CN103166613B - 一种低延时分散磁开关压缩脉冲电源复位电路 - Google Patents
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本发明公开了一种磁开关压缩脉冲电源复位电路，它包括两级磁开关复位电路，一级磁开关复位电路包括依次串联并构成回路的第一耦合线圈、直流偏置电流源、第一电感和第二耦合线圈，第一耦合线圈绕组用于在一级磁开关的环形磁芯上；第二耦合线圈绕组用于绕制在变压器的环形磁芯上；二级磁开关复位电路包括依次串联并构成回路的第三耦合线圈、第二电感和第四耦合线圈，第三耦合线圈绕组用于在可饱和变压器的环形磁芯上，第四耦合线圈绕组用于在二级磁开关的环形磁芯上。本发明解决现有准分子激光电源中磁压缩开关电路中的复位电路设计复杂的问题，利用在高压部分提供的一种无源复位电路，可以获得低延时分散性的高压脉冲输出。
Description
技术领域
本发明属于脉冲电源技术，具体涉及一种低延时分散磁开关压缩脉冲电源复位电路。
背景技术
高重复频率的脉冲气体激光器自从激光诞生以来就得到了很快的发展。脉冲气体激光器通过放电激励的方式使工作气体获得均匀的辉光放电，并通过谐振腔的选模得到受激放大激光输出。激光脉冲电源的放电特性对激光器的工作性能有很大影响，而在KrF、ArF等准分子激光的工作介质上能级寿命仅为10-8s量级，只有短脉冲快速放电才能形成粒子数反转，产生激光输出，在准分子激光器中一般采用激励脉冲上升时间少于150ns的放电泵浦来获得放电激励。
磁开关脉冲压缩是常用来获得高电压窄脉冲的技术，如图1所示为一种基于新型磁开关复位电路的脉冲电源(专利申请号201210493440.6)，主要由IGBT开关管1、开关管驱动电路2、第一电容3、电感4、一级磁开关5、可饱和脉冲变压器6、第二电容7、直流偏置电流源8、第三电容9、二级磁开关10、高压硅堆11、第四电容12和第五电容13构成。其中IGBT开关管、第一电容3、电感4、第二电容7依次串联构成储能及脉冲形成电路。第三电容9、第四电容12、二级磁开关10以及第五电容13依次串联构成二级磁开关10压缩电路，当第五电容13电压达到最大值时，可饱和脉冲变压器6饱和，此时可饱和脉冲变压器6的次级绕组电感量急剧下降，导致第五电容13的电压快速倒向，当第五电容13电压达到反向峰值时，第三电容13的电压可以达到两倍于第五电容15的电压峰值，在此过程中高压硅堆11的作用相当于止回二极管。该高压达到峰值时二级磁开关10导通，在第四电容14两端形成一个快速放电电压。采用磁开关脉冲压缩技术，一般需要在磁开关压缩电路设置直流偏置电流源，实现调节磁开关的饱和导通时间，控制调节初级储能电路能量转移效率、以及脉冲宽度等功能。调节直流偏置电流源8输出的电流大小可以控制一级磁开关5和脉冲变压器的饱和时间，从而有效地提高能量转移效率，使输出电压的峰值尽可能高，并且可提高延时控制的准确度，减小延时抖动的分散性。上述脉冲电源未在二级磁开关10两端增加复位电路，而是利用可饱和脉冲变压器6与二级磁开关10两端充放电方向相反，使可饱和脉冲变压器6及二级磁开关10在重复脉冲下自动复位，避免饱和。但采用上述方法仍然可能造成较大的延时抖动，因此需要在二级磁开关10两端增加复位电路来获得更低延时分散性的高压脉冲。美国Cymer公司WilliamN.Partlo等人(U.S.Patent5936988)在2000年在其提供的两级磁开关压缩电路中均采用了复位直流偏置电路，但是由于在二级磁开关的复位偏置电路耦合了上万伏的高压，普通元器件的抗高压能力不够，使得复位偏置电路设计非常复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低延时分散磁开关压缩脉冲电源复位电路，解决现有准分子激光电源中磁压缩开关电路中的复位电路设计复杂的问题，利用在高压部分提供的一种无源复位电路，可以获得低延时分散性的高压脉冲输出。
