CN101453174A - 高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器 - Google Patents

高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器 Download PDF

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Abstract

一种高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器，解决了与RF功率放大器相关联的高脉冲重复率限制。该脉冲发生器(30)使用谐振技术以提供电流限制特征，其允许在短路和开路负载状况期间，在损害脉冲发生器(30)的情况下，脉冲发生器(30)继续高压、高速、和高重复率操作。

Description

高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器
技术领域
本发明一般涉及电功率转换，具体而言涉及一种使用软切换和脉冲整形技术的高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器。
背景技术
能够以高电压、高速、和高脉冲重复率进行操作的发生器一般使用射频(RF)功率放大器和相关技术以完成高电压、高速和高脉冲重复率产生和传输。所述RF功率放大器生产昂贵，并且由于在高脉冲重复率产生期间内部的生热性，在可靠性方面也有问题。RF功率放大器需要不动产，这是不想希望的，并且一般具有低的电效率。此外，尤其，由于热损耗的原因，RF功率放大器技术也不是特别适合于高脉冲重复率的产生。
提供一种高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器以解决与RF功率放大器相关联的高脉冲重复率限制，这是有利和有益的。如果在短路和开路负载状态期间，在不损害高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器的情况下，该脉冲发生器能够持续操作，那么也将也是有利的。
发明内容
简要地，根据一个实施例，提供一种用于产生高电压、高速、高重复率脉冲的脉冲发生器。该脉冲发生器包括：
逆变器，被配置为将DC电压转换为高频率AC电压；
转换器，被配置为响应于AC电压而作为一种AC电流源操作；以及
电压整形部分，被配置为响应于AC电流源所产生的AC输入电流而产生高电压、高速、高重复率电压脉冲。
根据另一实施例，一种产生高电压、高速、高重复率电压脉冲的方法包括：
转换DC电压成为高频AC电压；
响应于AC电压而产生AC电流；以及
响应于AC电流而产生高电压、高速、高重复率电压脉冲。
根据又一实施例，脉冲发生器包括：
用于转换DC电压成为高频AC电压的装置；
用于响应于AC电压而产生AC电流的装置；以及
用于响应于AC电流而产生高电压、高速、高重复率电压脉冲的装置。
附图说明
当参考附图而阅读以下细节描述，本发明这些和其他特征、以及优点将变得更好理解，整个附图中相似的字符表示相似部分，其中：
图1说明了根据一实施例的软切换、脉冲整形发生器的简化电路图；
图2说明了根据一实施例的用于产生高电压、高速、高重复率电压脉冲的方法典型步骤的流程图；
图3详细说明了根据一实施例的软切换、脉冲整形发生器的电路图；
图4说明了根据一实施例，在图3所示发生器的稳态操作期间的操作电路电压和电流的一组波形；
图5说明了根据一实施例，在图3所示发生器的短路负载状态期间，操作电路电压和电流的一组波形；以及
图6说明了根据一实施例，在图3所示发生器的开路负载状态期间，操作电路电压和电流的一组波形。
如讨论中所注释的那样，尽管以上标识的用于阐述本发明的可选实施例、其他实施例的附图也被考虑到，但是，在所有的情况中，该公开内容通过呈现而非限制性地提供本发明的说明性实施例。本领域技术人员能够设计出落入本发明原理的范围和精神内的许多其他修改和实施例。
具体实施方式
首先描述图1和图2以提供有助于较好理解与以下描述图3相关联的讨论的背景。现在看图1，简化的电路图说明了根据一实施例的基本软切换、脉冲整形电路体系结构10。电路10包括跨导放大器12，其响应于输入电压脉冲13而用作为一种电流源。
与钳位二极管16相结合的MOSFET设备14一起操作为一种脉冲整形电路以产生跨越在期望负载18上的方形或矩形电压脉冲。起因于用于驱动脉冲整形电路的电流源，电路10相对于短路和开路负载而言是耐用的(robust)。
以软切换模式使MOSFET设备14导通的方式来控制MOSFET设备14的门输入驱动。随着切换频率增加，软切换减少与MOSFET开关设备14相关的切换损耗。软切换和脉冲整形的组合允许电路10操作为一种相对于开路和短路负载来说是耐用的高电压、高速、高重复率脉冲发生器。
