技术领域
[0001] 本
发明属于电
力电子技术领域，涉及一种基于单片机的模块化脉冲高压电源。
背景技术
[0002] 脉冲发
电机的发展，促进了环境，医药，粒子
加速，材料加工，介质测试等领域的研究和工业应用，特别是脉冲电源在驱动
大气压冷
等离子体方面的应用越来越广泛，由于其独特的应用特点，目前已成为许多研究者的研究热点。
[0003] 虽然传统或固态Marx发生器，谐振充电
电路和旋转
火花隙发生器等优良的装置已被用于高压脉冲的产生，但也有各自的优缺点。主要问题具体表现在不稳定的
电压峰值和斜率持续时间、
相位抖动、电压
波形上的随机振荡、下冲或过冲的存在、负载相关的输出特性和有限的
电流能力等。另一方面，商业固态电源虽然提供了良好的高压脉冲，但是这类电源通常有固有的特点，不可避免的存在对不同应用程序的适应性差、成本效率低和不支持可伸缩性的设计等
缺陷。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服上述
现有技术的缺点，提供一种基于单片机的模块化脉冲高压电源。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0006] 一种基于单片机的模块化脉冲高压电源，包括单片机、灌电流单元、拉电流单元、高压直流单元、两个低压侧MOSFET栅驱动单元以及两个高压侧MOSFET栅驱动单元；第一低压侧MOSFET栅驱动单元输入端连接单片机的第一输出端，输出端依次连接第一高压侧MOSFET栅驱动单元、灌电流单元和高压直流单元；第二低压侧MOSFET栅驱动单元输入端连接单片机的第二输出端，输出端依次连接第二高压侧MOSFET栅驱动单元和拉电流单元；高压直流单元还连接电源；其中：单片机用于产生
频率能够调节的两个TTL周期
信号，并分别发送至不同的低压侧MOSFET栅驱动单元，且两个TTL周期信号之间延迟预设时间；低压侧MOSFET栅驱动单元用于接收TTL周期信号，根据TTL周期信号生成正半周脉冲信号和负半周脉冲信号并分别发送至第一高压侧MOSFET栅驱动单元和第二高压侧MOSFET栅驱动单元；第一高压侧MOSFET栅驱动单元用于根据接收的正半周脉冲信号生成灌电流单元
控制信号，并发送至灌电流单元；第二高压侧MOSFET栅驱动单元用于根据接收的负半周脉冲信号生成拉电流单元控制信号；灌电流单元根据灌电流单元控制信号生成正半周高压直流单元开/关控制信号并发送至高压直流单元；拉电流单元用于根据拉电流单元控制信号，生成负半周高压直流单元开/关控制信号并通过灌电流单元发送至高压直流单元；高压直流单元用于根据正半周高压直流单元开/关控制信号和负半周高压直流单元开/关控制信号，将电源输入的电压转换为高压方波脉冲并输出。
[0007] 本发明进一步的改进在于：
[0008] 所述单片机为dsPIC33f463502单片机。
[0009] 所述两个TTL周期信号的时间偏移为100ns。
[0010] 所述两个低压侧MOSFET栅驱动单元均包括六
角倒相器、四个光
耦合器、两个栅极
驱动器和四个低压MOSFET；六角倒相器的输入端连接单片机的输出端，四个输出端均
串联电阻后分别连接不同的光耦合器的
阳极，所有光耦合器的
阴极和GND端均接地；第一光耦合器的发射极连接第一栅极驱动器的逻辑低端输入端，第二光耦合器的发射极连接第一栅极驱动器的逻辑高端输入端；第三光耦合器的发射极连接第二栅极驱动器的逻辑低端输入端，第四光耦合器的发射极连接第二栅极驱动器的逻辑高端输入端；每个光电耦合器的发射极与集
电极均通过电阻连接；两个栅极驱动器的逻辑
电源电压端均通过电容与公共端连接，高端浮置电源偏移电压端与高端浮置电源电压端均通过电容连接；低端输出端均通过电阻连接第一齐纳二级管负极和第一低压MOSFET的栅极，高端输出端均通过电阻连接第二齐纳二级管负极和第二低压MOSFET的栅极；第一齐纳二级管正极和第一低压MOSFET的源极均连接公共端，第二齐纳二级管正极和第二低压MOSFET的源极均连接高端浮置电源电压端，第一低压MOSFET的漏极连接第二低压MOSFET的源极；地电位端、关断端和公共端均接地；第一低压侧MOSFET栅驱动单元的两个栅极驱动器的高端浮置电源电压端均与第一高压侧MOSFET栅驱动单元输入端连接；第二低压侧MOSFET栅驱动单元的两个栅极驱动器的高端浮置电源电压端均与第二高压侧MOSFET栅驱动单元输入端连接。
