技术领域
[0001] 本
发明属于高压脉冲领域，具体涉及一种产生高压脉冲的装置和方法。
背景技术
[0002] 现有的高压脉冲产生方法和装置主要采用以下方法实现：
[0003] (1)基于
铁氧体传输线的高压脉冲产生方法：非线性铁氧体传输线(Nonlinear Ferrite Transmission Line)是一种
脉冲整形器件，可以将几十纳秒的高压脉冲前沿陡化至几纳秒，将几纳秒的前沿陡化至百皮秒，可陡化的
电压幅值从几千伏到几百千伏。
[0004] (2)基于阶跃漂移
二极管的高压脉冲产生方法：阶跃漂移恢复二极管(Drift Step Recovery Diode,DSRD)或
阶跃恢复二极管(Drift Recovery Diode,DRD)是
硅基断路型
开关器件，单片DSRD/DRD的工作电压0.1-0.5kV，开关时间为0.5-1.0ns，多片DSRD/DRD
串联后可以达到更高的高压脉冲。
[0005] (3)基于
雪崩陡化开关的高压脉冲产生方法：延迟击穿二极管(Delayed Breakdown Diode,DBD)是一种闭合型雪崩陡化脉冲功率开关，常用来陡化
半导体断路开关(Semiconductor Opening Switches,SOS)产生的纳秒级高功率脉冲,基于SOS/DBD器件的全固态
电路可以产生高压脉冲源。
[0006] (4)基于快速电离晶体管的高压脉冲产生方法：快速电离器件(Fast Ionization Dynistor,FID)是一种纳秒/亚纳秒闭合型开关，可通过简单的串联实现更高电压脉冲输出。
[0007] (5)基于光导开关的高压脉冲产生方法：光导开关(Photoconductivity Semiconductor Switches,PCSS)具有高增益特性，使高
电场偏置的PCSS导通所需的触发光能比低场时减小了3-5数量级。基于PCSS器件的电路也可以产生快速上升沿的高压脉冲。
[0008] 目前最成熟的高压脉冲电路主要是基于气体火花开关设计的，相对通流能
力也较大，但缺点是重复
频率不高、电压调节困难，
电极的烧蚀较严重，寿命不高。伪火花开关也是国外研制高压脉冲电源较为常用的一种开关器件。磁开关根据单级和多级磁压缩特点，可以产生高压脉冲，但是输出频率一般在较低。由于磁
开关电源是负载决定输出，因此在应用中，一般会在放电回路并联一定阻值的纯
电阻负载。基于
半导体开关的高压脉冲电源需要对开关器件进行串并联，较为成熟的半导开关件电源
输出电压一般在10kV以下。
[0009] 虽然国内外高压脉冲产生的方法和装置很多，但是，目前尚未见到高压脉冲
波形参数可变的产生方法和装置。本发明提出了一种高压脉冲产生方法和装置，通过对固态开关的悬浮级联，可以使全部固态开关的开关时序和通断时间等可调，从而输出输出周期的、非周期、或者是任意数目的高压脉冲，这些高压脉冲的上升沿、下降沿、脉冲宽度，波形形状、频率、脉冲数等和高压脉冲相关的全部参数全部可以连续或非连续的调节。
发明内容
[0010] 本发明的目的在于克服上述不足，提供一种产生高压脉冲的装置和方法，通过控制悬浮级联在一起的多个开关组的开关的时序和开关持续时间，以及开关组之间开关状态的任意组合，实现输出高压脉冲参数的调节功能。
[0011] 为了达到上述目的，一种产生高压脉冲的装置，包括高压直流电压模
块，高压直流电压模块通过控
制模块连接开关模块，高压直流电压模块、
控制模块和开关模块通过低压电源模块供电；
[0012] 开关模块包括m组固态开关组SW1，SW2…SWm，每组固态开关组均连接高压直流电压模块中与其对应的高压直流电源DCm，每组固态开关均包括串联而成的高端固态开关K1和低端固态开关K2，高端固态开关K1和低端固态开关K2均具有控制端G、高压端D和低压端S，高端固态开关K1的低压端S和低端固态开关K2的高压端D相连接，作为每一组开关的输出端Vout，高端固态开关K1的D端和低端固态K2的S端分别作为每组开关的固态开关组中高压直流输入的电源端Vp和地端GND，高端固态开关K1和低端固态开关K2的控制端G均连接控制模块中与其对应的控制
信号Gm，每个
控制信号Gm对应各自的接地端GNDm，m＝1,2,…,m，GNDm和每一个固态开关组的地端GND及高压直流电源DCm的负端L相连。
[0013] 固态开关组至少设置两组。
[0014] 同一组直接串联的高端固态开关K1和低端固态开关K2的控制端G的控制信号是反相同步的。
[0015] 高端固态开关K1通过电源端Vp连接高压直流电源DCm的正端H。