图2说明了根据一实施例的用于产生高电压、高速、高重复率电压脉冲的方法典型步骤的流程图20。该方法通过提供块22所表示的初级DC输入电压开始。然后DC输入电压经由逆变器以产生高频(例如25MHz)AC电压，如方块24所示。如方块26所示，将AC电压转换为电流源以产生AC电流。如图1所描述的那样，当使用纯电压源来驱动动态负载18时候，通过提供无法实现的电流限制手段，而使得电流源允许脉冲发生器以耐用的方式运作。然后，AC电流驱动电压整形电路以产生方形或矩形输出电压脉冲，如方块28所示那样。
图3详细说明了根据一实施例的软切换、脉冲整形发生器30的电路图。发生器30的电路体系结构允许发生器30产生高电压、高速和高重复率的电压输出脉冲。
能够看到，发生器30包括逆变器40、转换器50和脉冲整形部分60。逆变器40包括第一储能电路，其包括共同具有固有谐振频率的电容器C1和电感器器L1。如图3所示，逆变器40也包括上部软开关42，其一端连接在正DC电压源32并且其相对端连接到电容器C1。上部软开关42以软切换模式进行操作以经由门驱动元件43来控制开—关切换操作。用于限制下部开关46上的电压的钳位二极管44能够是开关42的寄生体二极管。并且如图3所示，逆变器40也包括下部软开关46，其一端连接到发生器地34，其相对端连接到电容器C1。下部软开关46以软切换模式进行操作以经由相应门驱动元件47来控制开—关切换操作。用于限制上部开关42上的电压的钳位二极管48能够是开关46的寄生体二极管。配置上部软开关42和下部软开关46以至于当下部软开关46断开时上述软开关42导通，反之亦然。每一开关42、46根据一实施例以软切换模式在等于或高于由电容器C1和电感器L1构成的储能电路的固有谐振频率的高频率下操作，所述高频率诸如例如25MHz。
能够看出转换器50也具有包括电容器C2和电感器L2的储能电路(第二储能电路)。在一实施例中，逆变器40的第一储能电路和转换器50的第二储能电路被配置以致于C1和L1共同的谐振频率具有与包括C1组合C2以及L1组合L2的组合储能电路的谐振频率相同。在切换处理期间，该配置基本上允许将包括电容器C1和电感器L1的第一储能电路中所存储的所有能量传送到包括电容器C2和电感器L2的第二储能电路。该配置也允许电流加倍，以致于在切换处理期间，流经电感器L2的峰值电流基本上是流经电感器L1的峰值电流的两倍。根据一实施例，第三开关52经由门驱动53以软切换的模式操作并且与二极管54、二极管56和包括电容器C2和电感器L2的第二储能电路组合以产生流经电感器L2的AC电流。尽管齐纳(Zener)二极管是优选的，但是二极管54能够是开关52的寄生体二极管。然后，图3中负载RL从由电感器L2存储的能量中接收其功率并且通过逆变器40和转换器50与DC电压源隔离。该隔离特征有利地允许发生器30驱动动态负载，所述动态负载能够在短路和开路之间改变并且能够包括在稳态操作期间在短路和开路状态之间任意部分驱动动态负载。
发生器30进一步包括脉冲整形部分60，其被配置以有效地驱动动态改变的负载并且响应流经电感器L2的能量以产生方形波或矩形电压脉冲。脉冲整形部分包括软开关62并且经由门驱动元件64以软切换的模式操作。在切换处理期间，所述软开关62与二极管66和68一起工作以产生方形或矩形电压脉冲。在存在动态改变负载状况时，先前的谐振频率切换处理在高频(MHz范围)处有利地提供了纯电压切换。
图4说明了根据一实施例，在图3所示发生器30的稳态操作期间的操作电路电压和电流的一组波形。上部波形说明了由发生器30产生的高压(大约1000伏特)、高频(MHz范围)和高重复率输出电压脉冲。中间的波形说明了由发生器30所实现的峰值电流加倍。下部波形说明了在脉冲发生器30的正常稳态操作期间流经逆变器、转换器和脉冲整形开关的AC电流。
图5说明了根据一实施例，在图3所示发生器30的短路负载状态期间，操作电路电压和电流的一组波形。短路操作波形说明了即使在输出处短路负载期间的脉冲发生器30的操作能力。该波形表明脉冲发生器30在没有起因于电流限制特征的任何不利作用下继续操作。
图6说明了根据一实施例，在图3所示发生器30的开路负载状态期间，操作电路电压和电流的一组波形。开路操作波形说明了即使在发生器输出处开路负载期间的脉冲发生器30的操作能力。该波形表明脉冲发生器30即使在开路负载期间，在没有起因于电流限制特征的任何不利作用下也继续操作。
尽管在此仅仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。所以应该理解，所附权利要求用于覆盖落入本发明实际精神内的所有所述修改和改变。
元件列表
10：软切换，脉冲整形电路
12：跨导放大器
13：输入电压脉冲
14：MOSFET设备
16：钳位二极管
18：负载
20：流程图
22：提供初级DC输入电压
24：经由逆变器传递初级DC输入电压以产生高频AC电压
26：转换AC电压为电流源以产生AC电流
28：响应AC电流经由电压整形而产生输出电压脉冲
30：软切换，脉冲整形发生器
32：DC电压源
34：发生器地
40：逆变器
42：上部软开关
43：门驱动元件
44：钳位二极管
46：下部软开关
47：门驱动元件
48：钳位二极管
50：转换器
52：第三开关
53：门驱动元件
54：齐纳(Zener)二极管
56：二极管
60：脉冲整形部分
62：软开关
64：门驱动元件
66：二极管
68：二极管