本发明提供的一种磁开关压缩脉冲电源复位电路，其特征在于，它包括两级磁开关复位电路，其中，一级磁开关复位电路包括依次串联并构成回路的第一耦合线圈、直流偏置电流源、第一电感和第二耦合线圈，第一耦合线圈绕组用于在一级磁开关的环形磁芯上；第二耦合线圈绕组用于绕制在变压器的环形磁芯上；
二级磁开关复位电路包括依次串联并构成回路的第三耦合线圈、第二电感和第四耦合线圈，第三耦合线圈绕组用于在可饱和变压器的环形磁芯上，第四耦合线圈绕组用于在二级磁开关的环形磁芯上。
本发明采用在一级磁开关压缩电路耦合直流偏置电流源，通过调节直流偏置电流源电流的大小，可以调节一级磁开关的饱和导通时间，调节初级储能电路能量转移效率、脉冲宽度以及脉冲延时，抑制了磁开关磁芯饱和过程的不稳定以及脉冲延时不易控制的困难；在经过可饱和脉冲变压器上升到上万伏的二级磁开关压缩电路部分中，采用无源的自复位电路，能实现高脉冲电压的低延时分散特性和较高的耐压承受能力；特别适用于要求精准延时控制的光刻用双腔准分子激光器。
附图说明
图1是磁压缩脉冲电源的结构示意图。
图2是磁开关有复位电路的磁压缩脉冲电源结构示意图。
图3是未加复位电路时输出的电压脉冲波形分散性情况。
图4是加复位电路后输出的电压脉冲波形分散性情况。
具体实施方式
本发明提供的一种低延时分散磁开关压缩脉冲电源的复位电路中，一级磁开关的复位电路通过在磁开关环形磁芯和脉冲变压器的环形磁芯上分别绕制线圈，再连接电感构成。该复位电路可显著减小一级磁开关饱和过程不稳定而导致输出高压脉冲的延时抖动；并且在该复位电路中可设置直流偏置电流源以提供复位电流，通过调节复位电流的大小来控制一级磁开关的饱和时间，从而有效地提高能量转移效率，或者对脉冲延时进行控制；二级磁开关复位电路通过在二级磁开关的环形磁芯和脉冲变压器的环性磁芯上分别绕制线圈，再连接电感构成。二级磁开关复位电路的耦合介入，进一步降低了延时分散性。并且该复位电路是一种被动复位电路，无需外加复位电路，可避免高压隔离的困难。由于充电过程是一种慢速过程，第一级磁开关和第二级磁开关复位电路的耦合接入，使得第一磁开关、脉冲变压器和第二磁开关构成了相互耦合的变压器，大幅度改善了磁开关和脉冲变压器的复位，使得延时抖动得到显著的降低。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图2所示，本发明实例提供的低延时分散磁开关压缩脉冲电源复位电路包括两级磁开关复位电路，其中，一级磁开关复位电路主要由第一耦合线圈14，直流偏置电流源15，第一电感16和第二耦合线圈17构成；二级磁开关复位电路主要由第三耦合线圈18，第二电感19和第四耦合线圈20构成。
在一级磁开关复位电路中，第一耦合线圈14，直流偏置电流源15，电感16和第二耦合线圈17依次串联并构成回路。第一耦合线圈14绕组在一级磁开关5的环形磁芯上，绕组匝数优选为1匝；第二耦合线圈17绕组绕制在变压器的环形磁芯上，绕组匝数优选为2匝；电感16为空心电感，电感大小优选为60μH；第一耦合线圈14和第二耦合线圈17的绕组均采用高强度多股缩醛漆包圆铜导线绕制；所述的直流偏置电流源8输出端能够承受电压不小于一千伏，输出直流电流在0～10A可调，通过电流调整来控制脉冲延时。
