一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置

技术领域

本发明涉及脉冲功率装置应用领域，具体是一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置。

背景技术

随着半导体电力电子器件的发展,以及高功率激光,国防军工、污水处理等行业的应用需求,出现了全固态Marx发生器技术,全固态Marx发生器采用半导体功率器件作为充放电开关。全固态Marx发生器技术的应用,使得脉冲功率技术的发展向高电压、大电流﹑快脉冲，高重复频率迈进了一大步。而Marx发生器的输出电压和电流能力取决于半导体功率器件的耐压和通流的大小。单个全固态开关器件因其材料特性和制作工艺的约束，通流能力和耐压水平已接近正常应用的极限，无法满足更大电流容量和更大耐压的应用需求。考虑到发生器成本，驱动电路的数量和发生器的体积，多个全固态开关混联(先串联后并联)使用成为一种提升Marx发生器输出能力的有效方法。

高压脉冲变压器是大功率脉冲电路中的一个重要部件，高压脉冲变压器主要用于高压电容器组放电电路中，高压脉冲变压器原边与电容器组的串联，副边与负载连接，通过脉冲变压器来实现低压到高压的变换。它广泛应用于雷达发射机、激光电源、电子加速器、绝缘测试仪等高压脉冲设备中。磁控管或速调管等微波源、绝缘特性试验都需要较高的脉冲电压，均需要脉冲变压器进行升压。

传统的Marx发生器采用利用级数堆叠提升脉冲发生器的输出幅值，而输出电流幅值受半导体功率器件参数的限制。为输出高幅值电压，需叠加级数，驱动电路的数量增多，成本上升。但是仍然无法适用于输出电流很大的应用场景，比如本发明提出的高压脉冲发生装置，该装置前端Marx发生器输出脉冲电流幅值最大可达1000A以上。考虑成本以及全固态开关的性能，宜采用全固态开关混联的方式来实现Marx发生器高电压、大电流的输出。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置，包括：控制信号产生模块、固态开关驱动电路模块、全固态MARX发生器模块、脉冲变压器模块和负载。

所述控制信号产生模块用于生成开关控制信号。

所述固态开关驱动电路模块接收到开关控制信号后，控制全固态MARX发生器模块中各开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。

所述全固态MARX发生器模块用于为脉冲变压器模块提供低压输出信号。

所述全固态MARX发生器模块包括n个级联的MARX电路。

所述脉冲变压器模块将低压输出信号转换为高压脉冲，并输入负载。

所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置的电路拓扑如下所示：

记直流电源Vdc正极所在一端为A端，负极所在一端为B端，B端接地。

所述A端串联快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述固态开关S

所述固态开关S

所述固态开关S

所述固态开关S

所述固态开关S

电感L

所述C端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感L

所述C端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感L

进一步，所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置还包括人机交互界面。

所述人机交互界面用于生成开关控制指令，并传输至控制信号产生模块。

所述控制信号产生模块接收开关控制指令后生成开关控制信号。

进一步，所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置的工作过程包括并联充电过程和串联放电过程。

进一步，当基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置工作在并联充电过程中时，所述固态开关S

进一步，当基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置工作在串联放电过程中时，所述固态开关S

进一步，所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置的脉冲宽度、脉冲频率、脉冲幅值均可调。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了一种基于IGBT混联的全固态Marx发生器和脉冲变压器相结合的高压脉冲发生装置，来实现超高脉冲电压的输出。本发明通过IGBT混联来实现Marx发生器通流能力和耐压能力的提升，保证高压脉冲发生装置可靠运行。

本发明的有益效果包括：

1、本发明提出的基于IGBT混联的全固态Marx发生器，其全固态开关的混联使用可实现Marx发生器大电流和高电压的输出，保证高压脉冲发生装置可靠地输出超高脉冲电压。

2、高压脉冲发生装置的输出电压、宽度、脉冲频率灵活可调。

附图说明

图1为本发明各个模块组成；

图2为基于IGBT混联的全固态Marx发生器电路拓扑；

图3为基于IGBT混联的全固态Marx发生器充电模式电路原理图；

图4为基于IGBT混联的全固态Mrax发生器放电模式电路原理图；

图5为基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置输出电压电流波形。

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5，一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置，包括：控制信号产生模块、固态开关驱动电路模块、全固态MARX发生器模块、脉冲变压器模块和负载。

