基于传输线的具有能量回收的短脉冲发生器

摘要

提供了一种脉冲发生器(100)和生成脉冲的方法。脉冲发生器(100)包括：具有第一端部和第二端部的至少一个第一传输线(110)；具有第一端部和第二端部的至少一个第二传输线(120)；电压源(130)；切换单元(140)；以及充电控制设备(135)。充电控制设备(135)适于将电压源的输出连接到至少一个第一传输线(120)的第一端部。切换单元(140)中的第一开关S1(150)适于在预定的时间跨度内将至少一个第一传输线(110)的第二端部与至少一个第二传输线(120)的第一端部连接或断开连接。切换单元(140)中的第二开关(S2)适于将至少一个第二传输线(120)的第一端部与固定电位连接或断开连接。切换单元(140)中的S1(150)和S2(160)的断开状态或闭合状态是互斥的。至少一个第二传输线(120)的第二端部适于连接到负载(170)。切换单元(140)还适于以预定的顺序操作第一开关S1(150)和第二开关S2(160)以改变第一传输线(110)的预充电状态。

说明书

技术领域

本公开的实施例总体上涉及压舱水处理领域。特别地，本申请涉及用于生成用于处理压舱水的化学试剂的设备和方法。

背景技术

游轮、大型油轮和散货船使用大量压舱水来提供阻力，以抵抗游轮上的侧向力，而侧向力通常是在船舶排放废水或卸货之后并且在下一个停靠港口卸货后，在装载更多货物的情况下，在一个地区的沿海水域中进行排放。

压舱水排放通常包含多种生物材料，包括植物、动物、病毒和其它微生物。这些材料通常包括可能对水生生态系统造成广泛的生态和经济损害的非本地的令人讨厌的外来物种。据信压舱水排放是美国海洋海水中入侵物种的主要来源，因此构成了公共健康和环境风险，给水和电力公用事业、商业和休闲渔业、农业和旅游业等行业造成了巨大的经济损失。研究表明，如果不对压舱水管理采取任何措施，物种入侵可以经由平均具有两个中间停靠站的全球航运网络传播到世界上任何港口。

用于处理压舱水的几种方法是已知的。例如，机械方法(例如，过滤器)。过滤器的缺点是针对生物的过滤器尺寸受限制。有可能的是，小的生物不能被过滤器去除。

物理方法或化学方法也是已知的。例如，物理方法是利用紫外线辐射生物。紫外线是具有非常小的波长的辐射，波长越短，对生物便极有害。

化学处理，例如添加氯或臭氧(O3)对要处理的介质也非常有效，但是尤其是氯在吸入时有剧毒，其需要被保存在特定的气罐中。受过训练的人员对于操作这种系统是必要的。

用于生产可以使压舱水中的生物失活的物质的方法是利用所谓的介电势垒放电(DBD)系统。介电势垒放电已被应用为处理压舱水的反应性化学物质的来源。

介电势垒放电系统产生等离子体。在介电势垒放电系统的等离子体电抗器中生成等离子体。特别地，在两个电极之间的间隙中生成等离子体。间隙可以被部分地填充电介质。电介质可以覆盖电极中的一个或两个电极。被馈入等离子体电抗器的电脉冲生成等离子体。

等离子体在放电期间从在间隙中流动的流体(优选地为气体)生成灭活或破坏有机体所必需的物质。例如，等离子体发生器可以从氧气(O2)生成臭氧(O3)。例如，从O2和氮气(N2)的混合物可以生成氮氧化物(NOX)。这些物质也被称为活性物质。

对于放电屏障系统，通常需要电抗器中的大表面才能放电以产生足够数量的物质。因此，可以将等离子体电抗器与电容器进行比较。

由于表面可能很大，取决于等离子体或活性物质的必要量，因此用于这种系统的充电电流非常高，并且对支持电压发生器造成高容性负载。与此相比，用于产生等离子体的放电电流较小。

