本發(fā)明涉及一種高壓脈沖電源，具體涉及一種電路拓撲方波高壓脈沖電源。

背景技術：

常規(guī)的全固態(tài)脈沖功率電源很難直接驅動容性負載，這是因為在放電過程中，容性負載中會存儲電荷，而這些電荷會緩慢泄放，使負載上的電壓并不會很快降到零電位，從而使脈沖形成拖尾。這些拖尾會帶來許多不良的影響：嚴重地影響了波形，使方波難以獲得；使輸出脈沖的半高寬變寬，增加了窄脈沖輸出的難度；限制了電源的工作頻率；造成額外的功耗等。脈沖功率技術的很多應用中，負載都表現(xiàn)出一定的容性行為，如介質阻擋放電、食物殺菌、等離子體注入、空氣凈化、細胞處理等應用。在某種程度上限制了脈沖功率技術在這些領域的應用。現(xiàn)有技術的技術方案主要是采用集中電感截尾的Marx電路來提升電源性能以適用各種應用。

但是現(xiàn)有的集中電感截尾的Marx電路由于電感在放電過程處于恒壓充電狀態(tài)，在Marx電路工作的下一個充電過程，其儲存的能量將向各級電容進行釋放，類似于boost升壓的效果，從而使電容兩端的電壓高于電源電壓，當電路進入放電狀態(tài)，在負載兩端得到的電壓將會高于理想電壓。該工作模式會對信號控制電路造成嚴重的電磁干擾，而且集中式電感體積龐大，質量較重，在精細化的工程應用方面存在較大的缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明采用了如下技術方案：

本發(fā)明提供了一種新型電路拓撲方波高壓脈沖電源，用于輸出高壓脈沖電壓驅動負載，其特征在于，具有：直流電源V_dc、發(fā)射極連接在該直流電源V_dc的負極的開關管S_C0以及分別連接直流電源V_dc的正極和開關管S_C0的集電極的n級方波截尾Marx電路模塊，n為大于2的整數(shù)，其中，直流電源V_dc的正極連接負載的一端并接地，n級方波截尾Marx電路模塊包括連接在直流電源V_dc兩端的第1級Marx電路以及依次連接的n-1個第i級電路，i為2～n的整數(shù)，第i級Marx電路包括開關管S_Ci、開關管S_di、電容C_i以及二極管D_i，電容C_i的一端以及開關管S_Ci的集電極連接第i-1級Marx電路里的開關管S_Ci-1的發(fā)射極，開關管S_Ci的發(fā)射極分別連接開關管S_di的集電極以及負載的另一端或者后一級Marx電路里的開關管S_Ci+1的集電極，開關管S_di的發(fā)射極連接二極管D_i的正極，該二極管D_i的正極還與電容C_i的另一端連接，二極管D_i的負極連接第i-1級Marx電路里的開關管S_di-1的發(fā)射極。

本發(fā)明提供的一種新型電路拓撲方波高壓脈沖電源，還可以具有這樣的特征：其中，第1級Marx電路包括開關管S_C1、開關管S_d1以及電容C₁，電容C₁的一端以及開關管S_C1的集電極分別連接直流電源V_dc的正極，開關管S_C1的發(fā)射極連接開關管S_d1的集電極，開關管S_d1的發(fā)射極連接開關管S_C0的集電極，該開關管S_C0的集電極還與電容C₁的另一端連接。

本發(fā)明提供的一種新型電路拓撲方波高壓脈沖電源，還可以具有這樣的特征：其中，n為2～40的整數(shù)。

發(fā)明作用與效果

根據(jù)本發(fā)明的新型電路拓撲方波高壓脈沖電源，由于采用開關管代替了龐大的集中隔離電感，避免了電磁干擾，也減小了電源體積和重量；由于將該開關管置于下端，這樣可以充分利用第一級的電容，且減少放電損壞一級開關管的風險；由于該開關管在放電時處于關斷狀態(tài)，從而將充電源隔離，防止放電脈沖電流經充電源放電，因此保護了充電源免受放電脈沖電流沖擊。由于把負載置于頂端，將負載一端和充電源正端接地，在負載另一端可以獲得需要的負高壓脈沖，同時將充電源和負載實現(xiàn)接地保護。采用優(yōu)化了的電路結構實現(xiàn)截尾功能，避免容性負載造成的拖尾現(xiàn)象，輸出理想的方波脈沖電壓。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的新型電路拓撲方波高壓脈沖電源電路圖；

圖2是本發(fā)明的新型電路拓撲方波高壓脈沖電源電路充電與截尾過程示意圖；

圖3是本發(fā)明的新型電路拓撲方波高壓脈沖電源電路放電過程示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式。

<實施例>

圖1是本發(fā)明的新型電路拓撲方波高壓脈沖電源電路圖。

如圖1所示，本實施例提供的新型電路拓撲方波高壓脈沖電源(以下簡稱高壓脈沖電源)20包括直流電源V_dc1、開關管S_C02以及n級方波截尾Marx電路模塊3，n為2～40的整數(shù)。

直流電源V_dc1的正極連接負載的一端并接地，開關管S_C02的發(fā)射極連接在該直流電源V_dc1的負極，其中，負載為阻值較大的高壓電阻。

在本實施例中，n的取值為10，即10級方波截尾Marx電路模塊3包括連接在直流電源V_dc1兩端的第1級Marx電路31以及依次連接的9個第i級電路i1，i為2～10的整數(shù)。

