一种实现高压高频大功率脉冲的电路及方法

本发明属于高压脉冲发生器，涉及一种实现高压高频大功率脉冲的电路及方法。

背景技术：

1、脉冲发生器是一种电子设备，用于产生电压脉冲信号。电压脉冲信号是一种特殊的周期性信号，且在各周期中，具有一个特定的高电平和一个特定的低电平。此过程中，一般要求尽可能快的上升时间和下降时间。

2、幅值500v以内的脉冲信号产生的一般方式有降压式和升压式两种。

3、降压式产生的方式：一般是以一个大功率高压电源作为输入，然后通过降压电路配合开关电路调制出脉冲信号。因此该系统主要适用于不常移动的重型设备，而对于低压供电且考虑功耗的轻型设备则不是一个很好的选择。升压式产生的方式：一般是以一个轻型低压直流电源作为输入，然后通过升压电路配合开关电路调制出脉冲信号。

4、传统升压电路一般有boost电感升压和变压器升压两种，实际应用中，boost升压芯片电源开关频率可以做到mhz级别，但升压比一般只有4左右。而变压器虽然升压比可以做到很高，但电源开关频率低且输出电压纹波大。为解决此问题，专利cn113489316a中提出一种boost加电荷泵的方案，可以通过增加电荷泵级数将升压比做到40，但该方式也因泵级的增加使得电路变得冗杂，且多泵级会降低电路整体的频率响应以及功率输出，配合传统开关电路设计后，难以输出高频和大功率的脉冲，带载能力弱。

5、传统开关电路一般是通过调节一个电源与负载连接的通与断，实现脉冲的高低电平输出。由于负载本身寄生电容的存在，在负载两端的信号由高电平降为低电平过程中，负载需要快速释放能量。如专利cn103236829a中所示的一种方波发生电路，需要与负载并联的一个小电阻快速释放电能，实现快速的上升时间和下降时间。但当输出脉冲电压幅值以及输出脉冲频率需求较高时，这种方式每个周期电阻都会造成大量的额外功耗，电路整体功耗陡然上升。使得输入电源只能选用一个大功率高压电源，传统升压电路难以满足，不适用于轻型低功耗的应用场景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中传统的升压或降压方式中，升压电路输出功率低以及带载能力弱，开关电路中，能量损耗大，且目前的降压电路不适用于轻型低功耗的应用场景的问题，提供一种实现高压高频大功率脉冲的电路及方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种实现高压高频大功率脉冲的电路，包括储能模块(1)、第一电源(3)、第二电源(4)、第一二极管(5)、第二二极管(6)、第一开关(7)、第二开关(8)、负载(9)和开关驱动电路；

4、第一电源(3)输出端连接第一开关(7)的一端，第一开关(7)的另一端分别连接储能模块(1)和第二开关(8)的一端，所述储能模块(1)的另一端分别连接负载(9)的一端和第二电源(4)的输出端，所述第二开关(8)的另一端和负载(9)的另一端均连接到地信号；

5、第一电源(3)输出端连接第一二极管(5)，第二电源(4)输出端连接第二二极管(6)；

6、所述开关驱动电路用于获取输出到负载(9)的信号，并根据获取的信号切换第一开关(7)和第二开关(8)的导通状态。

7、本发明的进一步改进在于：

8、所述储能模块(1)和负载(9)之间设置阻尼(2)。

9、所述第一电源(3)和第二电源(4)均为固定电源。

10、所述储能模块(1)为固定电容。

11、所述负载(9)一端连接第一电阻(10)的一端，另一端连接第二电阻(11)的一端；

12、所述第一电阻(10)的另一端连接第二电阻(11)的另一端。

13、所述第一电源(3)和第二电源(4)均为可调电源。

14、所述储能模块(1)为可变电容。

15、一种实现高压高频大功率脉冲的方法，包括以下步骤：

16、根据下降沿信号，开启第一开关(7)或第二开关(8)，第一电源(3)或第二电源(4)开始充电，输出到负载(9)的脉冲信号为低电平信号；

17、获取上升沿信号时，切换第一开关(7)和第二开关(8)的导通状态，此时输出到负载(9)的脉冲信号为高电平信号；

18、获取下降沿信号时，切换第一开关(7)和第二开关(8)的导通状态，此时输出到负载(9)的脉冲信号为低电平信号；

19、获取上升沿信号时，再次切换第一开关(7)和第二开关(8)的导通状态，重复执行上述步骤。

20、本方法的进一步改进在于包括以下步骤：

21、s1：电路初始状态，默认获取下降沿信号，关闭第一开关(7)，启动第二开关(8)，第二电源(4)分别向储能模块(1)和负载(9)充电，储能模块(1)和负载(9)储存能量，输出到负载(9)的脉冲信号为低电平信号；

