的电流拖尾且电流持续时间较久，线圈温度升高且线圈中输出对应指数波形式的脉冲磁场，各级开关控制时序如图4(a)所示。

Ⅲ馈能阶段如下：若在正极性电路放电阶段结束后断开电流开关S

正极性三角波输出模式中，线圈能量大部分可通过馈能电路返回至各级电容，少量通过线圈和线路内阻等消耗，从而实现电容电压的回复，降低了线圈温升以及对系统充电功率的要求。而在换流开关S

2.负极性输出模式

Ⅰ充电阶段：此阶段负极性电路充电模块给各级电容充电，该过程放电开关S

Ⅱ放电阶段：电容充电完毕后，负极性电路各放电模块主开关S

同正极性放电模式，负载线圈输出的磁场强度和磁场变化率等参数取决于系统输出电压，因此在负载线圈不变的情况下，可通过设置正极性各级放电模块主开关S

Ⅲ续流阶段：当放电任务完成，负极性电路主开关S

同正极性输出模式，负极性指数波输出中线圈能量最终将通过线路内阻及线圈内阻等被逐渐消耗殆尽，从而形成指数形式的电流拖尾且电流持续时间较久，线圈温度升高且线圈中输出对应指数波形式的脉冲磁场，各级开关控制时序如图4(b)所示。

Ⅲ馈能阶段如下：若在负极性电路放电阶段结束后断开换流开关S

负极性三角波输出模式中，线圈能量大部分可通过馈能电路返回至各级电容，少量通过线圈和线路内阻等消耗，从而实现电容电压的回复，降低了线圈温升以及对系统充电功率的要求。而在换流开关S

实施例21：

参见图1至图4，一种双极性多模式磁场发生器，主要技术内容包括：

如图1所示，整体结构上由正极性和负极性电路组成。正负极电路的充电模块，分别由直流电源U

双极性多模式脉冲磁场发生器有两种输出模式：1.正极性指数波输出模式、2.负极性指数波输出模式、3.正极性三角波输出模式、4.负极性三角波输出模式。每个模式分别包含三个工作阶段：Ⅰ充电阶段、Ⅱ放电阶段、Ⅲ续流阶段/馈能阶段。具体工作过程如下：

1.正极性指数波输出模式

Ⅰ充电阶段：此阶段正极性电路充电模块给各级电容充电，该过程放电开关S

Ⅱ放电阶段：电容充电完毕后，正极性电路各放电模块主开关S

由于负载线圈输出的磁场强度和磁场变化率等参数取决于系统输出电压，因此在负载线圈不变的情况下，可通过设置正极性各级放电模块主开关S

Ⅲ续流阶段：当放电任务完成，正极性电路主开关S

在正极性指数波输出模式中，线圈能量最终将通过线路内阻及线圈内阻等被逐渐消耗殆尽，从而形成指数形式的电流拖尾且电流持续时间较久，线圈温度升高且线圈中输出对应指数波形式的脉冲磁场，各级开关控制时序如图4(a)所示。

2.负极性指数波输出模式

Ⅰ充电阶段：此阶段负极性电路充电模块给各级电容充电，该过程放电开关S

Ⅱ放电阶段：电容充电完毕后，负极性电路各放电模块主开关S

同正极性放电模式，负载线圈输出的磁场强度和磁场变化率等参数取决于系统输出电压，因此在负载线圈不变的情况下，可通过设置正极性各级放电模块主开关S

Ⅲ续流阶段：当放电任务完成，负极性电路主开关S

同正极性输出模式，负极性指数波输出中线圈能量最终将通过线路内阻及线圈内阻等被逐渐消耗殆尽，从而形成指数形式的电流拖尾且电流持续时间较久，线圈温度升高且线圈中输出对应指数波形式的脉冲磁场，各级开关控制时序如图4(b)所示。

3.正极性三角波输出模式

正极性三角波输出模式的Ⅰ充电阶段和Ⅱ放电阶段，同正极性指数波输出模式相同，此处不再赘述。

Ⅲ馈能阶段如下：若在正极性电路放电阶段结束后断开电流开关S

正极性三角波输出模式中，线圈能量大部分可通过馈能电路返回至各级电容，少量通过线圈和线路内阻等消耗，从而实现电容电压的回复，降低了线圈温升以及对系统充电功率的要求。而在换流开关S

4.负极性三角波输出模式

负极性三角波输出模式的Ⅰ充电阶段和Ⅱ放电阶段，同负极性指数波输出模式相同，此处不再赘述。

Ⅲ馈能阶段如下：若在负极性电路放电阶段结束后断开换流开关S

负极性三角波输出模式中，线圈能量大部分可通过馈能电路返回至各级电容，少量通过线圈和线路内阻等消耗，从而实现电容电压的回复，降低了线圈温升以及对系统充电功率的要求。而在换流开关S

综上，针对传统磁场发生器输出磁场波形灵活性不足，可调性较差，线圈发热严重且能量利用率低等难题，研发了双极性多模式脉冲磁场发生技术，基于该技术的脉冲源通过正负极性电路的协同作用能够输出双极性脉冲磁场。同时该脉冲源具有能量反馈电路结构，可通过换流开关实现系统节能并降低线圈温升。此外，该脉冲源基于模块化的结构，通过各模块开关时序控制能够实现多种输出模式，在保证可靠运行的基础上极大提高了脉冲磁场发生器的输出性能。