第1級Marx電路31包括開關管S_C1、開關管S_d1以及電容C₁，電容C₁的一端以及開關管S_C1的集電極分別連接直流電源V_dc的正極，開關管S_C1的發(fā)射極連接開關管S_d1的集電極，開關管S_d1的發(fā)射極連接開關管S_C0的集電極，該開關管S_C0的集電極還與電容C₁的另一端連接。

第2級Marx電路32包括開關管S_C2、開關管S_d2、電容C₂以及二極管D₂，電容C₂的一端以及開關管S_C2的集電極連接第1級Marx電路11里的開關管S_C1的發(fā)射極，開關管S_C2的發(fā)射極連接開關管S_d2的集電極，開關管S_d2的發(fā)射極連接二極管D₂的正極，該二極管D₂的正極還與電容C₂的另一端連接，二極管D₂的負極連接第1級Marx電路里的開關管S_d1的發(fā)射極。

以此類推，第3級、第4至第10級Marx電路310依次連接，第10級Marx電路310包括開關管S_C10、開關管S_d10、電容C₁₀以及二極管D₁₀，電容C₁₀的一端以及開關管S_C10的集電極連接第9級Marx電路(圖中未示出)里的開關管S_C9的發(fā)射極，開關管S_C10的發(fā)射極分別連接負載的另一端，開關管S_d10的發(fā)射極連接二極管D₁₀的正極，該二極管D₁₀的正極還與電容C₁₀的另一端連接，二極管D₁₀的負極連接第9級Marx電路里的開關管S_d9的發(fā)射極。

以下結合附圖說明本實施例的新型電路拓撲方波高壓脈沖電源20的工作過程。

圖2是本發(fā)明的新型電路拓撲方波高壓脈沖電源電路充電與截尾過程示意圖；

如圖3所示，當高壓脈沖電源20處于充電狀態(tài)，即開關管Sc₀～Sc₁₀處于導通狀態(tài)，開關管S_d1～S_d10處于關斷狀態(tài)時，直流電源V_dc1對10級方波截尾Marx電路模塊3里的各級電容C₁～C₁₀進行并聯(lián)充電，以C₁₀為例，其充電回路為直流電源V_dc1、開關管Sc₁～Sc₉、C₁₀、D₁～D₉、Sc₀、直流電源V_dc1，其余各級電容C₁～C₉充電同理。

當充電過程結束，即開關管S_d1～S_d10導通前一刻，各級電容的上端電位為0，下端電位為直流電源V_dc1的幅值-U₀。同時，由于開關管Sc₀～Sc₁₀處于導通狀態(tài)，負載兩端通過Sc₁～Sc₁₀截尾。

另一條截尾回路如圖2中的箭頭所示，支路包含負載和開關管Sc₁～Sc₁₀，一方面在直流電源V_dc1對電容C₁～C₁₀充電的同時實現(xiàn)對負載短路，保證負載兩端電壓為零，從而在接下來放電得到陡峭的上升沿。另一方面，在放電結束后對各級電容C₁～C₁₀充電即可以實現(xiàn)截尾功能，避免容性負載造成的拖尾現(xiàn)象，從而獲得陡峭的下降沿，實現(xiàn)高壓脈沖電源20方波脈沖輸出。

圖3是本發(fā)明的新型電路拓撲方波高壓脈沖電源電路放電過程示意圖。

如圖3所示，當高壓脈沖電源20處于放電狀態(tài)，即開關管Sc₀～Sc₁₀處于關斷狀態(tài)，開關管Sd₁～Sd₁₀處于導通狀態(tài)，前一級電容的上端和后一級電容的下端等電位，由于電容兩端的電壓不能突變，因此，電容C₁上端電位為0，C₁下端電位為-U₀，電容C₃上端和C₂下端電位為-2U₀，C3下端電位為-3U₀，以此類推，C₁₀下端的電位為-10U₀，而此時各級電容和前一級充電開關管的上管腳之間的電壓為U₀，由電路中二極管D₁～D₉以及開關管Sc₁～Sc₉的體二極管承受反向電壓，避免各級電容C₁～C₁₀和開關管Sc₀～Sc₁₀直接放電，因此，第一級電容C₁和最后一級開關管Sd₁₀之間各個元器件在放電過程中處于串聯(lián)狀態(tài)，并以10U₀的電壓對負載進行放電。而負載一端和直流電源V_dc1的正極接地，在負載另一端可以獲得需要的負高壓脈沖，同時將直流電源V_dc1和負載實現(xiàn)接地保護。

實施例作用與效果

根據(jù)本實施例的新型電路拓撲方波高壓脈沖電源，由于采用開關管代替了龐大的集中隔離電感，避免了電磁干擾，也減小了電源體積和重量；由于將該開關管置于下端，這樣可以充分利用第一級的電容，且減少放電損壞一級開關管的風險；由于該開關管在放電時處于關斷狀態(tài)，從而將充電源隔離，防止放電脈沖電流經充電源放電，因此保護了充電源免受放電脈沖電流沖擊。由于把負載置于頂端，將負載一端和充電源正端接地，在負載另一端可以獲得需要的負高壓脈沖，同時將充電源和負載實現(xiàn)接地保護。采用優(yōu)化了的電路結構實現(xiàn)截尾功能，避免容性負載造成的拖尾現(xiàn)象，輸出理想的方波脈沖電壓?？傊?，本發(fā)明設計合理，抗干擾能力強，體積小，重量輕，工作可靠性高，便于推廣使用。