CN101795127A

CN101795127A - 一种高压方波脉冲发生器及产生高压方波脉冲的方法

Info

Publication number: CN101795127A
Application number: CN201010105586A
Authority: CN
Inventors: 施卫; 王馨梅; 屈光辉; 徐鸣; 侯磊
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: CN101795127B

Abstract

本发明公开了一种高压方波脉冲发生器及产生高压方波脉冲的方法，方波脉冲发生器中的高压直流电源、限流电阻和储能电容依次串联构成回路，高压直流电源的负极接地；光电半导体开关经同轴传输线和负载串联构成的电路与储能电容并联；光电半导体开关的封装外壳、同轴传输线的外导体层和负载接地；该脉冲发生器还包括一个耐压高、触发开通快、通态电阻低的辅助开关和控制光电半导体开关和辅助开关触发时间差的延时控制装置；辅助开关并联在储能电容两端。输出的方波，电压高，脉宽可调，下降沿变化率快，且能快速终止光电半导体开关内部载流子高倍增过程，强制开关退出锁定工作状态，使得锁定状态持续时间人为可控。

Description

一种高压方波脉冲发生器及产生高压方波脉冲的方法

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种高压方波脉冲发生器及产生高压方波脉冲的方法。

背景技术

光电半导体开关不仅具有超快上升沿和快下降沿，而且耐压高、触发抖动仅皮秒量级，所以适于产生高压方波电脉冲。基于光电半导体开关，现有两种产生方波脉冲的方法：

(1)利用传输线储能来控制光电半导体开关的载流子高倍增过程，使输出波形为方波(参见1996年25卷第2期《光子学报》赵慧娟等人“用于高压脉冲发生系统的光电开关技术综述”一文)。其缺点是：1)传输线作为分布电容储存能量，储能密度低；2)传输线设计长度决定了方波脉宽，即不能动态调节方波脉宽。

(2)Auston光电半导体开关结构是基于两种不同波长的激光工作的，可产生几个皮秒脉宽的矩形脉冲(参见1975年26卷《Applied Physics Letters》Auston D H发表的“Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon”，中文译文为，1975年26卷《应用物理快报》，Auston D H发表的“硅材料的皮秒光电开关和门”)其缺点是：1)需要两种波长的激光束；2)该结构必须以光电半导体开关芯片为绝缘层来制作异面微带传输线，因此无法承受高压，输出方波的电压值低。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压方波脉冲发生器，解决了现有技术中因光电半导体开关陷入长时间锁定状态而使输出波形无法控制的问题。

本发明的另一目的是提供上述方波脉冲发生器产生高压方波脉冲的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种高压方波脉冲发生器，包括高压直流电源、限流电阻、储能电容、光电半导体开关、同轴传输线和负载；高压直流电源、限流电阻和储能电容依次串联构成回路，高压直流电源的负极接地；光电半导体开关经同轴传输线和负载串联构成的电路与储能电容并联；光电半导体开关的封装外壳、同轴传输线的外导体层和负载接地；该脉冲发生器还包括一个耐压高、触发开通快、通态电阻低的辅助开关，和控制光电半导体开关和辅助开关触发时间差的延时控制装置；所述的辅助开关并联在储能电容两端。

其中，辅助开关为绝缘栅双极型晶体管。

其特点进一步在于，延时控制装置包括电子延时器、第一分压电阻和第二分压电阻；第一分压电阻的一端与光电半导体开关阴极电极连接，另一端经第二分压电阻接地；第二分压电阻与第一分压电阻连接的一端还与电子延时器的输入端连接，电子延时器的输出端通过IGBT驱动电路与缘栅双极型晶体管的栅极连接，绝缘栅双极型晶体管的阳极与光电半导体开关的阳极电极连接，绝缘栅双极型晶体管的阴极接地。