所述控制信号产生模块用于生成开关控制信号。

所述固态开关驱动电路模块接收到开关控制信号后，控制全固态MARX发生器模块中各开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。

所述全固态MARX发生器模块用于为脉冲变压器模块提供低压输出信号。

所述全固态MARX发生器模块包括n个级联的MARX电路。

所述脉冲变压器模块将低压输出信号转换为高压脉冲，并输入负载。

所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置的电路拓扑如下所示：

记直流电源Vdc正极所在一端为A端，负极所在一端为B端，B端接地。

所述A端串联快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述固态开关S

所述固态开关S

所述固态开关S

所述固态开关S

所述固态开关S

电感L

所述C端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感L

所述C端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感L

所述全固态MARX发生器模块包括：直流电源Vdc、固态开关S

所述脉冲变压器模块包括：电阻R

所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置还包括人机交互界面。

所述人机交互界面用于生成开关控制指令，并传输至控制信号产生模块。

所述控制信号产生模块接收开关控制指令后生成开关控制信号。

所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置的工作过程包括并联充电过程和串联放电过程。

当基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置工作在并联充电过程中时，所述固态开关S

当基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置工作在串联放电过程中时，所述固态开关S

所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置的脉冲宽度、脉冲频率、脉冲幅值均可调。

该装置适用于输出高脉冲高电压、大电流的应用需求，能输出幅值达到200KV的脉冲电压。

实施例2：

参见图1至图5，一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置，包括：控制信号产生模块、固态开关驱动电路模块、全固态MARX发生器模块、脉冲变压器模块和负载。

所述控制信号产生模块用于生成开关控制信号。

所述固态开关驱动电路模块接收到开关控制信号后，控制全固态MARX发生器模块中各开关管的导通和关断，以及导通和关断的时间。

所述全固态MARX发生器模块用于为脉冲变压器模块提供低压输出信号。

所述全固态MARX发生器模块包括n个级联的MARX电路。

所述脉冲变压器模块将低压输出信号转换为高压脉冲，并输入负载。

所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置的电路拓扑如下所示：

记直流电源Vdc正极所在一端为A端，负极所在一端为B端，B端接地。

所述A端串联快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述快恢复二极管D

所述固态开关S

所述固态开关S

所述固态开关S

所述固态开关S

所述固态开关S

电感L

所述C端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感L

所述C端依次串联脉冲变压器次级绕组漏感L

所述全固态MARX发生器模块包括：直流电源Vdc、固态开关S

所述脉冲变压器模块包括：电阻R

实施例3：

一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置，主要见实施例2，所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置还包括人机交互界面。

所述人机交互界面用于生成开关控制指令，并传输至控制信号产生模块。

所述控制信号产生模块接收开关控制指令后生成开关控制信号。

实施例4：

一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置，主要见实施例2，所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置的工作过程包括并联充电过程和串联放电过程。

实施例5：

一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置，主要见实施例4，当基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置工作在并联充电过程中时，所述固态开关S

实施例6：

一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置，主要见实施例4，当基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置工作在串联放电过程中时，所述固态开关S

实施例7：

一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置，主要见实施例2，所述基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置的脉冲宽度、脉冲频率、脉冲幅值均可调。

该装置适用于输出高脉冲高电压、大电流的应用需求，能输出幅值达到200KV的脉冲电压。

实施例8：

一种基于全固态开关混联的高压脉冲发生装置，内容包括：该装置适用于输出高脉冲高电压、大电流的应用需求，能输出幅值达到200KV的脉冲电压，且能且脉冲宽度、脉冲频率、脉冲幅值的高压脉冲发生装置。

请参阅附图1，为高压脉冲发生装置的各单元组成部分。

请参阅附图2，为高压脉冲发生装置的电路原理拓扑。D

请参阅附图3，在并联充电过程中，所有固态开关S

请参阅附图4，在串联放电过程中，所有固态开关S

请参阅附图5，为本发明的实际测试输出电压电流波形。

综合附图1-附图5，本发明提出的高压脉冲发生装置能够输出最高200KV的脉冲电压，同时脉冲宽度、脉冲频率、脉冲幅值均可灵活调节。