基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。

一种基于感应隔离的双极性脉冲发生器

脉冲功率技术在诸多领域有着广泛的应用前景,对脉冲发生器的输出参数也提出了更高的要求,包括脉冲电压幅值、电流峰值、脉宽和重复频率等。该文针对脉冲电场的生物医学应用背景,提出一种基于感应隔离的可调极性脉冲发生器方案。在每级电路模块中包含了1个电容、2个开关和1个隔离变压器。通过控制开关的导通时序,可以实现正负极性的脉冲输出,隔离变压器在放电时可以隔离电位变化。理论分析及实验结果表明,该脉冲发生器的基本原理仍为"并联充电、串联放电",可以输出双极性方波脉冲,且脉冲极性、宽度、幅值均可灵活调节。研制的感应隔离脉冲发生器可输出幅值为±6kV、脉宽为200~1000ns、上升沿为10ns的极性可调脉冲。此外,模块化的设计可以通过增加模块数量等实现更高参数的脉冲输出。

用于细胞电穿孔的双极性脉冲发生器的研制

脉冲电场下细胞电穿孔技术可应用于水处理、食品杀菌、组织消融等,而不同的电穿孔应用对脉冲的波形有不同的需求。本文提出了一种由一个特殊的全桥模块和多个半桥模块组成的新型脉冲发生器结构,除了能够产生双极性的方波脉冲电压之外,还可以通过仅改变开关时序实现阶梯波和窄脉冲与宽脉冲组合波。本文详细阐述了此新型电路的结构和工作原理,搭建了由12个开关构成的1个全桥模块和4个半桥模块组成的主电路;当每级电容充电220 V时,实现了±2 kV、脉宽1~10μs可调的双极性脉冲电压输出。此外,通过控制开关时序,可实现单极性9级阶梯电压以及宽窄脉冲组合波的输出。最后在马铃薯块茎处理实验中验证了该电源用于细胞电穿孔实验的可行性。

基于Boost闭环控制的恒峰值双极性脉冲发生器的研制

在肿瘤消融、污水处理等领域的脉冲功率技术应用中,研究发现双极性电脉冲往往比单极性电脉冲效果更佳,这极大地刺激了双极性高压脉冲电源的研发需求。设计了一台基于Boost闭环控制的恒峰值双极性脉冲发生器,该发生器结合boost电路与Marx发生器的特点,实现了具有升压功能的双极性脉冲的产生,且利用峰值检测电路对双极性脉冲发生器的输出峰值进行取样,并反馈到DSP处理器,实现峰值电压闭环控制,从而实现双极性脉冲恒定峰值的输出。为了验证提出的拓扑电路的可行性与稳定性,对5级恒峰值双极性脉冲发生器进行了仿真和实验研究。实验结果表明,当输入电压在100 V时,可产生重复频率5 kHz、脉冲宽度5~10μs、电压幅值为±2.0 kV的恒峰值双极性脉冲波形。该脉冲电源使用模块化设计,便于级联,结构紧凑,可灵活输出恒峰值的双极性或单极性正(负)脉冲。

四通道/双通道数字脉冲发生器

Maxim Integrated Products推出四通道，双通道、高压数字脉冲发生器MAX4940／MAX4940A。器件提供2．0A（典型值）输出电流．可独立配置为从低压逻辑输入产生高压单极性或双极性脉冲。

具有负载普适性的高压双极性方波脉冲源研制

为满足高压脉冲杀菌灭藻实验的需求,研制了一种新型极性可调方波高压脉冲电源。该电源前端为半桥式Marx电路,产生单极性重复频率的方波高压脉冲,后端级联一个H桥,通过控制H桥正、负向放电通道开闭的不同时序实现对高压脉冲极性的调节。本文对拓扑结构设计思路、不同负载时的工作原理和开关控制策略进行了阐述和分析,并利用PSIM软件仿真验证了该脉冲源设计方案的正确性。最后,研制了脉冲源样机,经测试证明,该脉冲源所采用的IGBT浮地驱动技术安全可靠,其最大输出电压达±7k V,输出电流达±10A,脉冲数达1kpps,额定输出时上升沿可达160ns,脉宽3.5μs,且能在阻性、容性、感性等各类负载下正常工作,并易于实现电压、频率、脉宽、极性的调节,易于实现模块化和小型化。

