一种双极性脉冲形成电路

本发明涉及脉冲功率，特别涉及一种双极性脉冲形成电路。

背景技术：

1、脉冲功率技术是一种将能量先储存起来，然后再以单脉冲或者重复频率脉冲释放给负载的技术，脉冲功率技术在工业、农业、医学以及基础学科研究上的应用十分广泛。例如脉冲电场就是脉冲功率技术中的一种典型应用。脉冲电场是一种新型的非热杀菌技术，它以较高的电场强度、较短的脉冲宽度、脉冲个数以及脉冲频率对液体、半固体等进行处理。其中细胞电穿孔现象就是脉冲电场在治疗肿瘤上的很好应用。通过在肿瘤细胞的局部施加电脉冲，增加细胞的通透性，使细胞呈现出一种穿孔的现象，然后将通常情况下无法进入细胞内部的药物送入细胞内，达到治疗的目的。对于恶性肿瘤而言，可以通过增强电场强度、脉冲宽度和脉冲个数等，使恶性肿瘤细胞在脉冲电场的作用下，使恶性肿瘤细胞不可逆穿孔，从而达到杀死恶性肿瘤细胞的目的。对于脉冲功率技术用于治疗肿瘤细胞，需要电设备仪器具有能够产生多种脉冲高压。在许多场合的应用中，往往需要各种脉冲电压，比如需要低电压大电流的脉冲、高电压小电流的脉冲、各种形状的脉冲电压以及脉冲电压可调范围较大等场合。特别是需要双极性正负电脉冲，能适用于需要从低电压到高电压变化范围广并且还需要不同窄脉宽、不同频率的场合。例如肿瘤治疗、房颤治疗、食品保鲜、污水处理、静电除尘以及高压成形等等。

2、然而就目前的情况来看，产生高压脉冲的途径主要有三种：第一种通过脉冲变压器将低压直流逆变成高压脉冲，这种方法能够生成电压幅度较高的脉冲，但是很难产生各种形状的脉冲电压，对外部环境还容易产生较强的电磁干扰；第二种方式是通过传输线的方式产生脉冲电压，这种方法能够生成脉宽纳秒级的高压脉冲，由于传输线是利用电感和电容来生产脉冲，很明显电感对于电流具有很强的抑制作用，很难产生低电压大电流的脉冲。并且和脉冲变压器一样也很难产生各种波形的脉冲，对外部环境也容易产生较强的电磁干扰；第三种方法是先通过高压直流电源对脉冲储能电容进行充电储能，然后利用高压开关对储能电容进行放电以形成高压脉冲，这种方法基本就只能形成单极性脉冲。

3、现有技术中也提出了一些关于脉冲形成电路的方案，例如在申请号为201811250342.3的一种多电平多波形高压脉冲形成电路，其通过增加并联最小模块电路来实现电压的幅值提升，用n级marx电路实现单极性n倍输入电压vin幅值的脉冲输出，需要用到3n-1倍数量的固态开关，这个电路的控制相对复杂，且每级内部存在开关直通导致短路损坏开关的风险。

4、又如申请号为201811243965.8的一种marx发生器，在该案中使用二极管代替半导体充电开关，通过增加充放电路级数来实现高压脉冲的输出。但该方案仅能够现单极性的脉冲输出，nvin电压幅值的输出需要n个固态开关，并且充电源端会承受脉冲高电压的冲击，必须加入耐高压的电感进行保护。

5、过去，纳秒脉冲源主要由脉冲成形网络、脉冲变压器等方案结合气体开关、半控型开关等器件来实现，其存在脉宽不可调、需要阻抗匹配等问题。

6、随着半导体技术的发展，通过固态开关控制电容器的充放电成为产生高压纳秒脉冲的主要技术。由固态开关、电容器以及其他器件组合搭建的全固态脉冲发生器可以实现脉冲宽度、幅值、频率、极性等多参数的可调且受负载变化的影响较小。

7、但是现阶段仍然存在需要多组开关导致电路的控制相对复杂且成本高的问题，或者不能实现双极性脉冲的问题。因此有必要提出一种结构相对更简单且能产生双极性脉冲的电路。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

