一种单电源多模态脉冲电源及其控制方法与流程

1.本技术设计脉冲功率技术领域，具体而言，涉及一种单电源多模态脉冲电源及其控制方法。


背景技术：

2.脉冲功率技术在近年来发展迅速，其已经被应用到了多个方面。脉冲功率技术也应用到了消融领域。采用脉冲进行消融具有消融速度快、对正常组织的影响小、可以保留血管和神经等优点。
3.近年来，人们将多种不同参数的脉冲结合起来实现了较为精准的消融。比如将脉冲宽度为纳秒级别、幅值相对较高的脉冲和脉冲宽度为微秒级别、幅值相对较低的脉冲结合起来对生物组织消融，可以更好地控制肌肉收缩和减轻对正常组织的影响。
4.要开展这种多参数脉冲消融，就需要对应的脉冲源，对此，研究人员提出了一些思路来产生这种复杂的脉冲形式，但是这些脉冲源的结构都较为复杂，绝大多数都需要多个电源。
5.传统的脉冲电源如图1所示，在该脉冲源中，有多个级联的脉冲产生模块，直流电源通过第一个模块给每个模块进行充电，在放电时，所有的脉冲产生模块进行串联放电输出，这样就使得该传统的脉冲电源较为适合于脉宽较窄、幅值较高的脉冲的输出；当需要提高输出脉冲的脉宽时，需要每一个脉冲产生模块中的储能元件的参数均满足要求，这就增大了成本；同时所有脉冲产生模块均最终通过图1中的充电电阻rc进行充电，这导致充电电阻rc成为了制约充电功率的瓶颈，进而使得该脉冲电源的输出频率受到限制；并且如果单纯地减小充电元件rc的阻抗，则会导致在充电二极管上的电流过大，尤其是刚开始充电的时候，电容上没有电压，初始充电电流很大，容易造成充电二极管损坏。
6.现有的脉冲源的如上所述的缺点，使得将多种不同参数的脉冲（群）组合输出的形式受到了限制，所以亟需一款性能可靠、控制相对简单、成本占优的脉冲电源来解决该问题。


技术实现要素：

7.本技术针对现有脉冲电源的缺点，提出一种单电源多模态脉冲电源及其控制方法，以解决现有技术中的脉冲电源的输出频率较低、成本较高、控制不灵活的技术问题。
8.第一个方面，本技术提出一种单电源多模态脉冲电源，包括：至少二个脉冲发生模块和一个电源。
9.每个脉冲发生模块包括储能元件、开关元件、第一隔离元件、第二隔离元件、充电元件。
10.充电元件的第二端和第一隔离元件的第一端电连接。
11.第一隔离元件的第二端和储能元件的第一端电连接；第一隔离元件的第二端和开关元件的第一端电连接。
12.储能元件的第二端和第二隔离元件的第一端电连接。
13.开关元件的第二端和第二隔离元件的第二端电连接。
14.距电源最远的脉冲发生模块的第二隔离元件的第二端和电源的第二端电连接。
15.靠近电源的脉冲发生模块的第二隔离元件的第二端和其相邻的脉冲发生模块的第二隔离元件的第一端电连接。
16.脉冲发生模块的充电元件的第一端和电源的第一端电连接。
17.第二个方面，本技术提出一种单电源多模态脉冲电源控制方法，其思路为根据单电源多模态脉冲电源所施加生物组织的细胞特性，输出可以使得生物组织细胞的细胞膜、细胞器膜、细胞核膜发生电穿孔、扩大电穿孔和维持电穿孔的脉冲（群）；产生电穿孔的脉冲幅值大于等于扩大电穿孔的脉冲幅值，扩大电穿孔的脉冲幅值大于等于维持电穿孔的脉冲幅值；产生电穿孔的脉冲宽度小于等于扩大电穿孔的脉冲宽度；扩大电穿孔的脉冲宽度小于等于维持电穿孔的脉冲宽度；各个脉冲（群）之间可以相互交叠也可以相互分离。
18.针对脉冲发生模块而言：每个脉冲发生模块中的充电元件和储能元件的参数值可以不等；储能元件参数值的确定方法为单电源多模态脉冲电源需满足所有控制状态下施加在负载上的脉冲的顶降百分值小于等于允许值；对应的充电元件的参数值确定方法为充电元件需满足最大的充电速度要求。
