CN103236829A

CN103236829A - 一种方波发生电路

Info

Publication number: CN103236829A
Application number: CN2013101108381A
Authority: CN
Inventors: 季军; 潘建根; 涂辛雅; 杨培芳
Original assignee: HANGZHOU EVERFINE INSTRUMENT CO Ltd
Current assignee: Hangzhou far side Electromagnetic Compatibility Technology Co., Ltd.
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: CN103236829B

Abstract

本发明公开了一种方波发生电路，包括高压直流源、储能电路、半导体开关、充电电阻和用于加载受试设备的脉冲输出端，通过在脉冲输出端上并联充电电阻，合理选择充电电阻的阻值，可大幅缩短半导体开关结电容的充电时间，实现下降沿陡峭的方波脉冲；同时通过控制半导体开关的闭合时间，即可输出脉冲宽度可调且幅值平坦的高能量方波脉冲，可实现从纳秒级至毫秒级的宽范围脉冲调节，具有脉冲调节范围宽、幅值平坦、控制方便，电路可靠等优点。

Description

一种方波发生电路

【技术领域】

本发明属于电磁兼容(EMC)测量领域，具体涉及一种方波发生电路。

【背景技术】

电子设备的抗脉冲能力是评价其性能的重要指标，脉冲电压是一种典型的浪涌脉冲，对该指标的评价通常是用方波发生器产生高压脉冲，加载在受试设备(EUT)的两端，以考察受试设备是否可以正常工作。

现有的高压方波发生电路如图1所示，包括高压直流源、RC储能电路、半导体开关S1、脉冲输出端。为了产生高能量的方波脉冲，要求开关能耐受瞬间数千伏的高压、数百安培的大电流，且开关闭合和断开的响应时间至少要为微秒级，才能保证脉冲方波的上升沿和下降沿陡峭，这种高要求一般只有大功率半导体开关才能满足。但是半导体开关S1中的结电容使其在断开的瞬间，受试设备两端的电压并不会发生突变；储能电容C1经受试设备给半导体开关S1的结电容充电，直至充满，开关S1才能真正关断以产生方波下降沿。方波下降沿的变化速率与结电容的充电速率相同，而结电容的充电速率取决于结电容与受试设备等效电阻RL的乘积大小，乘积越大，结电容的充电时间越长，下降沿越平缓，仅能输出宽脉冲；反之，乘积越小，结电容的充电时间越短，下降沿越陡峭，可输出窄脉冲，即方波的下降沿受受试设备等效电阻RL阻值大小的制约。

一般而言，半导体开关的结电容为nF级，而受试设备的等效电阻R_L可能很大，结电容的充电时间很长，导致方波下降沿下降缓慢，从而只能输出脉冲宽度较大的脉冲。例如，若受试设备等效电阻R_L大于10kΩ，则方波的下降沿将至少大于10μs，受试设备端无法得到1μs或更快速的方波，其输出的脉冲宽度非常大，且幅值不平坦，如图2所示，不能满足某些电子设备需要利用陡峭沿的窄方波进行测试的要求。

因此，现有的技术方案一般仅能实现高能量的宽方波脉冲，而且实现的幅值不平坦；即使存在某些可实现窄方波的技术方案，如公布号为CN101795127A的专利公开了“一种高压方波脉冲发生器及产生高压方波脉冲的方法”，不仅实现方式和装置结构复杂，而且成本高、也不能实现高能量的方波脉冲，方波宽度可调节的范围较窄。

【发明内容】

针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种脉冲宽度可调的快速高能量方波发生电路，该方波发生电路可输出纳秒级至毫秒级的宽范围高能量方波，且具有脉冲调节范围宽、幅值平坦、控制方便，电路可靠等优点。

