CN102158088A - 全固态重复频率纳秒脉冲源 - Google Patents

全固态重复频率纳秒脉冲源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全固态重复频率纳秒脉冲源，包括原边储能电容C0、半导体器件IGBT、可饱和脉变PT、第一副边储能电容C1、第二副边储能电容C2、前级磁开关MS1、后级磁开关MS2、后级储能电容C3、具有SOS效应的快恢复二极管D-sos、电阻负载Rx、串联电感L；通过磁开关和快恢复二极管D-sos的配合，产生陡前沿高压脉冲。本发明使用常见的快恢复二极管代替价格昂贵SOS器件，其在对脉冲进行陡化效果上同样表现卓越，价格低廉的小型脉冲功率电源同样具有优越的性能，可以满足绝大部分民用工业和科学研究工作需要。

Description

全固态重复频率纳秒脉冲源
技术领域
本发明属于脉冲功率源技术领域，具体涉及到陡前沿重复频率纳秒脉冲电源。
背景技术
脉冲功率技术由国防技术需要而产生，并在其推动下取得长足进步，广泛应用于激光技术，等离子体技术，电磁炮等研究领域。近年来，随着脉冲功率技术的进一步发展，逐步被广泛地应用在工业、环境保护、医学等领域，具体应用包括：体外冲击波碎石，污水处理、食品保鲜、纳米材料研制、材料表面处理等。
以上所有应用的实现，都需要一个关键的前提：高性能的脉冲功率源。当前，世界各主要国家都投入大量的人力物力进行脉冲功率相关装置的研制，直至目前为止，高功率脉冲技术的发展基本呈现一种功率竞争的特点，装置功率一个比一个大，相应的装置体积也很庞大，成本昂贵，让很多的民事单位和科研机构望而却步。
而随着脉冲功率技术在民用工业各领域的广泛应用，对重复频率纳秒脉冲电源提出有别于大型脉冲功率装置的新要求，即轻便小型、价格低廉、长寿命和高可靠性。
目前脉冲功率电源的主要有几种实现方式，Marx发生器、Blumlein传输线、气体开关陡化、磁开关陡化等。但是各种方案均有其难以避免的缺陷：Marx发生器及Blumlein传输线，重复频率都很难超高1kHz；而使用气体开关陡化，其稳定性及使用寿命都有很大局限；仅使用单级磁开关进行脉冲陡化，输出电压上升沿极限值一般为40～50ns，半高宽80～100ns。如果想使用磁开关实现更快前沿的高压输出，必须采用其他的技术方案。
发明内容
本发明针对适合民事工业应用和科研机构使用的小型脉冲功率源，抛却因国防利益而难以购得的半导体断路开关SOS(Semiconductor Open Switch简称SOS)元器件，而使用极易获得的快恢复二极管代替SOS元器件使用，将磁开关技术和快恢复二极管进行结合，利用快恢复二极管的SOS效应，研制出一套重复频率纳秒脉冲源，输出脉冲上升沿可以达到10ns以内，半高宽可达30ns以内，重复频率可达5kHz。本发明中的脉冲源所采用的元器件均可在电子市场上购得，而且价格低廉。
本发明所采取的技术方案如下：
本发明所使用的拓扑结构包括：包括原边储能电容C0、半导体器件IGBT、可饱和脉变PT、第一副边储能电容C1、第二副边储能电容C2、前级磁开关MS1、后级磁开关MS2、后级储能电容C3、具有SOS效应的快恢复二极管D-sos、电阻负载Rx、串联电感L；通过磁开关和快恢复二极管D-sos的配合，产生陡前沿高压脉冲；调压器输出交流电压通过整流桥整流产生直流高压，以此作为直流电压源，直流电压源通过串联电感L和快恢复二极管D-sos的串联对原边储能电容C0充电；原边储能电容C0在半导体器件IGBT的控制下，通过脉冲变压器将能量传递至第一副边储能电容C1和第二副边储能电容C2，其中第一副边储能电容C1直接并联在可饱和脉变PT副边，第二副边储能电容C2经前后级磁开关串联后并联在可饱和脉变PT副边；后级磁开关MS2与后级储能电容C3串联后与负载电阻和快恢复二极管D-sos并联。
