CN102447213A - 一种高重复率全固态高压脉冲发生器 - Google Patents

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游利兵
余吟山
王庆胜
梁勖
方晓东
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Abstract

本发明公开了一种高重复率全固态高压脉冲发生器，包括直流电源、谐振充电电路、储能电容器、升压脉冲变压器、磁脉冲压缩开关电路，直流电源与滤波电容并联后接入谐振充电电路，谐振充电电路连接储能电容器后再连接在滤波电容两端，升压脉冲变压器的初级线圈两端连接在储能电容器两端，升压脉冲变压器的次级线圈接入磁脉冲压缩开关电路。本发明采用功率半导体开关结合磁脉冲压缩开关的方法产生高压快速脉冲来代替闸流管，用于放电激励气体激光器，能避免闸流管器件带来的缺点，满足准分子激光器高重复率、长寿命运行需求。

Description

一种高重复率全固态高压脉冲发生器
技术领域
    本发明涉及一种高压脉冲发生装置，具体为一种高重复率全固态高压脉冲发生器。
背景技术
    放电激励准分子激光器广泛应用于工业、医疗和科研等领域。放电激励准分子激光器的工作特性决定泵浦系统必须具有较高的功率密度和较短的激励脉冲上升时间。KrF,ArF等准分子激光泵浦峰值功率密度一般在MW/cm3量级，激励脉冲上升时间一般少于150ns。准分子器件一般采用闸流管释放高压储能电容器中的能量来产生快速放电激励。基于闸流管的高压脉冲发生器优点是结构紧凑、主放电回路简单，但其关键部件氢闸流管的寿命有限，典型使用寿命只有约109次脉冲，且闸流管价格昂贵，更换不便。此外，闸流管电路还有回路残余振荡大，需要预热时间，老化后容易误导通等缺点。因此，在半导体光刻、微加工等高重复率激光系统中，这类高压脉冲发生器不能满足使用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高重复率全固态高压脉冲发生器，以解决现有技术准分子激光器采用闸流管产生放电激励，因闸流管寿命短，更换不便，且闸流管电路在工作时回路残余振荡大，需要预热时间，老化后容易误导通等缺陷而影响准分子激光器整体工作性能的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
一种高重复率全固态高压脉冲发生器，包括直流电源、谐振充电电路、储能电容器、升压脉冲变压器、磁脉冲压缩开关电路，所述直流电源与滤波电容并联后接入谐振充电电路，所述谐振充电电路连接储能电容器后再连接在滤波电容两端，所述升压脉冲变压器的初级线圈两端连接在储能电容器两端，所述升压脉冲变压器的次级线圈接入磁脉冲压缩开关电路，其特征在于：所述磁脉冲压缩开关电路包括三个相互并联的电容C2、C3、Cd，所述电容C2、C3、Cd的低电位端接地，所述电容C2与电容C3的高电位端间连接有磁脉冲压缩开关MS1，所述电容C3与电容Cd的高电位端间连接有磁脉冲压缩开关MS2，所述电容C2的高电位端通过二极管D2连接在升压脉冲变压器的次级线圈的一端，所述电容C2的低电位端连接在升压脉冲变压器的次级线圈的另一端，所述电容Cd两端还并联有输出端Ec、Ea。
所述的一种高重复率全固态高压脉冲发生器，其特征在于：所述谐振充电电路由电感L、开关S1、二极管D1依次串联构成，所述谐振充电电路的电感端与直流电源的正极连接，所述谐振充电电路的二极管端通过储能电容器与直流电源的负极连接。
所述的一种高重复率全固态高压脉冲发生器，其特征在于：所述升压脉冲变压器的初级线圈两端通过开关S2与储能电容器两端连接，所述升压脉冲变压器的次级线圈通过接入磁脉冲压缩开关电路。
本发明的有益效果为：
本发明采用功率半导体开关结合磁脉冲压缩开关的方法产生高压快速脉冲来代替闸流管，半导体开关的寿命比闸流管高3个数量级以上，磁脉冲开关在长期高重复率条件下性能无明显下降，因此本发明相比采用闸流管的准分子激光器寿命较长，本发明为全固态高压脉冲发生器，因此回路放电不会产生残余能量振荡，使激光头寿命明显延长。功率半导体开关无需预热，避免了预热等待时间，且功率半导体开关和磁脉冲压缩开关不易老化，不存在闸流管老化产生误导通现象。
附图说明
    图1为本发明的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括直流电源、谐振充电电路、储能电容器、升压脉冲变压器、磁脉冲压缩开关电路，直流电源与滤波电容并联后接入谐振充电电路，谐振充电电路连接储能电容器后再连接在滤波电容两端，升压脉冲变压器的初级线圈两端连接在储能电容器两端，升压脉冲变压器的次级线圈接入磁脉冲压缩开关电路，磁脉冲压缩开关电路包括三个相互并联的电容C2、C3、Cd，电容C2、C3、Cd的高电位端接地，电容C2与电容C3的低电位端间连接有磁脉冲压缩开关MS1，电容C3与电容Cd的低电位端间连接有磁脉冲压缩开关MS2，电容C2的低电位端通过二极管D2连接在升压脉冲变压器的次级线圈的一端，电容C2的高电位端连接在升压脉冲变压器的次级线圈的另一端，电容Cd两端还并联有输出端Ec、Ea。
谐振充电电路由电感L、开关S1、二极管D1依次串联构成，谐振充电电路的电感端与直流电源的正极连接，谐振充电电路的二极管端通过储能电容器与直流电源的负极连接。
升压脉冲变压器的初级线圈两端通过开关S2与储能电容器两端连接，升压脉冲变压器的次级线圈通过接入磁脉冲压缩开关电路。
    直流电源连接滤波电容，通过谐振充电电路对储能电容器进行倍压充电，再通过半导体开关放电形成低压宽脉冲，再经过脉冲变压器进行升压，高压宽脉冲再经过两级磁脉冲压缩开关压缩后形成高压窄脉冲，输出到激光放电电极两端，从而实现对激光光工作气体的放电激励。
    如图1所示，电路中C0=200uF，C1=2.5uF，C2=C3=10nF，Cd=8nF。直流电源输出电压为500-700V，C0为一大容值滤波电容。C0、L、S1、D1、C1串联在一起构成LC谐振倍压充电回路，通过控制S1的断开和闭合，C1可以被充电到最高近1400V。
开关S2导通，储能电容器C1通过脉冲变压器对C2充电。脉冲变压器T是变比为1：16的升压脉冲变压器，其耦合系数较高，漏感很小。由于受开关管能力限制，此能量转移过程一般在数微秒，这里设计为5μs左右。D2是止回二极管。在C2电压逐渐升高过程中，磁脉冲压缩开关MS1处于非饱和状态，可近似认为断路；当C2电压达到最高时，MS1正好饱和，此时MS1近似为一空心小电感，C2快速向C3放电。同理，经过MS2的压缩过程，电容Cd上的电压上升时间达到约100ns，最后电极对工作气体数十纳秒快速放电泵浦产生准分子激光。

