一种自恢复高压脉冲驱动器的制作方法

1.本发明涉及电子控制中高压脉冲驱动的技术领域，特别是一种自恢复高压脉冲驱动器。


背景技术：

2.飞行时间质谱（tof-ms）是以离子飞行时间为测量参数的质谱类型，离子在电场加速后进入无场漂移管，并以恒定的速度飞向检测器实现离子飞行的过程，其中离子的加速过程是由高压加载在电场两端产生电势差对离子进行加速实现的，如何产生高压脉冲是是实现飞行时间质谱技术的关键技术之一。
3.高压脉冲作为基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪的重要输入之一，应用在生命科学、微生物鉴定等高科技领域中。高压脉冲的幅值大小、频率等会影响离子的电离飞行时间，首先是幅值足够大，达到样本离子化的条件，再者是频率的大小，影响基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪的检测速度。
4.关于脉冲电路已有相关研究，例如：cn114660046a（专利申请号cn202210285342.7）的中国发明专利公开了一种直流脉冲式大气压辉光放电原子发射光谱系统及检测方法，通过直流脉冲高压发生单元输出方形脉冲电压和一个同步的ttl电平信号。脉冲高压加载单元和行波脉冲与时序控制系统，用于提供脉冲高压，其解决了现在溶液阴极辉光放电技术因放电电流局限于50-70ma导致重金属激发效率不够的问题。cn114597112a（专利申请号cn202210180291.1）的中国发明专利公开了一种脉冲开关型离子探测器装置及其制备方法，通过脉冲高压加载单元和行波脉冲与时序控制系统提供脉冲电压，同时将所述脉冲电压的时序调整为与外控触发信号的时序相匹配，在干扰光到达探测器的时刻，有意降低探测器偏压，当离子信号到达探测器时，将探测器高压调高至工作状态，通过“开关门”操作，提升离子信噪比，有效剔除背景的干扰。扩展了该类探测器在有强脉冲辐射条件下的适应能力，通过脉冲高压选通与时序控制，能够极大的剔除前端的脉冲噪声干扰，仅对离子到达时间段内的探测器开门，实现高信噪比的离子信号获取。
5.现有技术虽有脉冲电路相关研究，但是产生高压脉冲幅值多在1kv以内，幅值比较小，用于离子飞行时间测量时会影响基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪的检测速度，造成检测精确度下降。另外，采用集成电源的方案，用电源的压差直接驱动，技术方案成本高，而且响应速度慢。采用变压器的升压方案，升压线圈造成启动延迟大，响应速度慢。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种自恢复高压脉冲驱动器，不仅响应快、稳定性好，而且输出电压幅值高。
7.为实现上述目的，本发明提出了一种自恢复高压脉冲驱动器，包括高速脉冲驱动单元和高压脉冲生成单元，所述高速脉冲驱动单元设有高压开关q，所述高压脉冲生成单元包括高压电容c和电阻网络，所述高压电容c通过电阻网络连接高压开关q、第一路高压hv1、
第二路高压hv2、第三路高压脉冲hv3；所述高速脉冲驱动单元通过高压开关q及高压电容c将第一路高压hv1和第二路高压hv2生成第三路高压脉冲hv3，高压脉冲输出后第三路高压脉冲hv3自动恢复到第二路高压hv2。
8.作为优选，当所述高速脉冲驱动单元无驱动输入时，所述第三路高压脉冲hv3的输出电压等于第二路高压hv2的电压；当所述高速脉冲驱动单元有驱动脉冲输入时，所述第三路高压脉冲hv3的输出电压等于第二路高压hv2的电压减去第一路高压hv1的电压，驱动脉冲消失后恢复至第二路高压hv2的电压。