19.针对储能元件参数值的确定方法，一种可选的方法为，通过某一个脉冲发生模块来输出脉宽较大的脉冲，所有脉冲发生模块一起来输出脉宽较小的脉冲，除了输出较大脉宽的脉冲发生模块外，其余脉冲发生模块的储能值相同。则该产生脉宽较大的脉冲发生模块的储能电容值在顶降较小时可以通过公式计算，储能电容值≥较大的脉宽
÷
(脉冲顶降百分值
×
负载阻抗)；和计算公式二：f(c1,c2,c3,
…
,cn) ≥较小的脉宽
÷
(脉冲顶降百分值
×
负载阻抗)；其中函数f(c1,c2,c3,
…
,cn)表示参与到放电的脉冲发生模块的等效电容。
20.对于充电元件的参数值计算，则可以通过充电回路的回路方程或者简化的公式计算，此处不再赘述。
21.当然，因为单电源多模态脉冲电源的控制灵活，可以通过多个脉冲发生模块输出的脉冲进行拼接，组合形成一个脉宽较大的脉冲，则此时也可以列出对应的不等式方程组求得对应的电容值，此过程和上述过程类似，此处不再赘述。
22.单电源多模态脉冲电源在充电时，开关元件没有导通的脉冲发生模块中的储能元件通过充电元件和第一隔离元件从电源获取能量。
23.单电源多模态脉冲电源有两类放电模式，第一类放电模式为所有脉冲发生模块的开关元件均导通；第二类放电模式为部分脉冲发生模块的开关元件导通。
24.针对第一类放电模式：所有脉冲发生模块中的开关元件均导通；则负载上输出电压幅值的绝对值为电源电压的n倍，其中n为脉冲发生模块的数量。
25.针对第二类放电模式：部分脉冲发生模块中的开关元件导通，对于开关元件导通的脉冲发生模块，其放电通路为本模块的储能元件和开关元件；对于开关元件没有导通的脉冲发生模块，其放电通路为本模块的第二隔离元件；负载上输出的电压幅值的绝对值为电源幅值的m倍，其中m为开关元件导通的脉冲发生模块的数量。
26.对于第一类放电模式和第二类放电模式而言，不同的脉冲发生模块中的开关元件
可以同时导通，也可以不同时导通，还可以部分同时导通。
27.对于脉冲发生模块而言，储能元件可以是电容；开关元件可以是mosfet、igbt、等开关设备；第一隔离元件、第二隔离元件可以是二极管、电感、电阻等；充电元件可以是电阻、电感、二极管等。
28.此单电源多模态脉冲电源还可以作为桥式电路等其他电路中的一部分用于输出双极性脉冲。
29.本发明相对于传统的脉冲电源具有如下的显著优点。首先，通过将充电电流分散到多个充电元件，可以有效地提高充电的功率，提升脉冲源的输出频率和功率。然后，通过对每一个模块进行元件参数的调节，可以得到适用于对应负载特性的最佳的元件参数，使得成本降低。最后，通过灵活的控制，可以实现复杂脉冲的输出，满足多种需求。
附图说明
30.本技术的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显。
31.在下面的附图中的开关元件的导通关断时序图中，0表示开关元件关断，1表示该开关元件导通。
32.图1是传统的脉冲电源的电路图。
33.图2是单电源多模态脉冲电源的电路图。
34.图3示出了单电源多模态脉冲电源的充电回路。
35.图4示出了单电源多模态脉冲电源的所有脉冲发生模块的开关元件均导通时的放电回路。
36.图5示出了单电源多模态脉冲电源的部分脉冲发生模块的开关元件导通时的放电回路。
37.图6示出了非理想脉冲的顶降示意图及在一定条件下的单电源多模态脉冲源和传统脉冲源的输出波形对比。
38.图7示出了以具有4个脉冲发生模块为例的单电源多模态脉冲电源同时完全放电时的放电波形及开关元件的导通关断时序图。
39.图8示出了以具有4个脉冲发生模块为例的单电源多模态脉冲电源生成脉冲波形形式一及开关元件的导通关断时序图，在此形式中，输出幅值较大脉宽较窄的脉冲和幅值较小脉宽较宽的脉冲。
