纳秒级高压窄脉冲和微秒级低压宽脉冲的产生设备和方法

1.本发明涉及脉冲领域，具体是纳秒级高压窄脉冲和微秒级低压宽脉冲的产生设备和方法。


背景技术：

2.近年来，脉冲功率技术快速发展，其应用领域的不断拓展，如肿瘤治疗、食品处理、水处理、等离子体发生、国防军工等等。目前高压脉冲的主要产生方式包括了形成线、marx电路、直线型变压器驱动源(lineartransformerdriver,ltd)电路等，且随着半导体开关技术的发展，全固态脉冲发生器的研发已成为国内外学者研究的重点。根据相关研究发现，高压窄脉冲加低压宽脉冲的协同施加方式可以诱发一系列特殊效应，在各领域中均有应用前景。
3.脉冲电场在生物医学领域中的应用逐渐受到科学家、工程师、医师的广泛关注，其中不可逆电穿孔作为一种非热肿瘤消融的物理手段，在肿瘤治疗领域中具有以下优势：快捷、可视、可控、微创、选择性和非热机理，因此已在临床中取得了良好的治疗效果，具有广阔的应用前景。然而不可逆电穿孔技术在临床肿瘤治疗中仍存在难点问题亟需解决，目前采用传统脉冲治疗大尺寸肿瘤时，产生的消融区域相对较小，因此在肿瘤治疗时将有可能出现无法完全覆盖其目标组织的情况，导致消融不彻底。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供纳秒级高压窄脉冲和微秒级低压宽脉冲的产生设备，包括控制检测模块、若干级高压窄脉冲发生模块、若干级低压宽脉冲发生模块、协调脉冲形成模块。
5.所述控制检测模块控制高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲，并调节输出脉冲的参数。
6.所述高压窄脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲。
7.所述低压宽脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出微秒级低压脉冲。
8.所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标。
9.进一步，还包括输出采样模块。
10.所述输出采样模块用于采集协调脉冲形成模块输出的协同脉冲参数，并传输至控制检测模块。
11.所述控制检测模块根据协同脉冲参数调节高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲的参数。
12.进一步，脉冲参数包括电压幅值和脉宽。纳秒级高压脉冲的电压幅值范围为0-20kv，脉宽范围为100ns～1000ns。
13.进一步，所述微秒级低压脉冲的电压幅值范围为0-5kv，脉宽范围20us～100us。
14.进一步，纳秒级高压窄脉冲和微秒级低压宽脉冲的产生设备的电路拓扑如下所示：
15.记低压电源vl正极所在一端为a，负极所在一端为b，高压电源vh正极所在一端为e，负极所在一端为f。
16.低压电源vl的a端依次串联二极管dl1、电容cl1后接地；
17.低压电源vl的a端串联二极管dl1后连接开关管sl1的漏极；开关管sl1的栅极悬空；开关管sl1的源极串联二极管d1*的阴极；二极管d1*的阳极接地；
18.开关管slm的漏极连接二极管dlm，源极连接二极管dm*的阴极，栅极悬空；二极管dm*的阳极连接二极管d(m-1)的阴极；m＝2,3，
…
，n；n为正整数；
19.低压电源vl的a端依次串联二极管dl1、二极管dl2、电容cl2后连接二极管d1*的阴极；二极管d1*的阳极接地；
20.二极管dlm的阳极连接二极管dl(m-1)，阴极连接二极管dl(m+1)；
21.电容clm的一端连接二极管dlm的阴极，另一端连接二极管dm*的阳极；
22.低压电源vl的b端接地；
23.高压电源vh的e端串联二极管dh1的阳极。二极管dh1的阴极串联电容ch1后连接二极管dn*的阴极。
24.高压电源vh的f端连接二极管dn*的阴极。
25.二极管dh1的阴极串联开关管sh1的漏极。开关管sh1的栅极悬空。开关管sh1的源极串联二极管dh1*的阴极。
26.二极管dh1*的阳极串联二极管dn*的阴极。
27.二极管dhi的阳极串联二极管dh(i-1)的阴极。二极管dhi的阴极串联电容chi后连接二极管dh(i-1)*的阴极。i＝2,3，
…
，j。j为正整数。
28.二极管dhi的阴极串联开关管shi的漏极。开关管shi的栅极悬空。开关管shi的源极串联二极管dhi*的阴极。二极管dhi*的阳极串联二极管dh(i-1)*的阴极。
29.二极管dhj的阴极串联负载电阻rx后接地。
30.进一步，所述开关管包括mosfet开关管。
31.进一步，低压宽脉冲发生模块充电时，开关管sl1、
…
、开关管slm、
…
、开关管sln、开关管sh1、
…
、开关管shi、
…
、开关管shj、二极管dh1、
…
、二极管dhi、
…
、二极管dhj断开。二极管dl1、
…
、二极管dlm、
…
、二极管dln、二极管d1*、
…
、二极管dm*、
…
、二极管dn*、二极管dh1*、
…
、二极管dhi*、
…
、二极管dhj*导通。
32.低压电源vl通过二极管dl1、
…
、二极管dlm、
…
、二极管dln、二极管d1*、
…
、二极管dm*、
…