9.作为优选，所述电阻网络包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4，所述高压电容c的一端通过电阻r1连接所述高压开关q，通过电阻r2连接所述第一路高压hv1，高压脉冲输出的下降速度由电阻r1、r3与高压电容c的时间常数确定，高压脉冲输出后脉冲延时恢复时间由电阻r2、r3与高压电容c的时间常数确定；所述高压电容c的另一端通过电阻r3连接第二路高压hv2，通过电阻r4连接第三路高压脉冲hv3，所述第三路高压脉冲hv3的输出电压功率通过高压电容c的容量及电阻r4的阻值确定。
10.作为优选，所述电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4为功率电阻，所述电阻r3的阻值大于电阻r2的阻值，所述电阻r2的阻值大于电阻r4或/和电阻r1的阻值。
11.作为优选，所述高速脉冲驱动单元还包括高速电平驱动电路u，所述高速电平驱动电路u的输入端连接输入低电压控制信号，输出端连接高压开关q门级，输入低电压控制信号经过高速电平驱动电路u后接入高压开关q门级。
12.作为优选，所述高速电平驱动电路u优选包含但不限于变压器耦合、隔离电源耦合、光电隔离耦合的隔离驱动点电路，次选电路直接驱动，所述变压器耦合、隔离电源耦合、光电隔离耦合的隔离驱动点电路与高压开关q门级一一对应。
13.作为优选，所述输入低电压控制信号为ttl或cmos信号。
14.作为优选，所述高压开关q采用高压场效应管、高压晶体管、绝缘栅双极型晶体管中的一种，所述高压开关q的耐压值不低于第一路高压hv1。
15.作为优选，所述高压开关q为单个或多个级联方式，单个或多个级联后的耐压不低于第一路高压hv1。
16.作为优选，所述高压电容c的耐压值不低于第二路高压hv2。
17.作为优选，所述第一路高压hv1与所述第二路高压hv2为同相接地的高压电源。
18.作为优选，所述高压开关q的输入端连接稳压二极管d，防止高压开关q输入过电压。
19.本发明的有益效果：本发明的自恢复高压脉冲驱动器包含两路高压电源的输入和一路高压输出，除了两路输入电压以外，以高速脉冲驱动单元将第一路高压和第二路高压生成第三路高压脉冲，高压脉冲输出后自动恢复到第一路高压。通过改变高压脉冲驱动器内部元器件，能够配置高压脉冲的恢复时间和下降时间，且周期短，频率高，通过改变高压脉冲驱动器内部元器件，能够配置高压脉冲输出的幅值，可配置的高压输出幅值上限值远大于目前技术所能达到的高压幅值上限值。
20.本发明的恢复时间以电阻和电容的时间常数来设置，响应速率快，提高整个系统的响应时间，推动质谱技术的深度发展，并且输出电压幅值高，易于系统的扩展。此外，高压脉冲驱动器通过完全硬件方式由电阻r2、r3与高压电容c的时间常数确定脉冲延时恢复时
间，由电阻r1、r3与高压电容c的时间常数确定高压脉冲输出的下降时间，使高压脉冲器的响应速度快。通过改变c容值/耐压及r4阻值/耐压调整高压输出，稳定灵活的实现高电压的输出，可达到高压、特高压的输出电压，从而实现高电压脉冲输出。
21.本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
22.图1是本发明一种自恢复高压脉冲驱动器的示意图；图2是驱动信号和hv3电压输出波形示意图；图3是高速电平驱动电路示意图。
具体实施方式
23.参阅图1，本发明的一种自恢复高压脉冲驱动器，包括：第一路高压hv1、第二路高压hv2、第三路高压脉冲hv3、电阻网络、电容c，其中，所述第一路高压hv1和第二路高压hv2为高压输入，所述第三路高压脉冲hv3为高压输出。在本实施例中，自恢复高压脉冲驱动器还包括高速脉冲驱动单元和高压脉冲生成单元，所述高速脉冲驱动单元设有高压开关q，所述高压脉冲生成单元包括高压电容c和电阻网络，所述高压电容c通过电阻网络连接高压开关q、第一路高压hv1、第二路高压hv2、第三路高压脉冲hv3；所述高速脉冲驱动单元通过高压开关q及高压电容c将第一路高压hv1和第二路高压hv2生成第三路高压脉冲hv3，高压脉冲输出后第三路高压脉冲hv3自动恢复到第二路高压hv2。具体的，当所述高速脉冲驱动单元无驱动输入时，所述第三路高压脉冲hv3的输出电压等于第二路高压hv2的电压；当所述高速脉冲驱动单元有驱动脉冲输入时，所述第三路高压脉冲hv3的输出电压瞬时等于第二路高压hv2的电压减去第一路高压hv1的电压，经过延时后恢复至第一路高压hv1的电压，即输出端hv3的电压为（hv2，hv2-hv1），由此实现自恢复的高压脉冲输出功能。