事实证明，当产生活性物质时，具有高转换速率的脉冲是有利的。对于放电中的有效化学过程而言，较小的上升时间是优选的。

具有高功率的短电压脉冲的生成通常不是很有效。特别是当施加小的上升时间时，难以将电源与这种负载匹配。在这种电路的负载与电缆的阻抗不匹配的情况下，电缆的阻抗主要是传输线(例如，该传输线将电源连接到等离子体电抗器)，或者如果负载主要是电容性的，则传输的功率的很大一部分可能被反射回来源。这种能量通常会丢失，从而使当前解决方案的效率降低。

本申请寻求提供一种用于等离子体电抗器的改进的脉冲生成的解决方案，以及一种通常如何能够恢复和至少部分地再利用损失的反射能量的方法。

发明内容

为了解决前述问题和其它潜在的问题，本公开的实施例提出：

在第一方面中，公开了脉冲发生器。脉冲发生器包括具有第一端部和第二端部的至少一个第一传输线。脉冲发生器包括具有第一端部和第二端部的至少一个第二传输线。

脉冲发生器还包括：电压源、切换单元和充电控制设备。充电控制设备适于将电压源的输出连接到至少一个第一传输线的第一端部。

切换单元包括第一开关S1。在切换单元中的第一开关S1适于在预定时间跨度内将至少一个第一传输线的第二端部与至少一个第二传输线的第一端部连接或断开连接。

切换单元包括第二开关S2。第二开关S2适于将至少一个第二传输线的第一端部与固定的电位连接或断开连接。在切换单元中的S1和S2的断开状态和闭合状态是互斥的。至少一个第二传输线的第二端部适于被连接到负载。

切换单元适于以预定顺序操作第一开关和第二开关以改变第一传输线的预充电状态。

在实施例中，切换单元适于释放电脉冲，该电脉冲从第一传输线的第二端部运行通过第二传输线进入负载；其中所述电脉冲的至少一部分被朝向电压源反射，其中切换单元还适于为通过以预定的顺序操作第一开关S1和/或第二开关S2，使得电脉冲中的反射部分中的至少一部分将至少第一传输线预充电。

固定电位可以被理解为与电压电平相关联的电位。特别地，“接地电位”可以被认为是“固定电位”。

在本申请的第二方面中，公开了用于生成脉冲的方法。该方法包括：利用电脉冲将至少一个第一传输线在第一端部处充电；在第一预定时间跨度内，利用第一开关S1将至少一个第一传输线的第二端部连接到至一个第二传输线的第一端部；同时断开第二开关S2，以将至少一个第二传输线的第一端部从固定电位断开连接；在第二预定时间跨度之后，通过断开第一开关S1来将至少一个第一传输线的第二端部从至少一个第二传输线的第一端部断开连接并且通过闭合第二开关S2来将至少一个第二传输线的第一端部与固定电位连接。

附图说明

将以示例的方式呈现本公开的实施例，并且下面将参考附图详细解释它们的优点，其中：

图1示出了根据本申请的实施例的电路图；

图2示出了本申请的实施例的原理电路图；

图3示出了测量图。

具体实施方式

在下文中，将参考说明性实施例来描述本公开的原理和精神。应当理解，给出所有这些实施例仅仅是为了让本领域技术人员更好地理解和进一步实践本公开，但不用于限制本公开的范围。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生进一步的实施例。为了清楚起见，本说明书中并未描述实际实现的所有特征。当然可以意识到，在开发任何这种实际实施例中，应当做出许多特定于实现的决定来实现开发人员的特定目标，诸如遵守与系统相关以及与商业相关的约束，这些约束将从一个实现到另一个实现而改变。此外，将意识到，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言将是例行的工作。

现在将参考附图描述所公开的主题。在附图中示意性地描绘了各种结构、系统和设备，仅用于说明的目的，并且不会用本领域技术人员公知的细节来混淆描述。然而，附图被包括用以描述和解释所公开的主题的说明性示例。本文使用的词语和短语应当被理解和解释为具有与相关领域技术人员对这些词语和短语的理解一致的含义。术语或短语的特殊定义，即与本领域技术人员理解的普通和习惯含义不同的定义，不旨在通过术语或短语在本文的一致使用来暗示。就术语和短语可能旨在具有特殊含义的程度而言，即不同于技术人员理解的含义，这种特殊的定义将在说明书中以直接并且明确提供的定义方式来明确阐述用于术语或短语的特殊定义。