一种采用全固态开关的高压双极性脉冲源

为满足高压脉冲电场灭菌实验的需要,提出一种结合经典Marx发生器与全固态开关器件的高压双极性方波脉冲源设计方案. 选用全固态开关器件替代传统的火花间隙开关,以单极性Marx发生器为核心,实现能量压缩,通过全桥固态调制器可实现高压方波脉冲的双极性输出. 详细分析了电路的结构、工作过程、控制策略和负载适应能力. 以全固态IGBT为主开关器件,研制了脉冲源的高压主回路部分;设计了相应的控制电路和开关同步触发电路,通过光纤和隔离供电模块实现了信号传输和强弱电的隔离. 相比于常规的双极性高压脉冲源,该方案具有更简洁的电路结构和良好的负载适应能力,实现了输出脉冲极性可控、前沿更陡,脉冲频率、脉宽、电压幅值可调等优点. 实验结果表明,该脉冲源系统可以产生幅值范围-7~7 kV、每秒脉冲数1~1 000、脉宽范围2~10μs、极性可变的高压方波脉冲,为开展高压脉冲电场灭菌实验,寻找最佳灭菌电参数条件,提供了硬件支持.

无线无源的参数可控脉冲发生器

针对植入式刺激器内置电源容量有限、体积大、潜在安全隐患等问题,设计了一种无线无源的参数可控脉冲发生器。该发生器基于电磁耦合原理,由经皮变压器、储能电容、整流电路及双稳态触发器构成,与传统的脉冲发生器相比,在不加入微控制器和维持原有通信信道不变的情况下,实现了脉冲发生器输出信号的幅值、频率、脉宽、极性可调,克服了其他脉冲发生器信号极性不可控的弊端,且电路结构极为简单。通过pspice仿真、实际电路、样机实验的测试,实验结果与理论分析吻合。脉冲发生器输出信号的频率范围0～300 Hz,脉宽范围60～450μs,幅值范围0～10 V,且极性可调。因此该脉冲发生器满足植入式刺激器的需求,同时还可用于某些密闭化学、生物装置。

双极性高频高压方波脉冲电源研究述评

为推动双极性高频高压方波脉冲电源的研究和发展,对双极性高频高压方波脉冲电源的应用领域和发展概况进行归纳。以固态电力电子开关器件为基础,总结了几种主要的技术实现方案并加以述评,以及对改善脉冲电源使用性能的相关技术进行了简要介绍。对现今依然存在的问题做出阐述,并对未来发展趋势进行了展望。

低功耗多通道差动脉冲发生器的设计与实现

针对脉冲发生器输出信号极性不易调节、功耗较大等弊端，设计一种低功耗多通道差动脉冲信号发生器.该发生器由电源模块、主控模块、脉冲发生模块组成，与其他脉冲发生器相比，电路更为简单，并解决了输出信号极性可控的难题，且可实现输出信号的幅值、脉宽、频率等参数可调.通过实际电路实验得出，实验结果与理论分析结果吻合，且幅值可调范围为1.7~10 V，频率可调范围为10~1000 Hz，脉宽可调范围为50~5000μs，并可实现任意两通道的差动脉冲输出，且功耗较低.因此所设计的电路具有实际意义，可应用于植入式刺激器等领域.

基于超宽带极窄脉冲发生器的分析

讨论了采用级联双极性晶体管结构的超宽带极脉冲发生器,并对其电路及双极性晶体管雪崩的工作原理进行了具体分析．通过实验获得了输出脉冲宽度为皮秒级的极窄脉冲,该脉冲的宽度、上升时间和幅度均较好地符合了极窄脉冲的要求．

一种低成本的超宽带脉冲发生器设计

脉冲发生器是UWB通信中的核心部件之一。为了满足超宽带通信的需求,文中基于双极性晶体管设计了一种可用于OOK调制的低成本超宽带脉冲发生器。电路包括脉冲整形电路和振荡器电路两部分,触发脉冲经脉冲整形电路转换为一个窄脉冲,并输出至振荡器电路的控制级,用于控制振荡。实测结果表明,脉冲幅度达到约2.4 V,脉冲频谱中心频率为4 GHz,10 dB带宽可达1.1 GHz。

MAX4940／40A：数字脉冲发生器

Maxim推出四通道／双通道、高压数字脉冲发生器MAX4940／40A。器件提供2．0A（典型值）输出电流，可独立配置为从低压逻辑输入产生高压单极性或双极性脉冲。每通道的两个逻辑输入以及一个独立的使能输入能够确保输出MOSFET关闭以加快斜坡时间，并极大地缩短脉冲模式之间的延迟。