[0011] 所述两个高压侧MOSFET栅驱动单元均包括若干环形
铁芯
变压器；所有环形铁芯变压器的一次绕组均为同一高压
电缆，第一高压侧MOSFET栅驱动单元的高压电缆的两端均与第一低压侧MOSFET栅驱动单元输出端连接；第二高压侧MOSFET栅驱动单元的高压电缆的两端均与第二低压侧MOSFET栅驱动单元输出端连接；每个环形铁芯变压器的二次绕组的一端均通过依次连接的四个齐纳
二极管和该二次绕组另一端连接；第三
齐纳二极管正极连接二次绕组一端，负极连接第四齐纳二极管负极；第五齐纳二极管正极连接第四齐纳二极管正极，负极连接第六齐纳二极管负极；第四齐纳二极管正极和第五齐纳二极管正极之间设置栅极电阻；第一高压侧MOSFET栅驱动单元的栅极电阻连接第五齐纳二极管正极的一端和第六齐纳二极管正极均连接灌电流单元的输入端；第二高压侧MOSFET栅驱动单元的栅极电阻连接第五齐纳二极管正极的一端和第六齐纳二极管正极均连接灌电流单元的输入端均连接拉电流单元的输入端。
[0012] 还包括若干电位计；每个电位计分别与不同的环形铁芯变压器的二次绕组并联。
[0013] 所述灌电流单元包括若干依次连接的灌电流模块，每个灌电流模块均包括第一高压MOSFET、第一缓冲电容、第一缓冲电阻、第一二极管和第七齐纳二极管；第一高压MOSFET的栅极连接第一高压侧MOSFET栅驱动单元的栅极电阻连接第五齐纳二极管正极的一端；第一高压MOSFET的漏极依次连接第一二极管、第一缓冲电容和第一高压MOSFET的源极，第一高压MOSFET的源极与第六齐纳二极管正极；第一缓冲电阻和第七齐纳二极管均与第一缓冲电容并联，且第七齐纳二极管负极连接第一二级管负极；灌电流模块的第一高压MOSFET的源极与相邻灌电流模块的第一高压MOSFET的漏极连接；连接起始端的灌电流模块的第一高压MOSFET的漏极和连接末端的灌电流模块的第一高压MOSFET的源极均连接高压直流单元的输入端。
[0014] 所述拉电流单元包括若干拉电流模块，每个拉电流模块均包括第二高压MOSFET、第二缓冲电容、第二缓冲电阻、第二二极管和第八齐纳二极管；第二高压MOSFET的栅极连接第二高压侧MOSFET栅驱动单元的栅极电阻连接第三齐纳二极管正极的一端；第二高压MOSFET的漏极依次连接第二二极管、第二缓冲电容和第二高压MOSFET的源极，第二高压MOSFET的源极与第四齐纳二极管正极；第二缓冲电阻和第八齐纳二极管均与第二缓冲电容并联，且第八齐纳二极管负极连接第二二级管负极；拉电流模块的第二高压MOSFET的源极与相邻拉电流模块的第二高压MOSFET的漏极连接，连接起始端的拉电流模块的第一高压MOSFET的漏极和连接末端的拉电流模块的第一高压MOSFET的源极分别连接负载两端。
[0015] 所述高压直流单元包括
自耦变压器、高压变压器、高压电阻
分压器和全桥
整流器，全桥整流器包括第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管；自耦变压器的两端连接第一高压侧MOSFET栅驱动单元的两端，且自耦变压器与高压变压器的主绕组连接；高压变压器的次绕组的一端依次连接全桥整流器和次绕组的另一端；第三二极管正极连接次绕组的一端，负极连接第四二极管负极，第四二极管正极连接第五二极管负极，第五二极管正极连接第六二极管正极，第六二极管负极连接第三二极管正极；第五二极管正极接地；第五二极管正极和第三二极管负极通过若干串联的第三电容连接，所有第三电容中与第三二极管负极直接连接的一端与高压电阻分压器连接；所有第三电容中与第六二极管负极直接连接的一端与灌电流单元输出端连接。