当前DBD电抗器的电容性负载可以导致大电流；此外，如果负载与传输线的阻抗不匹配，则大部分传输功率被反射回电源。目前的解决方案是试图尽可能好的匹配负载和电源；不匹配造成的损失是可以接受的。

用于部件测试单元的脉冲发生器的布置例如如下：脉冲发生器采用由MARX发生器充电的传输线作为来自第二传输线的随后部署的脉冲的能量存储装置。利用这些脉冲，测试了例如集成电路(IC)的ESD行为。负载(例如，测试板上的IC)通常与传输线不是非常匹配。根据匹配情况，ESD测试脉冲被部分地反射。然而，该反射脉冲将干扰发送的脉冲并且妨碍CUT处的测量。因此，必须利用匹配阻抗来避免反射。反射的脉冲能量丢失。

根据本公开，提供了不同的概念，该概念允许通过半导体开关的巧妙使用并且通过将该能量存储在传输线中来重新捕获反射能量脉冲的至少一部分。对于下一个切换周期，传输线已经被预充电，并且充电所需的能量更少。

如本文使用的，预充电或被预充电通常被理解为与初始状态相比提高了相应的部分中的电能电平的过程或状态。例如，当第一传输线被预充电时，它包括比脉冲发生器不工作的状态高的初始能量电平。能量电平可以由第一传输线内的峰值电压表示。作为示例而非限制，当脉冲发生器至少一个小时没有操作时，假定存在初始能量电平。在该示例性说明中，第一传输线的预充电状态是例如高于初始能量电平超过500V、超过1kV或超过2kV。

用于存储能量的传输线110通过使用电源130(优选地DC电源)来充电。

将该第一传输线连接到第二传输线的开关S1 150可以从断开状态切换到闭合状态，并且基本上矩形的脉冲(具有由第一传输线110的长度定义的脉冲长度)从第一传输线110传播到第二传输线120。第一传输线被放电。

第二传输线120的端部可以被连接到可能与传输线的阻抗不完全匹配的负载。脉冲到达负载并且其电压作用于负载；取决于负载与第二传输线120之间的失配，相当大部分的脉冲可能被反射回第二传输线并且朝向第一传输线11 0向后运行。

当开关S1仍然保持闭合并且当传输线110、120的阻抗匹配时，反射脉冲进入第一传输线而没有实质反射。

现在，优选地，恰好在具有与第一传输线110相同长度的脉冲(由于其长度由反射而改变)填满该线路时，开关S1再次断开。然后脉冲被“捕获”，并且利用由反射脉冲的平均电压给出的电压预充电线路。(脉冲陷阱)

这意味着对于接下来的脉冲，直流电源必须提供比用于非预充电传输线更少的能量，并且来自负载的反射能量被重复使用——它不会增加系统的损耗。如在说明书中将详细描述的，如果使用二极管来重新捕获脉冲，则不必精确地计时开关的闭合；对于典型的MOSFET开关，这种二极管已经就位。

在本申请的第一实施例中，因此可以公开脉冲发生器。该脉冲发生器可以包括具有第一端部和第二端部的至少一个第一传输线110。此外，脉冲发生器还可以包括具有第一端部和第二端部的至少一个第二传输线120。

脉冲发生器还可以包括电压源或电压供应130、切换单元140和充电控制设备135。充电控制设备135还可以适于将电压源130的输出连接到至少一个第一传输线110的第一端部。

切换单元140可以包括第一开关S1。切换单元中的第一开关S1可以适于在预定的时间跨度内将至少一个第一传输线的第二端部与至少一个第二传输线的第一端部连接或断开连接。预定的时间跨度取决于例如传输线长度和脉冲在传输线上的传播时间。优选地，传输线110、120的长度使得脉冲可以完全“适合”传输线。