其中，辅助开关为火花隙开关；火花隙开关阳极电极与光电半导体开关阳极电极连接，火花隙开关的阴极电极接地。

其特点进一步在于，延时控制装置包括能将脉冲激光器发射出的激光分为两束的半透半反镜和位于半透半反镜与火花隙开关之间的光学延时器；其中一束激光用于触发光电半导体开关，另外一束激光通过光学延时器触发火花隙开关。

本发明所采用的另一个技术方案是，脉冲发生器产生方波脉冲的方法，按以下步骤进行：

步骤1，先触发开通光电半导体开关，使光电半导体开关进入锁定状态；

步骤2，再经纳秒量级时间后触发开通与储能电容并联的辅助开关；光电半导体开关和辅助开关的触发时间差由延时控制装置控制；

步骤3，辅助开关触发后，储能电容能量通过辅助开关迅速释放，储能电容的电压随之迅速降低；当该电压不足以维持光电导开关高倍增所需的阈值电场时，光电半导体开关被迫结束锁定状态，开始关断；由于此时储能电容电压仍在迅速下降，提高了光电半导体开关的关断速度，从而得到较快的下降沿；

通过上述步骤，即输出电压高、脉宽可调的方波脉冲。

本发明的有益效果是，利用本发明提供的方波脉冲发生器输出的方波，电压高，脉宽可调，下降沿变化率快。此外，利用本发明提供的控制光电半导体开关的方法，能快速终止光电半导体开关内部载流子高倍增过程，强制开关退出锁定工作状态，使得锁定状态持续时间人为可控。

附图说明

图1是现有技术脉冲发生器的结构示意图；

图2是现有技术脉冲发生器输出的波形图；

图3是本发明方波脉冲发生器输出的波形图；

图4是本发明实施例1方波脉冲发生器的结构示意图；

图5是本发明实施例2方波脉冲发生器的结构示意图。

图中，1.高压直流电源，2.限流电阻，3.储能电容，4.光电半导体开关，5.同轴传输线，6.负载，7.脉冲激光器，8.绝缘栅双极型晶体管，9.IGBT驱动电路，10.电子延时器，11.火花隙开关，12.光学延时器，13.半透半反镜，14.全反镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

光电半导体开关4具有两种传统工作模式：线性模式和高倍增模式，其中高倍增模式仅出现在高偏置电压下的砷化镓、磷化铟光电半导体开关4中。高倍增工作模式具有载流子高倍增现象，即一个入射光子能激励多个电子-空穴对参与导电，所以比线性模式所需触发光能低，电压传输率高、脉冲上升沿快。需要特别指出的是，高倍增模式对开关上外加偏置电场有下限要求，低于该电场阈值时光电半导体开关4内载流子高倍增现象将停止。

如图1所示，现有的脉冲发生器包括高压直流电源1、限流电阻2、储能电容3、光电半导体开关4、同轴传输线5和负载6；高压直流电源1、限流电阻2和储能电容3依次串联构成回路，高压直流电源1的负极接地；光电半导体开关4经同轴传输线5和负载6串联构成的电路与储能电容3并联；光电半导体开关4的封装外壳、同轴传输线5的外导体层(屏蔽层)和负载6接地。该电路中使用了脉冲激光器7向光电半导体开关4发出光脉冲，光电半导体开关4再向负载6输出电脉冲。现有的脉冲发生器的输出电脉冲上升沿足够快，但是光电半导体开关4的高倍增过程不受控制，脉冲激光器7发出的光脉冲，经现有的脉冲发生器输出的电脉冲波形如图2所示，存在以下问题：1)脉宽太宽(通常在微秒量级，远远大于光脉冲脉宽)且持续时间有一定随机性，该现象被称为“锁定”，是由光电半导体开关4内载流子高倍增过程不受控制造成的；2)脉冲幅值随时间逐渐变小，且下降沿变化率慢，波形不满足方波要求。

为了输出近似理想的方波波形，且脉宽动态可调，本发明在现有脉冲发生器的基础上，在储能电容3两端并联一个耐压高、触发开通快、通态电阻低的辅助开关。另外，还设置了控制光电半导体开关4和辅助开关触发时间差的延时控制装置。