[0016] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0017] 本发明通过单片机可产生两个频率可调的周期信号，通过两个低压侧MOSFET栅驱动单元，生成正半周脉冲信号和负半周脉冲信号并分别发送至第一高压侧MOSFET栅驱动单元和第二高压侧MOSFET栅驱动单元，产生驱动高压侧栅极驱动电路MOSFET管的驱动电压，进行驱动灌电流单元，在灌电流单元的作用下产生高压电源的开/关控制信号，保证了高压直流单元的开通与关断。高压直流单元在高压侧栅极驱动单元的控制下，以交流电源为
基础，在输出端产生高压方波脉冲。同时，通过第二高压侧栅驱动单元在拉电流的作用下连接负载，灌电流单元和拉电流单元形成一个完全模块化的推挽
开关结构，保证了整个电路的完整性与可靠性。通过周期信号的频率决定脉冲高压的频率，对单片机进行适当的编程可相互延迟调节这两个信号，这种延迟避免了灌电流单元和拉电流单元的同时传导，避免高压侧
短路，实现了升降时间大约100ns，抖动大约10ns的高压脉冲电源，升降时间短，抖动小的特性，使得该高压脉冲电源的适用范围大大增加。
[0018] 进一步的，在高压侧MOSFET栅驱动单元中，高压电缆的
介电强度决定了信号控制单元与整个设备输出之间的绝缘
水平，高压电缆为环形铁芯变压器常用的一次绕组，各变压器二次绕组电压为相应高压MOSFET栅驱动电路的输入，由于这种设计，实现了无论在灌电流单元还是拉电流单元中，同步开关串联的高压MOSFET。同时，两个负极与负极相连的齐纳二极管与每个晶体管的栅极并联，提供了足够的过
电压保护。
[0019] 进一步的，在每个铁芯变压器的次级变压器上并联的电位计可以平衡电路参数值之间的最小差异，从而使单个栅极信号产生波形，并辅助高压MOSFET的同步开关。
[0020] 进一步的，灌电流单元和拉电流单元中有一个由电阻和电容并联而成的
缓冲器，每个快速二极管仅在晶体管截止模式下保证缓冲连接，与缓冲器并联的齐纳二极管提供了足够的过电压保护。
附图说明
[0022] 图2为本发明的低压侧MOSFET栅驱动单元拓扑图；
[0023] 图3为本发明的高压侧MOSFET栅驱动单元和灌电流单元拓扑图；
[0024] 图4为本发明的高压直流单元拓扑图。
具体实施方式
[0025] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0026] 需要说明的是，本发明的
说明书和
权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何
变形，意图在于
覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0028] 参见图1至4，本发明基于单片机的模块化脉冲高压电源，包括单片机、灌电流单元、拉电流单元、高压直流单元、两个低压侧MOSFET栅驱动单元以及两个高压侧MOSFET栅驱动单元；第一低压侧MOSFET栅驱动单元输入端连接单片机的输出端，输出端依次连接第一高压侧MOSFET栅驱动单元、灌电流单元和高压直流单元；第二低压侧MOSFET栅驱动单元输入端连接单片机的输出端，输出端依次连接第二高压侧MOSFET栅驱动单元和拉电流单元。
[0029] 单片机用于产生频率能够调节的两个TTL周期信号，并分别发送至不同的低压侧MOSFET栅驱动单元，且两个TTL周期信号之间延迟预设时间；低压侧MOSFET栅驱动单元用于接收TTL周期信号，根据TTL周期信号生成正半周脉冲信号和负半周脉冲信号并分别发送至第一高压侧MOSFET栅驱动单元和第二高压侧MOSFET栅驱动单元；第一高压侧MOSFET栅驱动单元用于根据接收的正半周脉冲信号生成灌电流单元控制信号，并发送至灌电流单元；第二高压侧MOSFET栅驱动单元用于根据接收的负半周脉冲信号生成拉电流单元控制信号；灌电流单元根据灌电流单元控制信号生成正半周高压直流单元开/关控制信号并发送至高压直流单元；拉电流单元用于根据拉电流单元控制信号，生成负半周高压直流单元开/关控制信号并通过灌电流单元发送至高压直流单元；高压直流单元用于根据正半周高压直流单元开/关控制信号和负半周高压直流单元开/关控制信号，将电源输入的电压转换为高压方波脉冲并输出。灌电流单元和拉电流单元构成推挽结构，推挽电路的工作原理是将信号的正半周和负半周分别有两个功放管来完成，当正半周到来时，由甲功放管完成放大，当负半周到来时，由乙功放管完成放大，放大完后，最后合成一个完整的信号。结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，导通损耗小。