2、本发明提供了一种双极性脉冲形成电路，其包括：直流充电源，n个k级双极性marx模块，n个匝比为1：m的脉冲变压器以及负载；

3、所述双极性marx模块的输入端连接所述直流充电源，并通过所述直流充电源供电；

4、所述脉冲变压器的原边连接所述双极性marx模块的输出端，所述脉冲变压器的副边相互串联；

5、所述负载与所述脉冲变压器的副边串联组成放电回路。

6、一些实施例中，所述n个k级双极性marx模块连接一个直流充电源。

7、一些实施例中，所述k级双极性marx模块包含k个marx单元，以及第一电容，所述第一电容为1个。

8、一些实施例中，所述marx单元包括：第二电容、两个电感以及两个固态开关；

9、所述第二电容分别连接两个所述固态开关的一端；

10、两个所述固态开关交叉连接在两个所述电感两端。

11、一些实施例中，在充电时，所述固态开关处于关断状态，所述直流充电源通过所述电感对所述第一电容和第二电容进行并联充电。

12、一些实施例中，在正极性放电时，所述固态开关中位于sa位置的处于导通状态，位于sd位置的处于关断状态；

13、所述第一电容和第二电容通过导通状态的固态开关实现串联。

14、一些实施例中，在负极性放电时，所述固态开关中位于sa位置的处于关断状态，位于sd位置的处于导通状态；

15、所述第一电容和第二电容通过导通状态的固态开关实现串联。

16、一些实施例中，所述第一电容和第二电容是相同型号的电容。

17、一些实施例中，所述双极性marx模块包含k个marx单元，其中k大于等于2；所述双极性marx模块的数量n大于等于2；所述脉冲变压器的匝比为1：m，其中m大于等于2。

18、一些实施例中，所述k＝2，n＝2，m＝3。

19、本发明的技术效果：本发明公开的双极性脉冲形成电路通过直流充电源，n个k级双极性marx模块，n个匝比为1：m的脉冲变压器以及负载相互连接，并形成放电回路。本发明公开的双极性脉冲形成电路通过n个k级双极性marx模块和n个匝比为1：m的脉冲变压器之间的设置，可以简化双极性marx模块的结构，通过所述k级双极性marx模块实现一次升压，通过所述匝比为1：m的脉冲变压器实现二次升压，通过所述脉冲变压器在副边串联的感应电压叠加实现三次升压。所述双极性脉冲形成电路可以产生双极性且范围较广的高电压脉冲输出，适用于各种需要双极性正负电脉冲的场合，特别适用于需要从低电压到高电压变化范围广并且还需要不同窄脉宽、不同频率的场合。例如肿瘤治疗、房颤治疗、食品保鲜、污水处理、静电除尘以及高压成形等等。

技术特征：

1.一种双极性脉冲形成电路，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种双极性脉冲形成电路，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的一种双极性脉冲形成电路，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的一种双极性脉冲形成电路，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的一种双极性脉冲形成电路，其特征在于，

6.根据权利要求4所述的一种双极性脉冲形成电路，其特征在于，

7.根据权利要求4所述的一种双极性脉冲形成电路，其特征在于，

8.根据权利要求4所述的一种双极性脉冲形成电路，其特征在于，所述第一电容和第二电容是相同型号的电容。

9.根据权利要求1所述的一种双极性脉冲形成电路，其特征在于，

10.根据权利要求9所述的一种双极性脉冲形成电路，其特征在于，所述k＝2，n＝2，m＝3。

技术总结
本发明公开了一种双极性脉冲形成电路，其包括：直流充电源，n个k级双极性MARX模块，n个匝比为1：m的脉冲变压器以及负载。所述双极性MARX模块通过所述直流充电源供电；所述脉冲变压器的原边连接所述双极性MARX模块的输出端，所述脉冲变压器的副边相互串联；所述负载与所述脉冲变压器组成放电回路。本发明公开的双极性脉冲形成电路具有结构简单可靠的优点。

技术研发人员：饶俊峰,庄杰,石富坤,钟正一,朱凯
受保护的技术使用者：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13