[0016] 高端固态开关K1包括若干开关Ka1，Ka2，…，Kax，所有开关Ka1，Ka2，…，Kax并联或串联或串并联混合组成；
[0017] 低端固态开关K2包括若干开关Kb1，Kb2，…，Kby，所有开关Kb1，Kb2，…，Kby并联或串联或串并联混合组成。
[0018] 高压直流电源模块中的所有高压直流电源均采用悬浮隔离，所有高压直流电源间采用DC-DC变换模块隔离。
[0019] 高端固态开关K1和低端固态开关K2采用MOSFET、IGBT、SiC-MOSFET、阶跃漂移恢复二极管、阶跃恢复二极管或延迟击穿二极管。
[0020] 一种产生高压脉冲的装置的工作方法，包括以下步骤：
[0021] 步骤一，低压电源模块给开关模块、控制模块和高压直流模块提供工作电源；
[0022] 步骤二，控制模块产生开关模块所需的控制信号Gm和GNDm；
[0023] 步骤三，开关模块开始工作，由于受控制信号Gm和GNDm的控制，每一个固态开关组SWm包含的高端固态开关K1和低端固态开关K2单独导通或同时关断；
[0024] 步骤四，高压直流电源模块工作，使开关模块的输出端Vout产生所需的高压脉冲输出。
[0025] 步骤三中，若需产生一个高压脉冲，SWm开关组的高端固态开关K1导通，低端固态开关K2关断，SWm-1开关组的高端固态开关K1关断，SWi-1开关组的低端固态开关K2导通。
[0026] 与
现有技术相比，本发明的开关模块中的开关组之间是悬浮级联的，开关组之间可以不同时导通或关断，通过控制模块控制不同开关组的开关时序，可以产生具有不同上升和下降沿的高压脉冲，相邻两个输出脉冲的幅值也可以不同。
[0027] 进一步的，本发明中给各个开关组提供高压直流电源的子模块之间是相互隔离的，这些高压直流子模快的输出电压可以是相同的，也可以不同。
[0028] 进一步的，本发明中的开关组中的开关可以是各种固态开关，不同的高端固态开关K1和低端固态开关K2可以是同一种，也可以是不同的开关，能够使本发明适用于不同工作环境。
[0029] 本发明的方法是改变这m组开关的控制信号，使高压脉冲产生装置产生周期的、非周期信号、或者是任意数目的高压脉冲，这些高压脉冲的上升沿、下降沿、脉冲宽度，波形形状、频率、脉冲数等和高压脉冲相关的全部参数全部可以连续或非连续的调节，实现输出高压脉冲参数的调节功能。
附图说明
[0030] 图1是本发明的结构图；
[0031] 图2是本发明中开关模块的结构图；
[0032] 图3是本发明中高压直流电源模块的结构图。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0034] 参见图1，本发明包括高压直流电压模块3，高压直流电压模块3通过控制模块2连接开关模块1，高压直流电压模块3、控制模块2和开关模块1通过低压电源模块4供电；
[0035] 开关模块1包括m组固态开关组SW1，SW2…SWm，每组固态开关组均连接高压直流电压模块3中与其对应的高压直流电源DCm，每组固态开关均包括串联而成的高端固态开关K1和低端固态开关K2，高端固态开关K1和低端固态开关K2均具有控制端G、高压端D和低压端S，高端固态开关K1的低压端S和低端固态开关K2的高压端D相连接，作为每一组开关的输出端Vout，高端固态开关K1的D端和低端固态K2的S端分别作为每组开关的固态开关组中高压直流输入的电源端Vp和地端GND，高端固态开关K1和低端固态开关K2的控制端G均连接控制模块2中与其对应的控制信号Gm，每个控制信号Gm对应各自的接地端GNDm，m＝1,2,…,m，GNDm和每一个固态开关组的地端GND及高压直流电源DCm的负端L相连。同一组直接串联的高端固态开关K1和低端固态开关K2的控制端G的控制信号是反相同步的，高端固态开关K1通过电源端Vp连接高压直流电源DCm的正端H。高压直流电源模块3中的所有高压直流电源均采用悬浮隔离，所有高压直流电源间采用DC-DC变换模块隔离。
[0036] 优选的，固态开关组至少设置两组。
[0037] 参见图1，本发明的工作方式如下：
[0038] 第一步：低压电源模块4先工作，给开关模块1、控制模块2和高压直流模块3提供工作的电源，这些电源之间相互隔离，可以用DC-DC变换模块隔离，也可以用其他方式隔离。低压电源模块4具体提供的工作电源种类和电源的电压、
电流等参数由这几个模块的设计和工作状态确定。