40.图9示出了以具有4个脉冲发生模块为例的单电源多模态脉冲电源生成脉冲波形形式二及开关元件的导通关断时序图，在此形式中，输出幅值较大脉宽较窄的脉冲和幅值较小脉宽较宽的脉冲。
41.图10示出了以具有4个脉冲发生模块为例的单电源多模态脉冲电源生成脉冲波形形式三及开关元件的导通关断时序图，在此形式中，输出脉冲有三个电压等级，每个脉冲中有间隔。
42.图11示出了以具有4个脉冲发生模块为例的单电源多模态脉冲电源生成脉冲波形形式四及开关元件的导通关断时序图，在此形式中，输出脉冲有三个电压等级，每个脉冲中没有间隔。
43.图12示出了以具有4个脉冲发生模块为例的单电源多模态脉冲电源生成脉冲波形形式五及开关元件的导通关断时序图，在此形式中，输出脉冲有四个电压等级。
44.图13示出了以具有4个脉冲发生模块为例的单电源多模态脉冲电源生成脉冲波形形式六及开关元件的导通关断时序图，在此形式中，输出脉冲阶梯状的脉冲和/或脉冲前沿和/或脉冲后沿变化的脉冲。
45.图14示出了以具有4个脉冲发生模块为例的单电源多模态脉冲电源生成脉冲波形形式七及开关元件的导通关断时序图，在此形式中，输出复杂波形的脉冲。
46.附图标记：40-电源；60-脉冲发生模块；100-充电元件；110-充电元件的第一端；120-充电元件的第二端；200-第一隔离元件；210-第一隔离元件的第一端；220-第一隔离元件的第二端；300-储能元件；310-储能元件的第一端；320-储能元件的第二端；400-开关元件；410-开关元件的第一端；420-开关元件的第二端；500-第二隔离元件；510-第二隔离元件的第一端；520-第二隔离元件的第二端。
具体实施方式
47.为使得本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并列举实施例然后将实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。示例实施例能够以多种形式实施，因此不应被理解为限于在此描述的实施例。
48.此外，所描述的特征、结构、特性、方法可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。附图中所示的方框图表示的是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即表明既可以采用硬件模块实现这些功能实体，也可以采用软件来实现这些功能实体。
49.附图中所示的流程图是示例性说明，不是必须包括所有的内容、方法、操作、步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的方法、操作、步骤还可以进一步分解，而有的方法、操作、步骤可以进行合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况进行一些调整。
50.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”除非特别指明外也可包括大于等于一个的情况。同时，应进一步理解的是，本技术使用的措辞“包括”是指存在相应的元件、步骤、方法，但并不排除存在一个或多个其他元件、步骤、方法。
51.本技术的实施例的附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本技术的特征是不必要的，则将其省略。
52.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义或者特别说明，这里使用的所有术语，具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特别定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