直流电源通过电感L1和二极管D1对原边储能电容C0充电，此时由于二极管的反向截止作用，通过振荡原变储能电容C0上电压几乎可以达到直流电源的二倍，达到了升压的效果。原边储能电容C0通过脉变对电容C1和C2并联充电；能量传递完毕后脉变PT饱和，此时脉变副边相当于小电感，电容C1电压通过饱和脉变副边振荡，当电压翻转时，前级磁开关MS1饱和；此时电容C1和C2串联起来，实现倍压，通过快恢复二极管D-sos对后级储能电容C3充电，此时快恢复二极管D-sos流过正向泵浦电流；充电完毕后，后级磁开关MS2饱和，电容C3通过饱和磁开关MS2对快恢复二极管D-sos上进行反向泵浦；快恢复二极管由于SOS效应，快速截断反向电流，在负载RX上得到陡前沿高压脉冲。
经研究，所选用二极管D-sos的反向恢复时间参数，对输出脉冲的上升沿、电压幅值均有影响，故本发明中选用各种反向恢复时间不同的二极管可以得到各种不同参数的电压输出，以此实现脉冲源的参数调节。
在使用同种二极管的条件下，输出脉冲的上升沿和半高宽等参数与D-sos的正向泵浦电流时间和大小相关，而正向泵浦电流与回路参数尤其是电感有很大关联，本发明将后级储能电容串联电感对二极管充电，通过改变电感的量值可以调节脉冲输出的上升沿和半高宽。本发明中，选用10μH，20μH，40μH三个感量不同的电感器件，通过其不同的串并联结构可以得到多组不同的电感值。
由于以上技术方案的采用，本发明有以下优势
1、成本低廉，性能优越，便于生产，易于推广。SOS器件首先由俄罗斯发明，由于其本身所具有的国防意义，一般小型装置中采用此器件基本是不可能的，而二极管作为常见半导体器件，非常容易购得。本发明中，提出在小型脉冲源中使用快恢复二极管代替SOS使用，这样就极大的降低了脉冲源的生产成本，而脉冲上升沿上几近和SOS相媲美的优越性能，可以极好地满足大部分民用工业使用和科研机构进行科学研究需求。
2、参数可调，易于实现。本发明中，提出两种调节电源参数的方法，使用此方法可以实现不同参数高压脉冲的输出，方便科学研究使用。而且，此两种方法的实现均无技术门槛，非常容易实现。
附图说明
图1是基于快恢复二极管的重复频率纳秒脉冲源拓扑结构。
图中，C0是原边储能电容，PT为可饱和脉变，C1和C2是副边储能电容，MS1为前级磁开关，MS2为后级磁开关，C3是后级储能电容，D-sos是具有SOS效应的快恢复二极管，Rx为电阻负载。
图2是通过串联电感调节上升沿时电源拓扑结构。图中L1为所串联电感。
图3是电源高压脉冲输出波形图。
图4是使用不同反向恢复时间的二极管时的输出波形图。
图5是串联大小不等的电感时的高压脉冲输出波形图。
具体实施方式
本发明涉及一种重复频率纳秒脉冲源技术，下面结合实例对本发明的具体实施方式进行说明。
图3是本发明依照图1中拓扑结构研制脉冲源，输出的高压脉冲波形图。脉冲峰值42.4kV，上升沿9ns，半高宽22ns。
图4是在相同的充电电压条件下，使用反向恢复时间参数不同的二极管，输出的高压脉冲波形图。其中图4(a)、(b)、(c)中所使用二极管的分别命名以型号A、B、C，则相关参数如下表1所示。
表1
型号 反向恢复时间trr 电压峰值Up 上升沿tr
A 50ns 29.6kV 9ns
B 80ns 27.2kV 13ns
C 150ns 22kV 29ns