[0030] 单片机选用dsPIC33f463502单片机，dsPIC33f463502单片机产生两个频率可调的窄(12μs)TTL周期信号，两个TTL信号通过单片机的信号输出端口分别与两个低压侧MOSFET栅驱动单元的六角倒相器的信号输入端口相连。通过对单片机进行适当的编程，可互相延迟调节，两信号之间有100ns的时间偏移，100ns的
时移是为了避免灌电流单元和拉电流单元同时导通，既避免高压侧短路。这两个信号分别驱动灌电流单元和拉电流单元，他们被并行地发送到两个相同的简单时移电路，即两个低压侧MOSFET栅驱动单元。
[0031] 参见图2，两个低压侧MOSFET栅驱动单元均是一个产生双极脉冲(±40V)并应用于高压电缆的全桥。每个全桥由一个六角倒相器，本实施中选用74LS04六角倒相器；四个光耦合器，本实施中选用TLP631光耦合器；两个栅极驱动器，本实施中选用IR2110栅极驱动器和四个低压MOSFET，本实施中选用STW9N150低压MOSFET。六角倒相器的信号输入端口1A与4A并联，共同接入单片机的一个信号输出端口；2A和3A并联，共同接入单片机的另一个信号输出端口。六角倒相器的VCC端口接电源信号，GND端口接地信号。六角倒相器的四个信号输出端1Y，2Y，3Y和4Y分别串连四个电阻，再与光耦合器的A端(阳极)连接；光耦合器的C端(阴极)接地信号，GND端接地信号，VE端接电源信号，第一光耦合器的VO端(发射极)与第一MOSFET栅极驱动器的LIN端(逻辑低端输入)连接，第一光耦合器的VCC端(集电极)串连一个电阻，再与第一光耦合器的VO端并联；第二个光耦合器的VO端与第一MOSFET栅极驱动器的HIN端(逻辑高端输入)连接，第二个光耦合器的VCC端(集电极)串连一个电阻，再与第二个光耦合器的VO端并联。第三，第四光耦合器与第一，第二光耦合器连接方式相同。第一MOSFET栅极驱动器的VSS端(地电位端)、SD端(关断端)、COM端(公共端)都接地信号，第一MOSFET栅极驱动器的VCC端(电源端)接电源信号，VDD端(逻辑电源电压)与电容串联后与第一MOSFET栅极驱动器的COM端并联，第一MOSFET栅极驱动器的LO(低端输出)连接电阻后再与第一齐纳二极管Dz的负极相连，第一齐纳二极管正极与第一MOSFET栅极驱动器的COM端连接，第一齐纳二极管设置有一个与之并联的电阻，第一齐纳二极管负极与第一低压MOSFET(Q1)的栅极相连，第一低压MOSFET的源级与第一MOSFET栅极驱动器的COM端相连，第一低压MOSFET的漏级与第二低压MOSFET的源级相连。第一MOSFET栅极驱动器的VS端(高端浮置电源偏移电压)与高压电缆的一端连接(第二个MOSFET栅极驱动器的VS与高压电缆的另一端连接)，二极管D与第一MOSFET栅极驱动器的VB端(高端浮置电源电压)并联后与电容C串联，电容C的另一端与第一MOSFET栅极驱动器的VS端连接，第一MOSFET栅极驱动器的HO端(高端输出)连接电阻后再与第二齐纳二级管的负极相连，第二齐纳二级管正极与第一MOSFET栅极驱动器的VS端连接，设置有一个与第二齐纳二级管并联电阻，第二齐纳二级管负极与第二低压MOSFET(Q1)的栅极相连，第二低压MOSFET的漏级接VDD(直流电源)。第二个MOSFET栅极驱动器与第一个MOSFET栅极驱动器连接相同，第三低压MOSFET和第四低压MOSFET与第一低压MOSFET和第二低压MOSFET的连接方式相同。
[0032] 两个高压侧MOSFET栅驱动单元包括多个环形铁芯变压器，环形铁芯变压器一次绕组为一根高压电缆，一端与低压侧MOSFET栅驱动单元中第一MOSFET栅极驱动器的VS端连接，另一端与第二MOSFET栅极驱动器的VS端连接；二次绕组与一个电位计Rv并联后，一端连接第三齐纳二极管正极，第三齐纳二极管正极连接第四齐纳二极管负极，第四齐纳二极管正极连接第五齐纳二极管正极，第五齐纳二极管负极连接第六齐纳二极管负极，第六齐纳二极管正极连接在二次绕组的另一端。