切换单元140中的第二开关S2可以适于将至少一个第二传输线120的第一端部与固定电位连接或断开连接。例如，固定电位可以是“接地电位”。切换单元140中的S1和S2的断开状态和闭合状态是优选地互斥的。至少一个第二传输线的第二端部适于被连接到负载170。

切换单元140可以适于释放电脉冲，从第一传输线110的第二端部通过第二传输线120进入负载170A。所述电脉冲的一部分可以朝向电压源130被反射。

切换单元140还可以适于通过以预定顺序操作开关S1和/或S2，使得电脉冲的反射部分的至少一部分电脉冲将至少第一传输线110预充电。换句话说，包含在反射脉冲中的能量(它是来自源130的初始脉冲的一小部分)，现在被包含在至少第一传输线110中。反射脉冲的反射的电平通常取决于负载170与至少一个第二传输线120的第二端部匹配的程度。换句话说，由于至少第二传输线120的第二端部与负载170之间的失配，运行进入负载的脉冲中的一部分脉冲可以被反射。

这可以增加至少一个第一传输线110中的电压电平。可能需要来自电压源130的较少充电。在预充电之前，至少一个第一传输线110中的先前的电压电平可能已经是大约零伏。因此，电压源130仅需要传送减少量的能量以完全地充电至少第一传输线110。在负载处反射的脉冲(脉冲的能量)(初始脉冲的一部分)被重新使用，并且以有利的方式提高脉冲发生器的效率，从而增加DBD电抗器中的活性物质的生成。

图2示出了本申请的布置的原理图。130是能够输出DC电压的DC电压发生器。DC电压发生器具有DC电压可用的输出。

开关135(S0)将DC发生器的输出连接到传输线110的输入(第一端部)。类似于电容器，当开关S0闭合时，第一传输线被充电。传输线优选地是同轴电缆，该同轴电缆可以被认为是圆柱电容器。

传输线110由DC发生器充电并且存储特定量的能量。该量取决于传输线的几何特性。一些特性是长度、直径、电介质。

如果传输线110处的电压达到特定电平，则可以断开S0。来自电源的能量被存储在传输线110(T1)中。通过断开S2并且闭合S1来启动脉冲。优选地同时断开和闭合开关S1/S2。

脉冲开始从第一传输线110(T1)传播到第二传输线120(T2)。传输线120可以具有至少与传输线110相同的长度。第一传输线110和第二传输线120的阻抗可以匹配使得在它们的连接点处没有反射。

一段时间之后，脉冲的前沿到达电抗器。此时，脉冲的端部被包含在第二传输线120中。T1以基本上为0伏的电压电平完全地放电。在主要是电容性负载的电抗器侧，由于a，一部分脉冲被反射并且返回朝向第一传输线110。

当反射的脉冲的端部离开第二传输线120并且再次进入第一传输线110(脉冲的头部然后刚好到达T1的左端部/第一端部处)时，S1断开以捕获脉冲并且S2闭合以“接地”第二传输线120或将其与固定电位连接：现在在T1内部捕获脉冲，T1现在处于“预充电”状态，其中“预充电”是被捕获的反射的脉冲。

充电电压一般小于产生源于初始脉冲的电压——一些能量已经被用在电抗器中。然而，存储在T1中的能量降低了将传输线110(T1)完全充电到再次闭合S0时提供的初始电压所需的能量。

换句话说，该申请可以确保在脉冲发生器中，切换单元140适于通过以预定顺序操作开关S1和/或S2，使得包括在电脉冲中的能量在至少第一传输线110中被捕获，该电脉冲从至少一个第二传输线120的第二端部被反射回到至少第一传输线110。

图1示出了也包括一些变型的这种系统的实现。已经使用大电阻代替开关S0。电阻器具有高电阻，因此可以在脉冲期间用作断开开关，但允许电压发生器130(FUG)缓慢充电。在非限制性示例中，第二传输线120的长度已经被选择为第一传输线110的长度的两倍。

S1和S2由市售的MosFet开关实现。这些MosFet开关可能已经包含与每个开关S1、S2并联布置的续流二极管。

二极管可以被用于在不同步的情况下捕获反向反射的脉冲：在脉冲在传输线120内传播期间，开关S1闭合。反射的脉冲可以经由与S1电气地并联布置的上二极管引导回到传输线110。