多级谐振充电的Marx脉冲源研究

Marx发生器是一种经典的脉冲功率发生装置。为了更好地满足高电压、双极性高效率等实际使用需求,文中提出了多级谐振充电的Marx脉冲源,即利用串联谐振充电源与串心磁环变压器对Marx脉冲发生器分组充电。搭建两类对称结构多级谐振充电的Marx脉冲发生器并验证其性能,包括可变极性的单极性发生器和双极性脉冲发生器。电路由一组正极性的3路8级Marx和一组负极性的3路8级Marx组成,共48级。实验结果表明,可变极性的单极性Marx发生器可产生正极性或负极性电压幅值为30 kV的脉冲,双极性发生器可向空载和50 kΩ的阻性负载输出±10 kV的电压脉冲。通过FPGA(Field Program Gate Array)的信号控制可以将重复频率控制在1 Hz~1 kHz范围内调节,脉宽可在1~200μs范围内调节,脉冲前后沿为50 ns以内。正、负脉冲之间的弛豫时间为0.2~200.0μs。

一种无线闭环迷走神经刺激器及系统

为了治疗药物难治性癫痫,提出一种无线闭环迷走神经刺激器及系统,包括头戴式头皮脑电记录器、迷走神经刺激器、电磁耦合能量发射器和控制应用App,设计一种可以分离局部场电位和动作电位的生物信号前置放大器,一种刺激脉冲参数可调的迷走神经刺激器,一种电磁耦合能量发射器以及一个控制应用App。使用海岸线参数检测算法判定癫痫脑电信号的产生。测试结果表明,生物信号前置放大器对局部场电位和动作电位的放大增益分别为40和60 dB。迷走神经刺激器接收到来自控制应用App的刺激参数后,可以产生对应参数的双极性刺激脉冲。当发射器发射功率为30 dBm,发射线圈和接收线圈距离2 cm时,电磁耦合能量传输效率最大为15.4%。海岸线参数算法的正检率为88%。

外置式脑深部刺激器核心技术的突破

针对脑深部刺激器的因电源耗尽需要定期更换、体积庞大、存在潜在危险的弊端，设计了一种体外供电的隔离脉冲发生电路。该电路根据电磁耦合原理，由经皮变压器、内置电路构成，与其它脉冲发生电路相比，在不需要附加通信信道的条件下，解决了至今为止刺激脉冲极性可控的难题，可实现刺激脉冲的极性、幅值、频率及脉宽多种参数的可控可调，而且电路极为简单。通过pspice仿真及实际电路的实验，实验结果与理论分析结果比较吻合，且幅值的变化范围为0～10V。因此设计的电路满足植入式刺激器对脉冲发生电路的需求，且该电路结构适用于大多数体外供电的植入式刺激器。

用于治疗功能性胃肠疾病的植入式电刺激器设计

所设计的植入式刺激器用于治疗功能性胃肠道疾病。该刺激器利用μC/OS-Ⅱ实时操作系统内核来建立稳定高效的软件系统。基于STM32F103芯片的硬件系统完成产生刺激脉冲,采集胃肠道压力信号的任务。刺激器通过无线通信模块与外部控制器进行通信,接收外部控制器的控制命令,并将采集到的压力数据发送给外部存储器进行存储。实验结果证明:样机输出波形正常,可以准确发送所采集的压力信息,电刺激系统设置的参数范围大,可以应用在动物实验中。

超宽带高功率电磁脉冲天线的设计与实验

在对近辐射场动力学过程辐射的研究基础上,提出能辐射超宽带电磁脉冲的综合天线的概念及天线试验研究的结果。研制此天线利用了能量应用这种概念,其有小的尺寸,高的电场强度,线极化辐射脉冲的心形曲线图,并且完全适合作为扫描天线阵扫描单元。此天线由高压双极性脉冲发生器激励。

超宽带极窄脉冲发生器的设计分析

讨论了双极性晶体管雪崩的工作原理,分析了采用级联双极性晶体管结构的超宽带极窄脉冲发生器的电路。通过实验获得的输出脉冲宽度为皮秒级的极窄脉冲,该脉冲的宽度、上升时间和幅度均较好地符合了极窄脉冲的要求。

双极性脉冲忆阻桥电子突触神经网络及图像处理

忆阻器是一种具有天然信息存储能力和纳米级尺寸的类突触元件,由忆阻器构成的桥式突触电路结构简单、控制精确,有望应用于人工神经网络、超大规模集成电路、图像处理、模式识别等领域,然而传统的忆阻桥突触电路在突触模拟的过程中,由于单极性脉冲造成的通量积累会对权值模拟产生一定的误差.本文提出了一种新型的忆阻突触桥电路,该电路有效克服了传统桥电路忆阻值漂移的问题,由该电路构成的新型忆阻神经网络应用于图像处理中有着更为明显的优势,文中通过仿真实验验证了该方案的可行性,说明基于双极性脉冲发生器忆阻桥神经网络具有更加高效的仿生特性,而且集成度更高、模板更易更换,有望更有效解决实时的复杂的智能问题.