[0033] 参见图3，灌电流单元包括10个灌电流模块，灌电流模块包括高压MOSFET。每个高压MOSFET都有一个有缓冲电阻和缓冲电容并联而成的缓冲器，一个快速的第一二极管D正极与第一高压MOSFET漏级相连(此快速第一二极管D仅在第一高压MOSFET截止模式下保证缓冲连接)，再与缓冲器并联，缓冲器再并联一个第七齐纳二极管(第七齐纳二极管提供了足够的过电压保护)，第七齐纳二极管的负极与第一二极管的负极连接，第七齐纳二极管的正极与第一高压MOSFET的源级连接。10个灌电流模块的连接方式相同，每个灌电流模块的第一高压MOSFET的源极与相邻灌电流模块的第一高压MOSFET的漏极连接；连接起始端的灌电流模块的第一高压MOSFET的漏极和连接末端的灌电流模块的第一高压MOSFET的源极分别连接高压直流单元的自耦变压器的两端(驱动灌电流单元的连接方式)。
[0034] 拉电流单元与灌电流单元结构相同，连接略有不同，具体如下，拉电流单元包括10个拉电流模块，每个拉电流模块均包括第二高压MOSFET、第二缓冲电容、第二缓冲电阻、第二二极管和第八齐纳二极管；第二高压MOSFET的栅极连接第二高压侧MOSFET栅驱动单元的栅极电阻连接第三齐纳二极管正极的一端；第二高压MOSFET的漏极依次连接第二二极管、第二缓冲电容和第二高压MOSFET的源极，第二高压MOSFET的源极与第四齐纳二极管正极；第二缓冲电阻和第八齐纳二极管均与第二缓冲电容并联，且第八齐纳二极管负极连接第二二级管负极；10个拉电流模块的连接方式相同，一个拉电流模块的第二高压MOSFET的源极与相邻拉电流模块的第二高压MOSFET的漏极连接，连接起始端的拉电流模块的第一高压MOSFET的漏极和连接末端的拉电流模块的第一高压MOSFET的源极分别连接负载两端(驱动拉电流单元的连接方式)或悬空。
[0035] 参见图4，高压直流单元包括自耦变压器、高压变压器、高压电阻分压器和全桥整流器，全桥整流器包括第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管。自耦变压器连接在高压变压器主绕组上，自耦变压器的两端接第一高压侧MOSFET栅驱动单元的两端。高压变压器的次绕组的一端依次连接全桥整流器和次绕组的另一端；第三二极管正极连接次绕组的一端，负极连接第四二极管负极，第四二极管正极连接第五二极管负极，第五二极管正极连接第六二极管正极，第六二极管负极连接第三二极管正极；第五二极管正极和第三二极管负极通过八个串联的第三电容连接，第三电容与第三二极管负极连接的一端与高压电阻分压器连接；第五二极管正极接地。与第三二极管负极连接的第三电容的一端连接高压电阻分压器，在高压电阻分压器(HV40B)上可以进行连续监测输出的直流高压幅值，可在HV40B上读出数值。八个串联的第三电容两端有
输出电压Vout，即实现了高压脉冲电源。
[0036] 灌电流单元的源级连接在高压直流电源输出端的下边，高压直流单元通过调节自耦变压器可提供最大5000v电压，高压侧栅极驱动单元通过灌电流单元在高压直流单元的全桥整流作用下可提供2000v电压，灌电流单元的每个MOSFET提供200v电压，本发明可以调节电压幅值高达7kv的电源，2*10A的输出峰值电流在5KHZ时振幅下降小于万分之四。经过实验，可调占空比从1％至10％，升降时间大约100ns，抖动大约10ns。基于快速MOSFET的模块串联起来，形成一个完全模块化的推挽开关结构，实现了MOSFET的同步开关。由单片机发出的可调频率信号决定了脉冲高压的频率，对单片机进行适当编程，可对信号相互延迟调节，这种延迟与脉冲高压的占空比有关，100ns的时移可避免高压侧短路；对延迟和频率的精确控制及对脉冲的高对称性的需要证明了单片机的使用是合理的。
[0037] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