在二级磁开关复位电路中，第三耦合线圈18、第二电感19和第四耦合线圈20依次串联并构成回路，第三耦合线圈18绕组在可饱和变压器6的环形磁芯上，绕组匝数优选为1匝；第四耦合线圈20绕组在二级磁开关10的环形磁芯上，绕组匝数优选为1匝；电感19为空心电感，电感大小优选为50μH；第四耦合线圈20和第三耦合线圈18的绕组均采用高强度多股缩醛漆包圆铜导线绕制。
实验中利用示波器的分段采集功能，连续记录100组第四电容12两端输出的高压脉冲波形，并对脉冲延时的抖动性做分散性分析。图3给出了未加复位电路时的高压脉冲峰值的延时分布。统计分析表明，输出脉冲电压峰值延时时间的平均值约为162000ns、标准差σ为340ns，按高斯分布的3σ原则，高压脉冲峰值的延时时间分布在162000±1020ns的范围内，这说明最终在脉冲电源输出端得到的脉冲电压波形延时抖动很大。图4给出了加复位电路之后的高电压脉冲峰值的延时分布。在耦合复位电路后，高压脉冲的延时抖动范围为16952.4±29.7ns，抖动范围比未耦合复位电路时压窄30倍以上。实验发现，通过采取在第一级磁开关复位电路上加入复位电流和优化充电电压，延时抖动范围被进一步压窄，延时抖动的标准差σ可达到5ns以下。
综上所述，本发明提供的一种低延时分散磁开关压缩脉冲电源的复位电路，可以控制磁开关饱和的时间及减小磁芯饱和过程的不稳定，调节初级储能电路能量转移效率和脉冲宽度，实现高脉冲电压的低延时分散性和脉冲延时控制。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种磁开关压缩脉冲电源复位电路，其特征在于，它为无源的自复位电路，具体包括两级磁开关复位电路，其中，一级磁开关复位电路包括依次串联并构成回路的第一耦合线圈（14）、直流偏置电流源（15）、第一电感（16）和第二耦合线圈（17），第一耦合线圈（14）绕组用于在一级磁开关（5）的环形磁芯上；第二耦合线圈（17）绕组用于绕制在可饱和变压器（6）的环形磁芯上；所述直流偏置电流源（15）用于提供复位电流，通过调节复位电流的大小来控制一级磁开关（5）的饱和时间，从而提高能量转移效率，或者对脉冲延时进行控制；
二级磁开关复位电路包括依次串联并构成回路的第三耦合线圈（18）、第二电感（19）和第四耦合线圈（20），第三耦合线圈（18）绕组用于在可饱和变压器（6）的环形磁芯上，第四耦合线圈（20）绕组用于在二级磁开关（10）的环形磁芯上；该二级磁开关复位电路的耦合介入，进一步降低了延时分散性。
2.根据权利要求1所述的磁开关压缩脉冲电源复位电路，其特征在于，第一电感（16）和第二电感（19）均为空心电感。
3.根据权利要求1所述的磁开关压缩脉冲电源复位电路，其特征在于，所述第一电感（16）的电感值为60μH，第二电感（19）的电感值为50μH。
4.根据权利要求1所述的磁开关压缩脉冲电源复位电路，其特征在于，第一耦合线圈（14）绕组匝数为1匝，第二耦合线圈（17）绕组匝数为2匝。
5.根据权利要求1所述的磁开关压缩脉冲电源复位电路，其特征在于，第三耦合线圈（18）和第四耦合线圈（20）绕组匝数均为1匝。
6.根据权利要求1至5中任一所述的磁开关压缩脉冲电源复位电路，其特征在于，第一耦合线圈（14）、第二耦合线圈（17）、第三耦合线圈（18）和第四耦合线圈（20）均采用缩醛漆包圆铜导线绕制。
7.根据权利要求1至5中任一所述的磁开关压缩脉冲电源复位电路，其特征在于，所述直流偏置电流源（15）输出端能够承受电压大于等于一千伏，输出直流电流在0～10A可调，通过电流调整来控制脉冲延时。
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