、二极管dn*、二极管dh1*、
…
、二极管dhi*、
…
、二极管dhj*和负载电阻rx对电容cl1、
…
、电容clm、
…
、电容cln进行并联充电。
33.低压宽脉冲发生模块放电时，开关管sl1、
…
、开关管slm、
…
、开关管sln、二极管dh1*、
…
、二极管dhi*、
…
、二极管dhj*导通，电容cl1、
…
、电容clm、
…
、电容cln对负载电阻rx放电，输出正极性脉冲。
34.进一步，所述高压电源vh由升压变压器将市电升压后得到。
35.进一步，高压窄脉冲发生模块充电时，二极管d1*、
…
、二极管dm*、
…
、二极管dn*、二极管dh1*、
…
、二极管dhi*、
…
、二极管dhj*、二极管dh1、
…
、二极管dhi、
…
、二极管dhj导
通，高压电源vh向电容ch1、电容ch2、
…
、电容chi、
…
、电容chj进行并联充电。
36.高压窄脉冲发生模块放电时，二极管d1*、
…
、二极管dm*、
…
、二极管dn*、开关管sh1、
…
、开关管shi、
…
、开关管shj导通，电容ch1、电容ch2、
…
、电容chi、
…
、电容chj对负载电阻rx放电，输出正极性脉冲。
37.基于纳秒级高压窄脉冲和微秒级低压宽脉冲的产生设备的方法，包括以下步骤：
38.1)所述控制检测模块向高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块发送开关驱动信号，控制开关管和二极管的通断，从而使高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块分别向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲。
39.2)所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标。
40.本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了高压窄脉冲加低压宽脉冲的协同脉冲的产生设备和方法。本发明纳秒级高压窄脉冲可调范围为0-20kv，低压宽脉冲的可调范围为0-5kv，可以有效提高电场的消融能力。本发明既可以产生纳秒级高压(20kv)脉冲，又可以产生微秒级低压(5kv)脉冲。本发明可以输出电压可调、脉宽可调、间隔时间可调的脉冲源。
附图说明
41.图1为本发明各个模块组成；
42.图2为主电路拓扑结构；
43.图3为低压宽脉冲充电模式；
44.图4为低压宽脉冲放电模式；
45.图5为低压宽脉冲放电波形；
46.图6为高压窄脉冲充电模式；
47.图7为高压窄脉冲放电模式；
48.图8为高压窄脉冲放电波形。
具体实施方式
49.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。
50.实施例1：
51.参见图1至图8，纳秒级高压窄脉冲和微秒级低压宽脉冲的产生设备，包括控制检测模块、若干级高压窄脉冲发生模块、若干级低压宽脉冲发生模块、协调脉冲形成模块。
52.所述控制检测模块控制高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲，并调节输出脉冲的参数。
53.所述高压窄脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲。
54.每一级高压窄脉冲发生模块包括两个二极管、一个电容和一个开关管。
55.所述低压宽脉冲发生模块用于向协调脉冲形成模块输出微秒级低压脉冲。
56.每一级低压窄脉冲发生模块包括两个二极管、一个电容和一个开关管。
57.所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标。
58.还包括输出采样模块。
59.所述输出采样模块用于采集协调脉冲形成模块输出的协同脉冲参数，并传输至控制检测模块。
60.所述控制检测模块根据协同脉冲参数调节高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块输出脉冲的参数。
61.脉冲参数包括电压幅值和脉宽。纳秒级高压脉冲的电压幅值范围为0-20kv，脉宽范围为100ns～1000ns。
62.所述微秒级低压脉冲的电压幅值范围为0-5kv，脉宽范围20us～100us。
63.纳秒级高压窄脉冲和微秒级低压宽脉冲的产生设备的电路拓扑如下所示：
64.记低压电源vl正极所在一端为a，负极所在一端为b，高压电源vh正极所在一端为e，负极所在一端为f。
65.低压电源vl的a端依次串联二极管dl1、电容cl1后接地；
66.低压电源vl的a端串联二极管dl1后连接开关管sl1的漏极；开关管sl1的栅极悬空；开关管sl1的源极串联二极管d1*的阴极；二极管d1*的阳极接地；
67.开关管slm的漏极连接二极管dlm，源极连接二极管dm*的阴极，栅极悬空；二极管dm*的阳极连接二极管d(m-1)的阴极；m＝2,3，
…
，n；n为正整数；
68.低压电源vl的a端依次串联二极管dl1、二极管dl2、电容cl2后连接二极管d1*的阴极；二极管d1*的阳极接地；
69.二极管dlm的阳极连接二极管dl(m-1)，阴极连接二极管dl(m+1)；