[0039] 第二步，控制模块2开始工作，产生开关模块1所需的控制信号Gm和GNDm，这些控制信号的时序关系和开关时间长短根据用户需要的高压脉冲参数来确定。本发明能够实现不同高压脉冲参数，能够满足各种控制信号和高压脉冲参数实施和实现的需要，并不对控制信号和高压脉冲参数提出任何限制。电路各部分的正常工作条件必须符合所用
电子元器件等材料的额定要求，同时还要保证有一定的安全稳定工作裕度。
[0040] 第三步，开关模块1开始工作。由于受控制信号的控制，每一个开关组SWi包含的两个高端固态开关K1和低端固态开关K2不会同时导通，但可以同时关断。虽然同一个开关模组内部的高端固态开关K1和低端固态开关K2不能同时导通，但是，并不要求在产生某一个高压脉冲时，所有开关组SWm包含的所有高端固态开关K1均导通或关断，也不要求所有的低端固态开关K2均导通或关断。也就是说，为产生一个高压脉冲，SWm开关组的高端固态开关K1导通，低端固态开关K2关断，但是SWm-1开关组的高端固态开关K1在这时可以是关断的，而SWm-1开关组的低端固态开关K2则可以是导通的。因此，当产生某一个高压脉冲时，所有开关组SWm内部的高端固态开关K1的开关不需要同步同进行，可以有的关断，有的导通，同样，所有开关组SWi内部的低端固态开关K2，也可以有的关断，有的导通。
[0041] 如图1所示，开关模块1由开关组SW1，SW2，…，SWm组成。如图2所示，每个开关组由高端的开关K1和低端的开关K2组成。高端固态开关K1可以是几个开关Ka1，Ka2，…，Kax并联或串联组成，或者串并联混合组成，低端固态开关K2可以是几个开关Kb1，Kb2，…，Kby并联或串联组成，或者串并联混合组成。其中x和y的数值可以相同，也可以不同。组成高端固态开关K1的所有开关Ka1，Ka2，…，Kax的控制端连接在一起，由同一个信号控制。同样，组成低端固态开关K2的所有开关Kb1，Kb2，…，Kby的控制端连接在一起，由同一个信号控制。高端固态开关K1和低端固态开关K2的控制信号是反相的同步的。
[0042] 第四步，高压直流电源模块4工作。当该模块工作时，由于其它模块已经工作了，因此，这是就会在开关组SWm的输出端根据控制信号，产生所需的高压脉冲输出。如图1和图3所示，高压直流电源模块4由m个相互隔离的高压直流子模块组成。如图3所示，高压直流电源模块4中的m个高压直流子模块的隔离方法是：低一级的高压直流子模块的正端通过单向器件和高一级的高压直流子模块的正负端均直接相连，除过第一级高压直流子模块的负端直接输出外，其它高压直流子模块的负端和悬浮隔离模块直接相连，然后作为该子模块的负端L和对应的开关模组的低端相连。本发明中，高压直流电源模块中的子模块的输出负端L和控制模块的中的对应子模块的地端GNDm、以及开关模块中对应开关组的地端GND直接相连。高压直流电源模块中的子模块的输出负端L。在本发明中，高压直流电源模块中的子模块的输出正端H和开关模块中对应开关组的高端Vp直接相连。高压直流电源模块中的子模块的输出负端L。
[0044] 以下举例说明本发明提出的高压脉冲产生方法和装置的工作过程。假定高压直流模块的所有子模块提供的电压均为VH，开关组SWm，SWm-1，SW2，SW1所包含的四个高端固态开关K1均导通，相应的四个低端固态开关K2关断；其它开关组包含的所有高端固态开关K1关断，相应的所有低端固态开关K2导通，这时，SW1开关组输出的电压是VH。由于SW1的输出端和SW2的低端、以及高压直流电源的子模块DC2的负端L相连，这时，DC2的正端输出电压幅值为2VH，因此，SW2的输出端电压为2VH。一次类推，SWm-1的输出端为3VH，SWm的输出端(也是本发明装置的最后输出端)电压为4VH。
[0045] 当SWm的输出为4VH且持续一段时间后，如果开关组SWm，SWm-1，SW2，SW1所包含的四个高端固态开关K1均关断，相应的四个低端固态开关K2导通；其它开关组包含的所有高端固态开关K1关断，相应的所有低端固态开关K2导通，这时，SWm的输出端电压为DC1的负端，即0V。暗战上述时序循环，就可以产生多个幅值为4VH的高压脉冲。
[0046] 如果在上述过程中，开关组SWm，SWm-1，SW2，SW1所包含的四个高端固态开关K1和四个低端固态开关K2不同时导通或者关断，那么，幅值为4VH的高压脉冲的上升和下降的时间就会根据开关的时序变化，最快上升沿和下降沿的脉冲是开关组SWm，SWm-1，SW2，SW1所包含的四个高端固态开关K1和四个低端固态开关K2同时导通或者关断。如果改变这些开关的导通关断时间，则可以得到脉冲宽度不同的高压脉冲。