Claims (3)

1.一种高重复率全固态高压脉冲发生器，包括直流电源、谐振充电电路、储能电容器、升压脉冲变压器、磁脉冲压缩开关电路，所述直流电源与滤波电容并联后接入谐振充电电路，所述谐振充电电路连接储能电容器后再连接在滤波电容两端，所述升压脉冲变压器的初级线圈两端连接在储能电容器两端，所述升压脉冲变压器的次级线圈接入磁脉冲压缩开关电路，其特征在于：所述磁脉冲压缩开关电路包括三个相互并联的电容C2、C3、Cd，所述电容C2、C3、Cd的高电位端接地，所述电容C2与电容C3的低电位端间连接有磁脉冲压缩开关MS1，所述电容C3与电容Cd的低电位端间连接有磁脉冲压缩开关MS2，所述电容C2的低电位端通过二极管D2连接在升压脉冲变压器的次级线圈的一端，所述电容C2的高电位端连接在升压脉冲变压器的次级线圈的另一端，所述电容Cd两端还并联有输出端Ec、Ea。
2.根据权利要求1所述的一种高重复率全固态高压脉冲发生器，其特征在于：所述谐振充电电路由电感L、开关S1、二极管D1依次串联构成，所述谐振充电电路的电感端与直流电源的正极连接，所述谐振充电电路的二极管端通过储能电容器与直流电源的负极连接。
3.根据权利要求1所述的一种高重复率全固态高压脉冲发生器，其特征在于：所述升压脉冲变压器的初级线圈两端通过开关S2与储能电容器两端连接，所述升压脉冲变压器的次级线圈通过接入磁脉冲压缩开关电路。
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