Claims (10)

1、一种脉冲发生器(30)，包括：
逆变器(40)，被配置为转换DC电压成为高频AC电压；
转换器(50)，被配置为响应于AC电压而作为AC电流源操作；以及
电压整形部分(60)，被配置为响应于AC电流源所产生的AC输入电流而产生高压、高速、高重复率电压脉冲。
2、根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中逆变器(40)包括一对高压开关(42)、(46)，每一开关被配置为以软切换的模式与相应钳位二极管(44)、(48)组合操作以产生高频AC电压。
3、根据权利要求2的脉冲发生器(30)，其中经由相应的门驱动元件(43)、(47)驱动每一高压开关(42)、(46)以致于每一高压开关(42)、(46)以软切换的模式操作。
4、根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中转换器(50)包括高压开关(52)，其被配置为以软切换的模式与相应的钳位二极管(54)组合操作以产生AC输入电流。
5、根据权利要求4的脉冲发生器(30)，其中经由相应的门驱动元件(53)驱动转换器高压开关(52)，以致于转换器高压开关(52)以软切换的模式操作。
6、根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中脉冲整形部分(60)包括高压开关(62)，其被配置为以软切换的模式与相应钳位二极管(66)组合操作以产生高压、高速、高重复率电压脉冲。
7、根据权利要求6的脉冲发生器(30)，其中经由相应的门驱动元件(64)驱动脉冲整形部分高压开关(62)，以致于脉冲整形部分高压开关(62)以软切换的模式操作。
8、根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中逆变器(40)和转换器(50)每一个都包括LC储能电路，在逆变器和转换器切换模式期间，该储能电路一起被配置以将逆变器储能电路所存储的所有能量基本转移到转换器储能电路。
9、根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中逆变器(40)和转换器(50)每一个都包括LC储能电路，该储能电路一起被配置以致于流经转换器电感器L的峰值电流基本上是流经逆变器电感器L的峰值电流的两倍。
10、根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中配置脉冲整形部分(60)以响应于AC电流源(50)所产生的AC输入电流来产生方形或矩形高压、高速、高重复率电压脉冲。
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