24.阻容（rc）充放电路以rc充放电路对单片机的复位引脚进行电平控制，达到预期的复位时间。rc充放电路的原理分为两个过程：第一个过程是是充电过程，当开关闭合，电源通过电阻对电容进行充电，由于刚开始充电的时候电容两端没有电荷，初始的电压为0，随着电容不断被充电，电容两端的电压很快上升，电阻两端的电压不断减小，当电容两端的充电电压达到电源电压时，充电过程结束；第二个过程是放电过程，电容通过电阻放电，刚开始放电的时候电容两端的电压为电源电压，电容放电很快，随着电容不断放电电容两端的电压很快下降到0，放电结束，实现电平的高低变化。因此在高压电路中通过rc充放电原理实现脉冲高压具有一定的可行性。
25.结合rc充放电原理，高压脉冲驱动电路的实现包括：hv1、hv2和hv3三个高压、电阻r1、r2、r3、r4、高压电容c，其中hv1和hv2为高压输入端，hv3为高压输出，当无驱动脉冲输入时hv3的输出电压为hv2电压串接电阻r3、r4、c后的电压，等于hv2电压；当有驱动脉冲输入时hv3高压瞬间等于hv2减去hv1，经过延时后恢复至hv1电压，输出端hv3电压为（hv2,hv2-hv1），由此实现自恢复的高压脉冲输出功能。
26.所述电阻网络包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4，所述高压电容c的一端通过电阻r1连接所述高压开关q，通过电阻r2连接所述第一路高压hv1，高压脉冲输出的下降速度通过电阻r1、r3与高压电容c的时间常数确定，高压脉冲输出后脉冲延时恢复时间t通过电
阻r2、r3与高压电容c的时间常数确定；所述高压电容c的另一端通过电阻r3连接第二路高压hv2，通过电阻r4连接第三路高压脉冲hv3，所述第三路高压脉冲hv3的输出电压功率通过高压电容c的容量及电阻r4的阻值确定。具体的，所述电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4为功率电阻，所述电阻r3的阻值远大于电阻r2的阻值，所述电阻r2的阻值远大于电阻r4或/和电阻r1的阻值。
27.高速脉冲驱动单元还包括高速电平驱动电路u（栅极驱动器mcp1416t-e/ot），所述高速电平驱动电路包括但不限于变压器网络、隔离电源网络或栅极驱动器，所述高速电平驱动电路u的输入端连接输入低电压，输出端连接高压开关q，输入低电压经过电平变换电路u后接入高压开关q。具体的，所述输入低电压为ttl或cmos信号。所述高压开关q的输入端至少连接但不限于稳压二极管d，防止高压开关q输入过电压。
28.高压电容c的耐压值不低于第二路高压hv2，以防止高压电容c被击穿而失效。高压开关q采用高压场效应管、高压晶体管、绝缘栅双极型晶体管中的一种，所述高压开关q的耐压值不低于第一路高压hv1，以防止高压开关q被击穿而失效。
29.第一路高压hv1与所述第二路高压hv2为同相接地的高压电源。所述第一路高压hv1和第二路高压hv2为高压输入，所述第三路高压脉冲hv3为高压输出；第一路高压hv1的电压等级包含但不限于1kv、2kv、3kv、4kv、6kv、8kv、9kv、10kv；第二路高压hv2的电压等级包含但不限于5kv、10kv、15kv、20kv、25kv、30kv、50kv。