利用本发明提供的方波脉冲发生器产生方波脉冲的方法为：

步骤1，先触发开通光电半导体开关4，使光电半导体开关4进入锁定状态；

步骤2，再经纳秒量级时间后触发开通与储能电容3并联的辅助开关；光电半导体开关4和辅助开关的触发时间差由延时控制装置控制，该时间差决定了输出方波的脉宽；

步骤3，辅助开关触发后，储能电容3能量通过辅助开关迅速释放，储能电容3的电压随之迅速降低；当该电压不足以维持光电半导体开关4高倍增所需的阈值电场时，光电半导体开关4被迫结束锁定状态，开始关断；由于此时储能电容3电压仍在迅速下降，提高了光电半导体开关4的关断速度，从而得到较快的下降沿；即可输出如图3所示的电压高、脉宽可调的方波脉冲；

要调整方波脉宽，只需要通过延时控制装置调光电半导体开关4和辅助开关的触发时间差即可；要调整方波的重复频率，只需调整脉冲激光器7的光脉冲重复频率即可。

综上所述，储能电容两端并联一个耐压高、触发开通快、通态电阻低的辅助开关，其优点是，1)可以人为控制光电半导体开关4的锁定持续时间，使输出电脉冲的脉宽可调；2)提高了光电半导体开关4的关断速度，加快了输出波形的下降沿变化率。

本发明中的辅助开关，应兼顾耐压高、触发开通快、通态电阻低三个特点，例如绝缘栅双极型晶体管8或激光触发式火花隙开关11，下面通过具体的实施例来说明：

实施例1

如图4所示，一种方波脉冲发生器包括高压直流电源1、限流电阻2、储能电容3、光电半导体开关4、同轴传输线5和负载6；高压直流电源1、限流电阻2和储能电容3依次串联构成回路，高压直流电源1的负极接地；光电半导体开关4经同轴传输线5和负载6串联构成的电路与储能电容3并联；光电半导体开关4的封装外壳、同轴传输线5的外导体层(屏蔽层)和负载6接地；储能电容3两端还并联有一个绝缘栅双极型晶体管8(该器件英文缩写为IGBT)；延时控制装置包括电子延时器10、第一分压电阻R1和第二分压电阻R2；第一分压电阻R1的一端与光电半导体开关4阴极电极连接，另一端经第二分压电阻R2接地；第二分压电阻R2与第一分压电阻R1连接的一端还与电子延时器10的输入端连接；电子延时器10的输出端通过IGBT驱动电路9与缘栅双极型晶体管8的栅极连接；绝缘栅双极型晶体管8的阳极与光电半导体开关4的阳极电极连接，绝缘栅双极型晶体管8的阴极接地。

该方波脉冲发生器中，高压直流电源1为0～10kV可调直流高压电压源。储能电容3为耐压10kV以上的15～100nF脉冲电容器。储能电容3充电的限流电阻2为2kΩ～10MΩ功率电阻。负载6为50Ω功率电阻。绝缘栅双极型晶体管8并联在储能电容3两端，型号为FZ600R65KF2。电子延时器10的功能是：当输入信号为上升沿时，延时预定时间后输出；当输入信号为下降沿时，立刻(不延时)输出。第二分压电阻R2上的电压信号作为电子延时器10的输入。

光电半导体开关4的芯片材料为非故意掺杂砷化镓晶体(GaAs:EL2)，电阻率5～10×10⁷Ω·cm，电子迁移率5000～7000cm²/V·s。光电半导体开关4两个电极之间的距离是2～10mm。脉冲激光器7是SGR-S/100型Q开关搀钕钇铝石榴石激光器，其脉冲半高全宽为8ns，波长为532nm，光能为0.5～5mJ。

利用实施例1提供方波脉冲发生器产生方波脉冲的方法为：

①光电半导体开关4未被脉冲激光触发时，B点电位(如图4所示，B点为第一分压电阻R1、第二分压电阻R2与电子延时器10三者连接的结点)一直近似为零，所以绝缘栅双极型晶体管8不开通；