70.电容clm的一端连接二极管dlm的阴极，另一端连接二极管dm*的阳极；
71.低压电源vl的b端接地。
72.高压电源vh的e端串联二极管dh1的阳极。二极管dh1的阴极串联电容ch1后连接二极管dn*的阴极。
73.高压电源vh的f端连接二极管dn*的阴极。
74.二极管dh1的阴极串联开关管sh1的漏极。开关管sh1的栅极悬空。开关管sh1的源极串联二极管dh1*的阴极。
75.二极管dh1*的阳极串联二极管dn*的阴极。
76.二极管dhi的阳极串联二极管dh(i-1)的阴极。二极管dhi的阴极串联电容chi后连接二极管dh(i-1)*的阴极。i＝2,3，
…
，j。j为正整数。
77.二极管dhi的阴极串联开关管shi的漏极。开关管shi的栅极悬空。开关管shi的源极串联二极管dhi*的阴极。二极管dhi*的阳极串联二极管dh(i-1)*的阴极。
78.二极管dhj的阴极串联负载电阻rx后接地。
79.所述开关管包括mosfet开关管。
80.低压宽脉冲发生模块充电时，开关管sl1、
…
、开关管slm、
…
、开关管sln、开关管sh1、
…
、开关管shi、
…
、开关管shj、二极管dh1、
…
、二极管dhi、
…
、二极管dhj断开。二极管dl1、
…
、二极管dlm、
…
、二极管dln、二极管d1*、
…
、二极管dm*、
…
、二极管dn*、二极管dh1*、
…
、二极管dhi*、
…
、二极管dhj*导通。
81.低压电源vl通过二极管dl1、
…
、二极管dlm、
…
、二极管dln、二极管d1*、
…
、二极管dm*、
…
、二极管dn*、二极管dh1*、
…
、二极管dhi*、
…
、二极管dhj*和负载电阻rx对电容cl1、
…
、电容clm、
…
、电容cln进行并联充电。
82.低压宽脉冲发生模块放电时，开关管sl1、
…
、开关管slm、
…
、开关管sln、二极管dh1*、
…
、二极管dhi*、
…
、二极管dhj*导通，电容cl1、
…
、电容clm、
…
、电容cln对负载电阻rx放电，输出正极性脉冲。
83.所述高压电源vh由升压变压器将市电升压后得到。
84.高压窄脉冲发生模块充电时，二极管d1*、
…
、二极管dm*、
…
、二极管dn*、二极管dh1*、
…
、二极管dhi*、
…
、二极管dhj*、二极管dh1、
…
、二极管dhi、
…
、二极管dhj导通，高压电源vh向电容ch1、电容ch2、
…
、电容chi、
…
、电容chj进行并联充电。
85.高压窄脉冲发生模块放电时，二极管d1*、
…
、二极管dm*、
…
、二极管dn*、开关管sh1、
…
、开关管shi、
…
、开关管shj导通，电容ch1、电容ch2、
…
、电容chi、
…
、电容chj对负载电阻rx放电，输出正极性脉冲。
86.基于纳秒级高压窄脉冲和微秒级低压宽脉冲的产生设备的方法，包括以下步骤：
87.1)所述控制检测模块向高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块发送开关驱动信号，控制开关管和二极管的通断，从而使高压窄脉冲发生模块和低压宽脉冲发生模块分别向协调脉冲形成模块输出纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲。
88.2)所述协调脉冲形成模块根据纳秒级高压脉冲和微秒级低压脉冲形成协同脉冲，并作用于目标。
89.实施例2：
90.参见图1至图8，纳秒级高压窄脉冲和微秒级低压宽脉冲的产生设备，包括控制检测模块、高压窄脉冲发生模块、低压宽脉冲发生模块、协调脉冲形成模块。
91.本发明专利的主电路拓扑结构如图2所示，
92.低压宽脉冲充电模式：各子模块半导体开关sln处于关断状态，用低压直流电源通过低压子模块二极管dln、dn*、高压子模块二极管dhn*和负载电阻rx对电容cln进行并联充电。
93.低压宽脉冲放电模式：通过对每个子模块施加相应的开关驱动，使半导体开关sln处于导通状态，此时储能电容cl1至cln通过开关sln串联以及高压子模块二极管dhn*对负载电阻rx放电，输出电压为正极性脉冲电压，输出幅值等于cl1至cln总共n个电容上的电压相加。
94.低压宽脉冲输出波形图参见图5。
95.高压短脉冲产生单元：此电路拓扑结构(图2)在高压短脉冲产生部分通过一个升压变压器，将220v市电升压一定倍数，然后经过桥式二极管整流和boost倍压电路，通过闭环稳压控制保证boost输出电容上的电压稳定，此种拓扑省掉了一个高压直流电源和六个串联作隔离作用的高压二极管，隔离变压器可起到隔离作用。而且通过电压闭环，可以实现高压电容上的电压连续稳定可调。
96.高压短脉冲充电状态：各子模块半导体开关shn处于关断状态，市电通过升压变压器、桥式二极管整流及boost倍压电路，经各子模块高压二极管dn*、dhn、dhn*和负载电阻rx对各子模块电容chn进行并联充电。
97.高压短脉冲放电状态：通过对每个子模块施加相应的开关驱动，使半导体开关shn处于导通状态，此时储能电容ch1至chn通过二极管dn*以及开关shn串联对负载电阻rx放电，输出电压为正极性脉冲电压，输出幅值等于ch1至chn总共n个电容上的电压相加。
98.高压窄脉冲输出波形图参见图8。