表1表明，选用不同参数的二极管在相同的充电电压下，随着二极管反向恢复时间的增大，输出电压峰值下降，上升沿变缓。通过调换二极管可以达到脉冲调节的效果，如果需要将脉冲前沿变缓，需要调换反向恢复时间更长的二极管，反之亦然。
图5为在相同的充电电压下使用型号A二极管，而串联不同电感值时，输出的高压脉冲波形图。其中图5(a)、(b)、(c)中所示情况分别命名以La、Lb、Lc，则其相关参数如下表2所示。
表2
型号 串联电感L 电压峰值Up 上升沿tr 半高宽tFWHM
La 10μH 28.4kV 18ns 70ns
Lb 20μH 26kV 34ns 108ns
Lc 40μH 19.2kV 50ns 167ns
表2表明，在相同的充电电压条件下，通过调整串联电感量，可以达到调节脉冲上升沿、半高宽和电压峰值的效果。随着串联电感量值的增大，电压峰值下降，上升沿时间和半高宽时间均变长。为了将脉冲前沿变缓，需要串联更大电感，反之亦然。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种全固态重复频率纳秒脉冲源，其特征在于：包括原边储能电容C0、半导体器件IGBT、可饱和脉变PT、第一副边储能电容C1、第二副边储能电容C2、前级磁开关MS1、后级磁开关MS2、后级储能电容C3、具有SOS效应的快恢复二极管D-sos、电阻负载Rx、串联电感L；通过磁开关和快恢复二极管D-sos的配合，产生陡前沿高压脉冲；调压器输出交流电压通过整流桥整流产生直流高压，以此作为直流电压源，直流电压源通过串联电感L和快恢复二极管D-sos的串联对原边储能电容C0充电；原边储能电容C0在半导体器件IGBT的控制下，通过脉冲变压器将能量传递至第一副边储能电容C1和第二副边储能电容C2，其中第一副边储能电容C1直接并联在可饱和脉变PT副边，第二副边储能电容C2经前后级磁开关串联后并联在可饱和脉变PT副边；后级磁开关MS2与后级储能电容C3串联后与负载电阻和快恢复二极管D-sos并联。
2.如权利要求1所述一种全固态重复频率纳秒脉冲源，其特征在于：直流电源通过电感L1和二极管D1对原边储能电容C0充电。
3.如权利要求1所述一种全固态重复频率纳秒脉冲源，其特征在于：原边储能电容C0通过脉变对电容C1和C2并联充电；能量传递完毕后脉变PT饱和，此时脉变副边相当于小电感，电容C1电压通过饱和脉变副边振荡，当电压翻转时，前级磁开关MS1饱和；此时电容C1和C2串联起来，实现倍压，通过快恢复二极管D-sos对后级储能电容C3充电，此时快恢复二极管D-sos流过正向泵浦电流；充电完毕后，后级磁开关MS2饱和，电容C3通过饱和磁开关MS2对快恢复二极管D-sos上进行反向泵浦；快恢复二极管由于SOS效应，快速截断反向电流，在负载RX上得到陡前沿高压脉冲。
4.如权利要求1所述一种全固态重复频率纳秒脉冲源，其特征在于：选用二极管代替SOS器件，利用二极管本身的SOS效应，就高压脉冲进行陡化。
5.如权利要求1所述一种全固态重复频率纳秒脉冲源，其特征在于：电源中布置3个量值分别为10μH，20μH，40μH的电感元件，通过其不同的串并联组合得到多组不同的电感量值。
6.根据权利要求1所述的重复频率纳秒脉冲源，其特征在于：通过选用反向恢复时间参数不同的二极管来调整输出高压脉冲参数。
7.根据权利要求1所述的重复频率纳秒脉冲源，其特征在于：通过调整电感的量值来调整输出高压脉冲参数。
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