本发明所述的一种方波发生电路是通过以下技术方案实现的。一种方波发生电路，其特征在于，包括高压直流源、储能电路、半导体开关、充电电阻和用于加载受试设备的脉冲输出端，储能电路包括限流电阻和储能电容；高压直流源、限流电阻和储能电容构成回路，储能电容、半导体开关和加载在脉冲输出端上的受试设备构成回路；所述的充电电阻与脉冲输出端相并联，所述的充电电阻为可变电阻或者固定电阻。

本发明具体的工作步骤如下：

第一步：将受试设备加载到脉冲输出端上，高压直流源通过限流电阻给储能电容充电；与此同时，由于半导体开关存在结电容，高压直流源通过受试设备给半导体开关的结电容充电，充电完毕后，半导体开关结电容两端的电压与储能电容两端的电压相等。需要说明的是，限流电阻的阻值一般都很大，因而由高压直流源、限流电阻和储能电容构成的回路的时间常数较大，因而高压直流源通过限流电阻给储能电容充电，充电时间较长，储能电容充电完毕后，即可将其视为供电电源。

第二步：闭合半导体开关，半导体开关结电容上的电荷被快速释放掉，储能电容两端的高压可直接、瞬态地加载到受试设备的两端上，产生方波陡峭的上升沿，且上升沿的电压幅值等于储能电容两端的电压；通过控制半导体开关的闭合时间，即可实现高压脉冲宽度的控制；

第三步：断开半导体开关，半导体开关中结电容的存在使其在断开的瞬间，受试设备两端的电压并不会发生突变；受试设备和充电电阻相并联后、再与半导体开关结电容相串联组成充电回路，等效于供电电源的储能电容通过受试设备及充电电阻给半导体开关的结电容充电，直至充满，半导体开关才能真正断开，充电时间决定于充电回路的时间常数。充电电阻与受试设备并联后的总电阻小于其任一支路的电阻，合理选择充电电阻的阻值，即可减小充电回路的充电时间，加快结电容的充电速率，产生陡峭的下降沿。例如可将下降沿控制在纳秒(ns)级，可产生纳秒(ns)级或更快速的方波。

本发明通过在脉冲输出端并联充电电阻，通过合理选择充电电阻的阻值，即可调节充电电阻和半导体开关结电容组成的充电回路的时间常数，加快半导体开关结电容的充电速率，从而实现下降沿陡峭的方波脉冲；此外通过同步控制半导体开关的闭合时间，即可输出脉冲宽度可调且幅值平坦的高能量方波脉冲，脉冲宽度可实现从纳秒级至毫秒级的宽范围调节。

本发明的技术方案可通过以下技术方案进一步限定：

作为优选，所述的受试设备、充电电阻与储能电容组成的放电回路的时间常数应大于设定的方波脉冲宽度。在上述的第二步中，即闭合半导体开关后，半导体开关结电容上的电荷被快速释放掉，受试设备和充电电阻相并联后、再与储能电容相串联组成放电回路；输出的脉冲实际上是放电曲线从初始时刻开始、某一时间段的电压，即输出的脉冲是放电曲线从t＝0时刻到某一时间段的一部分。因此，这里的输出脉冲宽度的时间段应小于放电回路的时间常数，即充电电阻与受试设备并联后的总电阻与储能电容的乘积应大于该方波脉冲宽度；在实际应用中，为了确保获得幅值平坦的方波脉冲，通常选择并联总电阻与储能电容的乘积远大于方波脉冲宽度，使得方波脉冲幅值平坦。例如：受试设备、充电电阻并联后的总电阻与储能电容组成的放电回路的时间常数为10ms，而预输出的脉冲宽度为1μs，即可保证输出幅值平坦的方波脉冲。