在非限制性示例中，MOSFET开关的导通时间被设置为t＝274ns，并且电缆被充电到电压U＝4.5kV。

图3示出了充电电压和脉冲电压。脉冲宽度在100ns左右，电压的上升时间(0V到U

所述类型的开关仅是示例性的。也可以使用其它切换设备。根据图1的电路还可以包含控制模块(此处未示出)。可以配置控制模块以便协调切换过程。控制模块可以被配置为确定第一传输线处的电压并且被连接到开关S1、S2。

控制模块还可以确定脉冲特性(上升时间、长度)并且相应地控制切换单元140中的开关。控制模块被配置为确定反射脉冲的端部是否已经进入第一传输线110并且可以操作开关S1/S2。

根据其它方面的另一个实施例公开了脉冲发生器，其中至少一个第一传输线110的特性阻抗对应于至少一个第二传输线120的特性阻抗。优选地，两个传输线具有相应的特性阻抗，以避免在连接点处的脉冲反射。特别是在第一传输线110的端部连接到第二传输线120的输入的连接点处，以避免在该点处的脉冲的反射。

另一个实施例公开了根据本申请的一个或多个方面的脉冲发生器，其中至少一个第二传输线120比至少一个第一传输线110长。更长的第二传输线确保包含第一传输线的能量的脉冲长度完全地适合第二传输线。

另一个实施例公开了根据本申请的一个或多个方面的脉冲发生器，其中充电控制设备135可以来自以下项组成的组：电阻器、半导体、机械开关。

第一传输线110的实际充电是基本连续且相对缓慢的过程。电抗器的占空比可以在1％到10％之间。这意味着，电压供应可以相对便宜，因为它支持足够的电压而不是传送高电流更为重要。

图1示出了电压供应经由以10Mohm电阻形式的充电控制设备135被连接到第一传输线。这可能导致低充电电流。当脉冲被触发时，电阻器可以使能，电压供应不必被移除。

如果电阻器135将被作为充电控制设备的开关代替，并且电压供应将支持高充电电流，则必须断开开关(图2中的S0)，以确保脉冲生成不受充电电流的影响。

另一个实施例公开了根据本申请的一个或多个方面的脉冲发生器，其中切换单元140中的第一开关150和第二开关160包括半导体并且其中切换单元140被配置使得用于第一开关和第二开关的切换时间可以被预先确定。

特别地，切换单元可以由控制单元控制。控制单元可以被配置为调整开关S1/S2的切换时间。

切换设备本身可以包含控制单元，该控制单元可以被配置为确定第一传输线的充电状态并且协调S1/S2的切换状态和切换时间。

另一个实施例公开了根据本申请的一个或多个方面的脉冲发生器，其中传输线包括同轴电缆。

优选地，传输线可以由同轴电缆实现。同轴电缆作为传输线的优势在于它们具有确定的特性阻抗。在特定频带中，电阻基本上保持为电阻性。电压脉冲的上升时间使得包含在脉冲中的频率在该频带内。市售传输线(同轴电缆)的特性阻抗为50ohm或75ohm。这两个值只是示例性的，因为取决于电缆的几何特性，特性阻抗的其它值也是可能的。

与阻抗相关的特性是中心导体的直径或厚度(如果它是同轴电缆)。

在本申请的另一个实施例中，传输线110、120的屏蔽可以在屏蔽的一个以上点上与接地或固定电位连接。这可以用作改进的电位均衡。

另一个实施例公开了根据本申请的一个或多个方面的脉冲发生器，还包括用于将脉冲发生器连接到数据网络的网络接口，其中脉冲发生器被可操作地连接到网络接口，用于以下至少一项：执行从数据网络接收的命令、以及将设备状态发送到数据网络中的至少一个任务。另外的实施例可以公开根据本申请的一个或多个方面的脉冲发生器，其中网络接口被配置为在脉冲发生器和数据网络之间收发数字信号/数据，其中数字信号/数据包括关于脉冲发生器或网络的操作命令和/或信息，并且还包括用于将信号转换为数字信号或处理信号的处理单元。