53.基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
54.下面结合附图来对本发明的内容进行详细阐述。
55.下面将阐述本发明的实施例1的具体内容。如图2所示是本单电源多模态脉冲电源
的电路图。
56.在该单电源多模态脉冲电源中，具有n个脉冲发生模块。每个脉冲发生模块中具有1个储能电容、1个mosfet开关、1个充电电阻和2个二极管。在2个二极管中，和充电电阻相连的二极管记为第一隔离元件，连接在储能电容和mosfet之间的二极管称作第二隔离元件。
57.以模块i为例，电路连接如下所示。
58.rci的右侧和dci的阳极电连接；dci的阴极和储能电容ci的上端电连接；dci的阴极和mosfet开关qi的漏极电连接；储能电容ci的下端和二极管dni的阳极电连接；mosfet开关qi的源极和二极管dni的阴极电连接；dni的阳极和与其相邻的靠近电源侧的脉冲发生模块中的二极管dni-1的阴极进行电连接；距离电源最近的脉冲发生模块的二极管dn1的阳极连接到负载上。
59.充电电阻rci的左端和直流电源的正极进行电连接。
60.dnn的阴极和直流电源的负极进行电连接；dnn的阴极和复杂的另一端进行电连接。
61.针对充电电阻rci、dci、储能电容ci、mosfet开关qi中的i的取值范围为1、2、3、
…
、n；对于二极管dni和二极管dni-1而言，i的取值范围为2、3、
…
、n。
62.下面实施例阐述本单电源多模态脉冲电源的充电模式和放电模式。
63.如图3所示，在充电模式下，针对开关元件未导通的模块，该模块的储能元件得以充电。充电回路以第n级为例，其充电回路为电源正极
→
rcn
→
dcn
→
cn
→
dnn
→
电源负极。
64.放电模式分为两种情况，第一种情况是脉冲电源所有的开关元件均导通的情况，此种情况称为完全放电模式，第二种情况是脉冲电源的部分开关元件导通的情况，此种情况称为部分放电模式。
65.如图4所示，在完全放电模式下，放电回路为，qn
→
cn
→…
q3
→
c3
→
q2
→
c2
→
q1
→
c1
→
负载。负载的输出电压为电源电压幅值的n倍，负载电压的极性和接地点的位置有关，当接地点在如图中所示负载的右侧时，负载左侧的峰值电压和电源电压的-n倍。可以通过控制开关导通的时间和开关导通的频率来控制脉冲的脉宽和脉冲的频率。
66.如图5所示，在部分放电模式下，当某一级脉冲发生模块的开关元件不导通时，则放电回路将不流过该脉冲发生模块对应的开关元件和储能元件，而是流过该模块的第二隔离元件。以除q3外的所有开关元件均导通的情况为例，放电回路为：qn
→
cn
→…
dn3
→
q2
→
c2
→
q1
→
c1
→
负载。在此种情况下，负载上输出的电压的绝对值低于电源电压的n倍，为所有导通模块的电压的和，即若有m个模块导通，则负载上输出的电压的绝对值就为电源电压的m倍。
67.当部分开关的放电模块存在交叠的情况下，则能够形成阶梯波，如图13和图14所示，通过对这种脉冲形式的复杂控制，能够实现复杂的脉冲波形，以满足灵活多变的消融需求。
68.从图14中可以知道，本单电源多模态复合模式脉冲源可以实现复杂的脉冲波形输出，从而满足广泛的应用需求，实现复杂的用途。
69.下面的实施例将给出一种元件参数的确定方法。
70.针对脉冲电源而言，因为在脉冲放电期间的放电电流是远大于的充电电流的，所以在脉冲放电期间，一般而言脉冲波形顶部都有不同程度的降低，如图6所示。在实际的应用中，一般需要将脉冲的顶降百分值（顶降百分值=顶降