作为优选，所述的受试设备、充电电阻与半导体开关结电容组成的充电回路的时间常数应小于设定的脉冲下降沿的时间。在上述的第三步中，即断开半导体开关后，由于半导体开关结电容的存在致使其不能立刻断开，需等到结电容充满电后才能断开；受试设备和充电电阻相并联后、再与半导体开关结电容相串联组成充电回路，充电回路给结电容充电，充电的时间决定了脉冲下降沿的陡峭程度，充电时间短、脉冲下降沿陡峭，充电时间长、脉冲下降沿平缓，而充电时间的长短决定于充电回路的时间常数。因此，为了保证方波脉冲的下降沿陡峭，应减小充电回路的时间常数，即充电电阻与受试设备并联后的总电阻与半导体开关结电容的乘积应小于该方波脉冲下降时间。实际应用中，通常选择并联总电阻与半导体开关结电容的乘积远小于方波脉冲下降时间，使得电压快速下降，产生陡峭的下降沿。例如，受试设备、充电电阻并联后的总电阻与半导体开关结电容组成的充电回路的时间常数为20ns，而预输出的脉冲宽度为1μs，即可保证输出下降沿陡峭的方波脉冲。

作为优选，包括与半导体开关串联的辅助限流电阻，所述的辅助限流电阻与储能电容、半导体开关、充电电阻组成回路。这里，辅助限流电阻有两个作用：其一，是为输出回路提供限流作用，防止输出端短路损坏半导体开关；其二，起阻尼作用，因电路中存在寄生电容及电感，可抑制脉冲上升过程中引起的高频振荡。这里的辅助限流电阻也可以为可变电阻。加载上辅助限流电阻后，脉冲输出端的电压应为储能电容两端的电压经辅助限流电阻和受试设备分压后的电压。需要指出的是，辅助限流电阻可以设置在储能电路和半导体开关之间的电路上，或者设置在半导体开关和脉冲输出端之间的电路上，位置设置灵活。

作为一种技术方案，包括辅助充电电阻，所述的辅助充电电阻与脉冲输出端相并联。这里的辅助充电电阻可以用来限定脉冲最长下降沿。例如，若受试设备的等效电阻的阻值较大，充电电阻的调节范围有限，即可选用阻值较小的辅助充电电阻，来使得受试设备、充电电阻和辅助充电电阻的总并联阻值较小，从而保证在上述的第三步中，在断开半导体开关后，充电电路的时间常数较小，实现限定最长脉冲下降沿的目的。

作为优选，包括与充电电阻串联的充电开关，所述的充电开关为功率继电器。充电开关根据脉冲宽度，选择闭合或断开充电电阻，以保证方波宽度纳秒(ns)级或更窄时，下降沿陡峭；方波宽度毫秒级(ms)或更长时，脉冲幅值平坦。

作为优选，上述的半导体开关为响应时间达到纳秒级的单极性大功率半导体放电开关，其闭合时间由纳秒级至数百毫秒级，可产生上升沿、下降沿陡峭，脉冲持续时间由纳秒级至毫秒级宽范围连续可调的方波脉冲，具有工作稳定、使用寿命长和噪音小等特点。

作为优选，所述的半导体开关为绝缘栅双极型晶体管或者电力场效应晶体管。绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT管，IGBT管具有耐高压、容量大、驱动功率小、开关速度快和安全工作区较宽等特点；电力场效应晶体管简称为MOSFET管，具有输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区较宽等特点。其它具有高压耐受性、开关速度快等优点的半导体开关也可以适用。

作为优选，所述的高压直流源为可调单极性高压直流源。高压直流源可调，从而可输出幅值可调的方波脉冲，适用范围广，性价比高。

综上所述，本发明通过在脉冲输出端上并联充电电阻，选择合理的充电电阻阻值，可大幅缩短半导体开关结电容的充电时间，解决下降沿迟缓问题，从而实现下降沿陡峭的方波脉冲；同时通过控制半导体开关的闭合时间，即可输出脉冲宽度可调且幅值平坦的高能量方波脉冲，可实现从纳秒级至毫秒级的宽范围脉冲调节，具有脉冲调节范围宽、幅值平坦、控制方便，电路可靠等优点。