22、s2：获取上升沿信号时，开启第一开关(7)，关闭第二开关(8)，第一电源(3)与储能模块(1)同时向负载(9)充电，负载(9)继续储存能量，此时，输出到负载(9)的脉冲信号为高电平信号；

23、s3：获取下降沿信号时，关闭第一开关(7)，启动第二开关(8)，负载(9)开始向储能模块(1)释放能量，输出到负载(9)的脉冲信号为低电平信号；

24、s4：获取上升沿信号时，重复执行步骤s2-s3。

25、还包括信号输入电路，所述信号输入电路用于获取负载(9)的信号，所述信号输入电路的输出端连接信号隔离电路的输入端；

26、所述信号隔离电路的输出端连接开关驱动电路输入端。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、本发明公开了一种实现高压高频大功率脉冲的方法，在产生脉冲信号的高电平过程中，通过电源和储能模块电压的叠加输出，增大了升压比，提高了输出信号的电压幅值，可达几百伏，同时避免了因采用多级数电荷泵而降低系统的频率响应，在在产生脉冲信号的高低电平的过程中，通过两个开关的切换，改变能量的输出方式，采用能量交换的方式间接实现电平变换，与传统利用电阻与负载并联的空耗能量实现电平变换的方式相比，降低了相同脉冲输出条件下的系统功耗，避免了随着电压幅值与频率的上升，电阻发生热量陡然增加致使输出脉冲频率受限的情况，本方法公开的方法通过储能模块与负载的能量交换，使得输出性能可以轻松达到设备需求，很好的解决了传统小型化升压式脉冲电源带载能力弱，难以输出大功率的问题。

29、进一步的，在储能模块和负载之间设置阻尼，调节其阻尼值大小可以改变输出脉冲的上升时间和下降时间。

技术特征：

1.一种实现高压高频大功率脉冲的电路，其特征在于，包括储能模块(1)、第一电源(3)、第二电源(4)、第一二极管(5)、第二二极管(6)、第一开关(7)、第二开关(8)、负载(9)和开关驱动电路；

2.根据权利要求1所述的一种实现高压高频大功率脉冲的电路，其特征在于，所述储能模块(1)和负载(9)之间设置阻尼(2)。

3.根据权利要求1所述的一种实现高压高频大功率脉冲的电路，其特征在于，所述第一电源(3)和第二电源(4)均为固定电源。

4.根据权利要求1所述的一种实现高压高频大功率脉冲的电路，其特征在于，所述储能模块(1)为固定电容。

5.根据权利要求1所述的一种实现高压高频大功率脉冲的电路，其特征在于，所述负载(9)一端连接第一电阻(10)的一端，另一端连接第二电阻(11)的一端；

6.根据权利要求5所述的一种实现高压高频大功率脉冲的电路，其特征在于，所述第一电源(3)和第二电源(4)均为可调电源。

7.根据权利要求6所述的一种实现高压高频大功率脉冲的电路，其特征在于，所述储能模块(1)为可变电容。

8.根据权利要求1所述的一种实现高压高频大功率脉冲的方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种实现高压高频大功率脉冲的方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求8所述的一种实现高压高频大功率脉冲的方法，其特征在于，还包括信号输入电路，所述信号输入电路用于获取负载(9)的信号，所述信号输入电路的输出端连接信号隔离电路的输入端；

技术总结
本发明公开了一种实现高压高频大功率脉冲的电路及方法，在产生脉冲信号的高电平过程中，通过电源和储能模块电压的叠加输出，增大了升压比，提高了输出信号的电压幅值，可达几百伏，同时避免了因采用多级数电荷泵而降低系统的频率响应以及输出功率，在产生脉冲信号的高低电平的过程中，通过两个开关的切换，改变能量的输出方式，采用能量交换的方式间接实现电平变换，与传统利用电阻与负载并联的空耗能量实现电平变换的方式相比，降低了相同脉冲输出条件下的系统功耗，避免了随着脉冲的电压幅值与频率的上升，电阻发生热量陡然增加致使输出脉冲频率与功率受限的情况，本方法公开的方法通过储能模块与负载的能量交换，使得输出性能可以轻松达到设备需求。

技术研发人员：王子鸣,乔大勇,黎永前,李东芃,惠大泰
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23