②光电半导体开关4被脉冲激光触发并进入锁定状态，B点电位迅速升高，输入一个上升沿信号给电子延时器10，电子延时器10延时纳秒量级时间后输出一个上升沿信号，触发IGBT驱动电路9，使绝缘栅双极型晶体管8开通；

③绝缘栅双极型晶体管8开通使储能电容3电压迅速下降；当储能电容3电压下降至不足以维持光电导开关4高倍增所需的阈值电场时，最终迫使光电半导体开关4迅速地结束载流子高倍增并恢复高电阻率，即退出锁定状态，光电半导体开关4开始关断；由于此时储能电容3电压仍在迅速下降，所以提高了光电半导体开关4的关断速度，使输出波形的下降沿变化率快；即可输出电压高、脉宽可调的方波脉冲；

④随着光电半导体开关4的快速关断，B点电位迅速下降趋于0V，等效为给电子延时器10输入一个下降沿信号；此时电子延时器10不延迟，即刻输出一个下降沿信号，触发IGBT驱动电路9，使绝缘栅双极型晶体管8关断；

⑤光电半导体开关4和绝缘栅双极型晶体管8都已关断后，储能电容3再次由高压直流电源1充电，以备输出下次方波脉冲。

通过调节光电半导体开关4和辅助开关的触发时间差(即调节电子延时器10的预定延时时间)，可调整方波的脉宽；通过调整脉冲激光器7的光脉冲重复频率，可调整方波的重复频率。本实施例提供的方波脉冲发生器，其输出方波的电压为1kV～6kV，脉宽上升沿为8～10ns，下降沿为10～40s，脉冲宽度在100ns～1μs范围内可调，重复频率在1Hz～10kHz范围内可调。

实施例2

如图5所示，一种方波脉冲发生器包括高压直流电源1、限流电阻2、储能电容3、光电半导体开关4、同轴传输线5和负载6；高压直流电源1、限流电阻2和储能电容3依次串联构成回路，高压直流电源1的负极接地；光电半导体开关4经同轴传输线5和负载6串联构成的电路与储能电容3并联；光电半导体开关4的封装外壳、同轴传输线5的外导体层(屏蔽层)和负载6接地；储能电容3两端还并联有一个火花隙开关11；火花隙开关11的阳极电极与光电半导体开关4阳极电极连接，火花隙开关11的阴极电极接地。由脉冲激光器7发射出的激光通过半透半反镜13分为两束，其中一束激光触发光电半导体开关4，另外一束激光经过光学延时器12延时，再由全反镜14反射至火花隙开关11。

该方波脉冲发生器中，火花隙开关11的工作气体为1个大气压的空气或氮气，电极间隙为1mm～8mm。高压直流电源1为0～30kV可调直流高压电压源。储能电容3为耐压30kV以上的20～100nF脉冲电容器。储能电容3充电的限流电阻2为0.01～10MΩ功率电阻。负载6为50Ω功率电阻。光电半导体开关4的芯片材料为半绝缘GaAs:EL2，电阻率5～10×10⁷Ω·cm，电子迁移率5000～7000cm²/V·s。光电半导体开关4两个电极之间的距离是2～15mm。

脉冲激光器7是SGR-S/100型Q开关搀钕钇铝石榴石激光器，其脉冲半高全宽为8ns，波长为532nm。输出激光分为两束，其中触发光电半导体开关4的激光束光能为0.1～5mJ，触发火花隙开关11的激光束光能为10mJ～100mJ。两束激光触发光电半导体开关4和火花隙开关11的时间差由光学延时器12控制。