30.参阅图1，高压开关q为高压晶体管或场效应管；i/p1为高速脉冲输入信号，vcc为和高压开关q共地的电源；高速电平驱动电路u包括变压器耦合、隔离电源耦合、光电隔离耦合的隔离驱动点电路；高压电容c的耐压不低于hv2；电阻网络包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4；脉冲延时恢复时间由电阻r2、r3与高压电容c的时间常数确定；高压脉冲输出的下降速度由电阻r1、r3与高压电容c的时间常数确定；第三路高压脉冲hv3输出电压功率由高压电容c容量及电阻r4的阻值确定；dc为电压源。
31.参阅图2，当接通电源开始工作后，i/p1为低电平时，高压开关q未打开时，此时第三路高压脉冲hv3的电压保持稳定，当i/p1为低电平变化到高电平时，高压开关q打开，放电回路打开，第三路高压脉冲hv3端的电压下降，当i/p1为高电平变化到低电平时，高压开关q关闭，放电回路断开，充电回路打开，第三路高压脉冲hv3端的电压上升。
32.其中，恢复时间t=放电时间t= r为充电电路的串接电阻，等于r2 r3，r'为放电回路的串接电阻，等于r3 r1，c0为高压电容c，v1为充满电压，v0为电容的初始电压，vt为t时刻电容上的电压值。
33.其中，第三路高压脉冲hv3的幅值为hv3=hv2-hv1。
34.i/p1频率决定第三路高压脉冲hv3的频率，上升沿和下降沿分别由r2、r3、c和r3、c、r1决定。
35.实施例1当hv1=10kv，hv2=50kv，r1=100k、r2=100k、r3=20m、c=2000pf，则hv3=hv2-hv1=40kv。
36.v0=15kv， vt=39.6kv， v1=40kv
上升沿时间：t=
ꢀꢀ
= =0.166 s。
37.下降沿时间：t=
ꢀꢀ
= =0.0004s。
38.实施例2当hv1=5kv，hv2=40kv，r1=1k、r2=1k、r3=200k、c=2000pf，则hv3=hv2-hv1=35kv。
39.v0=20kv, vt=34.6kv, v1=35kv上升沿时间：t=
ꢀꢀ
= =0.0015 s。
40.下降沿时间：t=
ꢀꢀ
= =0.00000404s。
41.实施例3当hv1=5kv，hv2=40kv，r1=10k、r2=10k、r3=200k、c=1000pf，则hv3=hv2-hv1=35kv。
42.v0=20kv, vt=34.6kv, v1=35kv上升沿时间：t=
ꢀꢀ
= =0.0007 s。
43.下降沿时间：t=
ꢀꢀ
= =0.00000211s。
44.参阅图3，本发明的一种自恢复高压脉冲驱动器，包括高速电平驱动电路，其中u1为栅极驱动器，l1、l2为隔离变压器，u2为光电耦合器，vcc为和高压开关q共地的电源，vcc2为隔离电源，与高压开关q不共地，vcc1可以选择和高压开关q共地或不共地的电源，i/p1为高速脉冲输入信号。当输入低电压为ttl或cmos信号，高速电平驱动电路的输出为高电平，开启高压开关q。
45.实施例4参阅图3，i/p1为高速脉冲输入信号，栅极驱动器u1为包含但不限于mc33151dr2g，隔离变压器l1、l2为包含但不限于ee16变压器单路或多路线圈，光电耦合器为包含但不限于hcpl2530，隔离电源vcc1、vcc2为隔离电源模块包含但不限于f0503s-2w。高压开关q的连接方式包括但不限于单个或串联。
46.实施例5栅极驱动器u1为包含但不限于tf2190m-tah，隔离变压器l1、l2为包含但不限于ee25变压器单路或多路线圈，光电耦合器为包含但不限于apv1122，隔离电源vcc1、vcc2为包含但不限于隔离电源模块 rs1-03s05h。高压开关q的连接方式包括但不限于单个或串联。
47.上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。