÷
峰值）控制到一定的数值范围内，比如5%以内。在负载阻抗不变且顶降百分值较小的情况下，脉冲的顶降百分值和脉宽近似成正比，脉冲的顶降百分值和电容值近似成反比。
71.针对脉冲消融生物组织而言，在脉冲消融期间，其阻抗会有所变化，但是变化程度相对较小，可以认为基本不变。
72.针对图1所示的传统脉冲电源，在各个脉冲发生模块的储能电容值相等的情况下，其也可采用所有模块同时导通输出脉宽较小的脉冲（简称窄脉冲）和采用某个模块单独导通输出幅值较低但脉宽较大的脉冲（简称宽脉冲）。但是当宽脉冲的脉宽与窄脉冲的脉宽的比值大于脉冲源的级数（即脉冲电源的脉冲发生模块个数）后，宽脉冲的顶降百分值将大于窄脉宽的顶降百分值。若要使得宽脉冲的顶降百分值满足要求，因为针对如图1所示的传统脉冲电源，其充电功率受到了限制，不便于单独调节每个脉冲产生模块的电容值，则需要每个脉冲发生模块都增大电容值，使得成本较高。
73.对于单电源多模态脉冲电源，则可以通过仅增大产生宽脉冲的脉冲发生模块的电容值和减小该脉冲的充电电阻的阻值即可实现在较低成本下获得顶降值符合要求的宽脉冲和窄脉冲；同时该增大的电容值在脉冲源所有模块同时放电时，也会增加电路整体的等效电容，在一定程度降低窄脉宽的脉冲顶降百分值。
74.针对单电源多模态脉冲电源，若要同时生成脉冲宽度较小和脉冲宽度较大的两种脉冲，则一种可行的参数确定方法如下所示。
75.针对要生成脉冲宽度较大的脉冲，可以选取一个或者多个模块来输出该脉冲。采用多个模块来输出宽脉冲的思路和采用一个模块来输出宽脉冲的思路类似。在此考虑通过增加一个脉冲发生模块i的储能电容的电容值ci的容值，并反比例降低其充电电阻rci的阻值。增大的储能电容ci的容值需同时满足在生成脉冲宽度较大的脉冲和脉冲宽度较小的脉冲的情况下脉冲以及其他情况下的脉冲的顶降百分值均低于设定值。因为在不同的输出脉冲的情况下涉及到不同储能电的串并联，其计算过程可以列多个不等式，取最终的计算结果。
76.假如仅以第n个模块来输出脉冲宽度较大的脉冲，该脉冲宽度为pww；用所有模块来输出脉冲宽度较小的脉冲，该脉冲宽度为pwn。除了用来单独输出脉冲宽度较大的脉冲所在的脉冲发生模块的电容值为cn外，其他模块可以取相同的电容值；当然其他模块也可以取不同的电容值，只是这样计算就稍显复杂了。用函数f(c1,c2,c3,
…
,cn)的结果来表示电容c1、c2、c3、
…
、cn的串、并联的等效电容值，在顶降百分值较小（一般取5%以内）时，则需要的cn需满足计算公式一：cn≥pww
÷
(脉冲顶降百分值
×
负载阻抗)；和计算公式二：f(c1,c2,c3,
…
,cn) ≥pwn
÷
(脉冲顶降百分值
×
负载阻抗)。计算得到了储能电容值之后，则可以通过充电回路的回路方程计算对应的充电电阻的值，当然，在电压跌落值小于5%时且脉宽占整个脉冲周期百分值较小时，也可以用不等式rcn≤1
÷
（5
×
等效电容值
×
脉冲频率）来近似计算。
77.当然，上述实施例仅阐述了通过一个模块来生成脉冲较宽的低压脉冲的方法，通过附图可以知道，也可以通过多个模块连续导通来生成低压脉冲，在此种情况下，储能元件
的参数计算稍显复杂，但是仍然可以根据上述思路列出计算不等式，从而取得最终的储能电容值的计算结果，然后计算出各个充电电阻rci的阻值。
78.单电源多模态脉冲电源在上面的控制方法的控制下，通过不断地循环输出或者在循环输出中改变各个脉冲参数，即可实现脉冲的持续输出。
79.以上所述仅是本技术的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干修饰，这些修饰也应视为本技术的保护范围。