利用实施例2提供方波脉冲发生器产生方波脉冲的方法为：

步骤1，一束激光束触发光电半导体开关4，使光电半导体开关4进入锁定状态；

步骤2，另一束激光束由光学延时器12延时后触发火花隙开关11开通；

步骤3，火花隙开关11开通后，储能电容3经火花隙开关11迅速放电，光电半导体开关4的偏置电场随之迅速降低，当电场低于高倍增阈值后，载流子高倍增过程不能维持下去，光电半导体开关4被迫结束锁定状态开始关断；此时储能电容3电压仍在迅速下降，提高了光电半导体开关4的关断速度，从而得到较快的下降沿；

通过以上步骤即可输出电压高、脉宽可调的方波脉冲；

通过光学延时器12调节光电半导体开关4和辅助开关的触发时间差，可调整方波的脉宽；通过调整脉冲激光器7的光脉冲重复频率，可调整方波的重复频率。本实施例提供的方波脉冲发生器，其输出方波的电压为2kV～20kV，脉宽上升沿为8～10ns，下降沿为8～20s，脉冲宽度在60～200ns范围内可调，重复频率在1Hz～1kHz范围内可调。

Claims

1.一种高压方波脉冲发生器，包括高压直流电源(1)、限流电阻(2)、储能电容(3)、光电半导体开关(4)、同轴传输线(5)和负载(6)；高压直流电源(1)、限流电阻(2)和储能电容(3)依次串联构成回路，高压直流电源(1)的负极接地；光电半导体开关(4)经同轴传输线(5)和负载(6)串联构成的电路与储能电容(3)并联；光电半导体开关(4)的封装外壳、同轴传输线(5)的外导体层和负载(6)接地；其特征在于：该脉冲发生器还包括一个耐压高、触发开通快、通态电阻低的辅助开关，和控制光电半导体开关(4)和辅助开关触发时间差的延时控制装置；所述的辅助开关并联在储能电容(3)两端。

2.根据权利要求1所述的方波脉冲发生器，其特征在于：所述的辅助开关为绝缘栅双极型晶体管(8)。

3.根据权利要求2所述的方波脉冲发生器，其特征在于：所述的延时控制装置包括电子延时器(10)、第一分压电阻(R1)和第二分压电阻(R2)；第一分压电阻(R1)的一端与光电半导体开关(4)阴极电极连接，另一端经第二分压电阻(R2)接地；第二分压电阻(R2)与第一分压电阻(R1)连接的一端还与电子延时器(10)的输入端连接，电子延时器(10)的输出端通过IGBT驱动电路(9)与缘栅双极型晶体管(8)的栅极连接，绝缘栅双极型晶体管(8)的阳极与光电半导体开关(4)的阳极电极连接，绝缘栅双极型晶体管(8)的阴极接地。

4.根据权利要求1所述的方波脉冲发生器，其特征在于：所述的辅助开关为火花隙开关(11)；火花隙开关(11)阳极电极与光电半导体开关(4)阳极电极连接，火花隙开关(11)的阴极电极接地。

5.根据权利要求4所述的方波脉冲发生器，其特征在于：所述的延时控制装置包括能将脉冲激光器(7)发射出的激光分为两束的半透半反镜(13)和位于半透半反镜(13)与火花隙开关(11)之间的光学延时器(12)；其中一束激光用于触发光电半导体开关(4)，另外一束激光通过光学延时器(12)触发火花隙开关(11)。

6.一种利用权利要求1所述脉冲发生器产生方波脉冲的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：

步骤1，先触发开通光电半导体开关(4)，使光电半导体开关(4)进入锁定状态；

步骤2，再经纳秒量级时间后触发开通与储能电容(3)并联的辅助开关；光电半导体开关(4)和辅助开关的触发时间差由延时控制装置控制；

步骤3，辅助开关触发后，储能电容(3)能量通过辅助开关迅速释放，储能电容(3)的电压随之迅速降低；当该电压不足以维持光电导开关(4)高倍增所需的阈值电场时，光电半导体开关(4)被迫结束锁定状态，开始关断；由于此时储能电容(3)电压仍在迅速下降，提高了光电半导体开关(4)的关断速度，从而得到较快的下降沿；

通过上述步骤，即输出电压高、脉宽可调的方波脉冲。