后一实施例可以使能DBD系统以从外部被控制。例如，如果介电势垒放电系统在船上并且必须被维护，则这可能是必要的。

另一个实施例公开了用于生成脉冲的方法。该方法包括：在第一端部处利用电脉冲对至少一个第一传输线充电；在第一预定时间跨度内，利用切换单元140中的开关S1 150将至少一个第一传输线110的第二端部与至少一个第二传输线120的第一端部连接，以及；基本上同时断开切换单元140中的开关S2 160，以将至少一个第二传输线的第一端部从接地电位断开连接；在第二预定的时间跨度之后，通过断开开关S1 150将至少一个第一传输线110的第二端部与至少一个第二传输线120的第一端部断开连接，以及通过闭合切换单元140中的开关S2将至少一个第二传输线120的第一端部与接地电位连接。

这种方法的优点是，电压源不需要传送高电流。这是因为电压源首先必须对以第一传输线的形式提供的能量存储装置充电。考虑到仅在大约1％至10％的时间内生成等离子体，DC电压发生器具有足够的时间重新加载能量存储装置。

这意味着没有必要使用高压源，高压源也可以提供高电流，但只要有不太强大但更便宜的能源就足够了。

另一个优点是，这种方法节省能量。在传统的DBD系统中，在电缆和电抗器的连接点处反射的能量丢失。因此，传统的系统的效率非常低，因为这些电抗器在电缆和电抗器输入之间存在不匹配。不可避免地，发生电压脉冲的反射并且反射的脉冲的能量丢失。

通过开关的适当操作，反射的能量至少部分地被存储回到第一传输线中。这意味着能量存储装置将利用反射的脉冲的能量被预充电。接下来，利用电压脉冲激活等离子体电抗器，必须利用一定量的能量来对利用来自最近脉冲的反射的能量预充电的能量存储装置充电，该能量要比必要时要少，就好像能量存储装置在充电开始处将是空的一样。

图1示出了可以执行该方法的电路的示例性实施例。电压发生器130(FUG)利用特定电荷充电传输线110。电荷由传输线本身的规格决定。

电荷取决于击穿电压，击穿电压是传输线(优选地，同轴电缆)中的导体之间发生放电之前的最大电压。附加地，电荷取决于传输线的长度。传输线110越长，电荷的电平越高。

如果传输线110被完全地充电，这可以由其电压确定，则开关S1闭合并且S2断开。完全的电荷移动到第二传输线120中。这不会像普通电容器那样瞬间发生。电荷形成具有脉冲长度的脉冲，在第二传输线120上以特定速度朝向电抗器170的输入传播。传输线上的传播速度也是传输线的特性。

电压脉冲具有前端和末端。电压脉冲被完全地包含在第二传输线中。第一传输线不带电。电压脉冲还在第二传输线120上传播并且进入电抗器170。

现在假设第二传输线120和电抗器170不匹配。这意味着，第二传输线120的特性阻抗与电抗器170的阻抗不同或相似。电压脉冲的一部分传播到电抗器170中，脉冲的第二部分被反射回电压发生器130。

假设传输线110、120的传播速度以及脉冲长度是已知的。根据这些值，可以确定反射的脉冲的端部何时离开第二传输线120的第一端部。脉冲及其能量现在被包含在第一传输线110中并且提升第一传输线110中的电压电平到与反射的脉冲的能量相对应的某个电平。

传输线110现在具有“起始”电压电平并且电压源仅需要利用该差异充电传输线110。

根据图1，当反射的脉冲传播回第一传输线时，可能没有必要闭合S1。即使S1断开，反射的脉冲也可以通过与S1并联开关的续流二极管传播到传输线110。

另外，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以被用于其它实施例或与其它实施例结合使用以产生进一步的实施例，本描述旨在包括这样的修改和变化。

尽管前述内容针对本公开的实施例，但是在不脱离其基本范围的情况下可以设计本公开的其它实施例和进一步的实施例，并且其范围由所附的权利要求确定。