双极性脉冲发生装置

本发明涉及脉冲领域，具体是双极性脉冲发生装置。

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双极性脉冲发生装置，电路拓扑如下所示：

2、记电压源vdc1的两端分别为a1端和b1端,电压源vdc2的两端分别为a2端和b2端。

3、电压源vdc1的a1端串联开关s10、电阻rc1后连接二极管d11的阴极。开关s10的漏极连接a1端，源极连接电阻rc1，栅极悬空。

4、二极管d1i的阴极串联电感l1i、开关s1i后连接二极管d1(i+1)的阴极。i＝1,2，…，n-1。n为正整数；

5、二极管d1i的阴极依次串联电感l1i、开关s1i’、负载电阻rl后连接开关s2i’的源极。

6、二极管d1i的阳极接地。

7、二极管d1n的阴极依次串联电感l1n、开关s1n后接地。

8、二极管d1n的阴极依次串联电感l1n、开关s1n’、负载电阻rl后连接开关s2n’的源极。

9、电压源vdc1的b1端接地。

10、电压源vdc2的a2端串联开关s20、电阻rc2后连接二极管d11的阴极。开关s20的漏极连接a2端，源极连接电阻rc2，栅极悬空。

11、二极管d2i的阴极串联电感l2i、开关s2i后连接二极管d2(i+1)的阴极。

12、二极管d2i的阴极依次串联电感l2i、开关s2i’的漏极。开关s2i’的栅极悬空。

13、二极管d2i的阳极接地。

14、二极管d2n的阴极依次串联电感l2n、开关s2n后接地。

15、二极管d2n的阴极依次串联电感l2n、开关s2n’的漏极。。

16、电压源vdc2的b2端接地。

17、进一步，所述开关包括mosfet开关。

18、进一步，mosfet开关s1i的漏极连接电感l1i，源极连接电感l1(i+1)，栅极悬空。mosfet开关s2i的漏极连接电感l2i，源极连接电感l2(i+1)，栅极悬空

19、进一步，脉冲发生装置充电时，开关s11、开关s12、…、开关s1n、开关s21、开关s22、…、开关s2n导通，开关s11’、开关s12’、…、开关s1n’、开关s21’、开关s22’、…、开关s2n’断开，电压源vdc1向电感l11、电感l12、…、电感l1n串联充电，并流向gnd，电压源vdc2向电感l21、电感l22、…、电感l2n串联充电，并流向gnd。

20、进一步，脉冲发生装置放电时，开关s11’、开关s12’、…、开关s1n’、开关s21’、开关s22’、…、开关s2n’导通，开关s11、开关s12、…、开关s1n、开关s21、开关s22、…、开关s2n断开，电感l11、电感l12、…、电感l1n、电感l21、电感l22、…、电感l2n的电流流向负载电阻rl。流入负载电阻rl的电流irl＝2nidc。idc为任意电感的充电电流。

21、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。

22、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s11、开关s12、…、开关s1n、开关s21、开关s22、…、开关s2n断开时间大于tmax1，开关s11’、开关s12’、…、开关s1n’、开关s21’、开关s22’、…、开关s2n’导通时间大于tmax2。tmax1、tmax2为预设的时间阈值。

23、进一步，脉冲发生装置输出阶梯型脉冲，输出步骤包括：

24、1)在t1-t2时刻，开关s11、开关s12、…、开关s1n、开关s21、开关s22、…、开关s2n延迟△t时间断开，开关s11’、开关s12’、…、开关s1n’、开关s21’、开关s22’、…、开关s2n’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。

25、2)在t3-t4时刻，开关s11、开关s12、…、开关s1n、开关s21、开关s22、…、开关s2n断开，开关s11’、开关s12’、…、开关s1n’、开关s21’、开关s22’、…、开关s2n’导通，使得脉冲发生装置输出的脉冲幅值为2nidc。idc为任意电感的充电电流。

26、3)在t5-t6时刻，开关s11、开关s12、…、开关s1n、开关s21、开关s22、…、开关s2n延迟△t时间导通，开关s11’、开关s12’、…、开关s1n’、开关s21’、开关s22’、…、开关s2n’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。

27、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。

28、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。

29、本发明采用半导体开关实现对参数的全控，输出频率可调。

30、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。

31、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。

32、本发明采用电感储能，实现脉冲幅值可调。

33、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.双极性脉冲发生装置，其特征在于，电路拓扑如下所示：

2.根据权利要求1所述双极性脉冲发生装置，其特征在于：所述开关包括mosfet开关。

3.根据权利要求2所述双极性脉冲发生装置，其特征在于：mosfet开关s1i的漏极连接电感l1i，源极连接电感l1(i+1)，栅极悬空；mosfet开关s2i的漏极连接电感l2i，源极连接电感l2(i+1)，栅极悬空。

4.根据权利要求1所述双极性脉冲发生装置，其特征在于：脉冲发生装置充电时，开关s11、开关s12、…、开关s1n、开关s21、开关s22、…、开关s2n导通，开关s11’、开关s12’、…、开关s1n’、开关s21’、开关s22’、…、开关s2n’断开，电压源vdc1向电感l11、电感l12、…、电感l1n串联充电，并流向gnd，电压源vdc2向电感l21、电感l22、…、电感l2n串联充电，并流向gnd。

5.根据权利要求1所述双极性脉冲发生装置，其特征在于：脉冲发生装置放电时，开关s11’、开关s12’、…、开关s1n’、开关s21’、开关s22’、…、开关s2n’导通，开关s11、开关s12、…、开关s1n、开关s21、开关s22、…、开关s2n断开，电感l11、电感l12、…、电感l1n、电感l21、电感l22、…、电感l2n的电流流向负载电阻rl；流入负载电阻rl的电流irl＝2nidc；idc为任意电感的充电电流。

6.根据权利要求1所述双极性脉冲发生装置，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。

7.根据权利要求6所述双极性脉冲发生装置，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s11、开关s12、…、开关s1n、开关s21、开关s22、…、开关s2n断开时间大于tmax1，开关s11’、开关s12’、…、开关s1n’、开关s21’、开关s22’、…、开关s2n’导通时间大于tmax2；tmax1、tmax2为预设的时间阈值。

8.根据权利要求6所述双极性脉冲发生装置，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
本发明公开双极性脉冲发生装置,电路拓扑如下所示：电压源VDC1的A1端串联开关S10、电阻Rc1后连接二极管D11的阴极；开关S10的漏极连接A1端，源极连接电阻Rc1，栅极悬空；二极管D1i的阴极串联电感L1i、开关S1i后连接二极管D1(i+1)的阴极；二极管D1i的阴极依次串联电感L1i、开关S1i’、负载电阻RL后连接开关S2i’的源极；二极管D1i的阳极接地；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,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