[发明专利]使用无源电压反转的双极DC-DC转换器拓扑

说明书

用于产生高压MHz双极DC脉冲的谐振DC‑DC转换器包括：左多级谐振整流器组[100]，所述左多级谐振整流器组[100]连接到正电极[104]并经由电容隔离耦合到左RF放大器端子[128]；右多级谐振整流器组[102]，所述右多级谐振整流器组[102]连接到负电极[106]并经由电容隔离耦合到右RF放大器端子[130]。每个多级谐振整流器组包括多个谐振整流器级[112‑122]，其中每级包括：两个电容器，所述两个电容器用于电容隔离该级；输出电容器；MOSFET开关，所述MOSFET开关连接到相邻级的相邻MOSFET开关；以及选通谐振电路，所述选通谐振电路连接到MOSFET开关，其中可通过来自左RF放大器和右RF放大器的RF信号对组中的MOSFET开关进行被动控制。

技术领域

本发明总的来说涉及谐振DC-DC转换器。更具体地，本发明涉及用于使用谐振整流器来生成高压DC脉冲的电路。

背景技术

电穿孔是一种利用高脉冲电场在生物细胞壁中产生孔以用于医疗、液体灭菌和其他应用的技术。许多系统为了简单起见使用单极脉冲，但电迁移可能会限制电极寿命。

电穿孔涉及在液体内的两个导电电极之间产生大电场。暴露于电场的生物细胞在它们的细胞壁中产生孔。可逆电穿孔涉及每毫米数百伏的范围中的电场，并且可逆电穿孔可用于将材料移入和移出细胞。不可逆电穿孔或脉冲电场(PEF)灭菌涉及甚至更高的电场并且通常用于破坏饮用液体和食品中的细菌的细胞壁。电穿孔要求短脉冲(≈几十μs)以便限制液体的欧姆加热。单极脉冲是有效的，但双极脉冲已显示出通过减少导体的电迁移来提高电极寿命。

用于提供DC电脉冲的常规方法可能是不期望地复杂的，特别是在脉冲需要是双极的和/或需要具有灵活的脉冲轮廓的情况下(例如，电穿孔应用中)。

生成方形双极脉冲的方法通常包括传统的高压电源，以产生与电容放电相结合的高压DC来传递脉冲序列。常规方法可能存在困难，包括启动缓慢、电路内的大量能量存储、电压下降、有限的脉冲重复和有限的脉冲宽度。对于具有浮动有源开关的多级方法，选通也会变得复杂。

发明内容

在一个方面中，本发明提供了用于使用简单的控制策略来创建高压双极DC脉冲的谐振电路设计。电路包括两个多级谐振整流器，所述两个多级谐振整流器采用电容隔离并且在15MHz下操作。每个谐振整流器在端子处耦合至射频(RF)放大器。由放大器自身生成的RF信号用于控制脉冲持续时间并输出电路的极性。可以在几μs之间通过DC生成正和负脉冲列的任何序列。如说明性实施例那样，本说明书提出了将800V的正脉冲和负脉冲提供到电阻负载中的特定设计。

这项工作为双极(或单极)和脉冲双极(或单极)应用提供电源，能够实现短脉冲(亚微秒至无限)和高效操作，而不管脉冲长度如何。该方法可用于低电压但相比于传统拓扑而言对于高压应用具有显著益处。这允许创建小得多的和轻得多的双极(或更快的单极)电源以用于重量和尺寸是重要考虑的应用中。还可能降低这样的应用中的电源的成本。

更特别地，提供了能够将正电压或负电压以连续形式或脉冲形式施加至负载的谐振DC-DC转换器。对控制脉冲长度和脉冲极性的(一个或多个)有源开关进行驱动的方法是通过利用来自转换器结构中的特定谐振部件L_R的能量。由此用于(一个或多个)有源开关的选通信号被动地被控制，以使得反相器级中的(一个或多个)受控开关是仅有的需要主动控制的开关。

应用包括但不限于：空间推进、医用等离子体、工业等离子体、水处理、脉冲电场(PEF)灭菌、功率倒置和电穿孔。

提供了显著的优点。该方法导致与传统拓扑相比而言小得多的和轻得多的电源，特别是针对高压应用。对于功率级隔离而言变压器不是必需的。不需要复杂的栅极驱动来控制传递脉冲和改变极性的有源开关(即光耦合器或其他复杂的隔离选通方法)。不需要笨重的/昂贵的磁性材料。由于操作的高频率，电容隔离是有可能的。在其最简单的实现中，仅需要两个主动控制开关，并且这两个主动控制开关都是地电位基准。