【附图说明】

附图1是现有方波发生电路的示意图；

附图2是现有方波发生电路产生的方波示意图；

附图3是实施例1的示意图；

附图4是实施例1产生的方波示意图；

附图5是实施例2的示意图；

附图6是实施例3的示意图。

1-高压直流源；2-储能电路；2-1-限流电阻；2-2-储能电容；3-半导体开关；4-充电电阻；5-脉冲输出端；6-受试设备；7-充电开关；8-辅助限流电阻；9-辅助充电电阻。

【具体实施方式】

实施例1

如图3所示，本实施例公开了一种方波发生电路，包括高压直流源1、储能电路2、半导体开关3、充电电阻4、脉冲输出端5，储能电路2包括限流电阻2-1和储能电容2-2，受试设备6加载在脉冲输出端5上；高压直流源1、限流电阻2-1和储能电容2-2构成回路，储能电容2-2、半导体开关3和加载在脉冲输出端5上的受试设备6构成回路；充电电阻4与脉冲输出端5相并联，充电电阻4为可变电阻。

该实施例产生的方波脉冲的上升沿和下降沿如图4所示，具体的工作过程如下：

方波上升沿形成过程：断开半导体开关3。高压直流源1通过限流电阻2-1给储能电容2-2充电，当储能电容2-2充满电后，半导体开关3结电容上也充满了电，半导体开关3结电容上的电压与储能电容2-2上的相同；然后闭合半导体开关3，半导体开关3结电容上的电荷被快速释放掉，输出高压脉冲方波上升沿，上升沿的电压幅值等于储能电容两端的电压，从图4中可看出上升沿的电压幅值高达8000～9000V。为了保证方波幅值平坦，合理选择充电电阻4的阻值，要求受试设备6的等效电阻、充电电阻4和储能电容2-2组成的放电回路的时间常数要大于方波输出脉冲宽度。通过控制半导体开关的闭合时间，即可实现高压脉冲宽度的控制；

方波下降沿形成过程：断开半导体开关3，半导体开关3中结电容的存在使其在断开的瞬间，受试设备6两端的电压并不会发生突变，储能电容2-2通过充电电阻4和受试设备6给半导体开关3的结电容充电，直至充满，半导体开关3才能真正关断。为了保证下降沿陡峭，合理选择充电电阻4的阻值，使得受试设备6的等效电阻、充电电阻4、和半导体开关3中结电容组成的充电回路的时间常数远小于方波下降时间，大幅减小充电回路的时间常数，从而大大加快结电容的充电速率，产生陡峭的下降沿。如图4所示，本实施例中的脉冲宽度为1μs，高压脉冲下降沿的下降时间约为0.2μs，下降沿陡峭。

实施例2

如图5所示，与实施例1不同的是，本实施例包括充电开关7和辅助限流电阻8，充电开关7为功率继电器、并与充电电阻4串联；辅助限流电阻8与半导体开关3串联，辅助限流电阻8与储能电容2-2、半导体开关3、充电电阻4组成回路，这里的充电电阻4为固定电阻。

假设储能电容2-2两端的电压为U₀，充电电阻4的阻值为R₄，受试设备6的等效电阻为R₆，辅助限流电阻8的阻值为R₈，则加载在脉冲输出端5的受试设备6两端的电压U₆为：

U_{6} = \frac{R_{4} R_{6}}{R_{8} R_{4} + R_{8} R_{6} + R_{4} R_{6}} * U_{0}

辅助限流电阻8一方面是为输出回路提供限流作用，防止输出端短路损坏半导体开关3，加载上辅助限流电阻8后，脉冲输出端5的电压应为储能电容2-2两端的电压经辅助限流电阻8分压后的电压。此外，辅助限流电阻8还可以起到阻尼作用，因电路中存在寄生电容及电感，可抑制脉冲上升过程中引起的高频振荡。

实施例3

如图6所示，与实施例2不同的是，本实施例中的充电电阻4为可变电阻，而且还包括用来限定脉冲最长下降沿的辅助充电电阻9，辅助充电电阻9与脉冲输出端5相并联。

本实施例中的受试设备6的等效电阻的阻值较大，充电电阻4的调节范围有限，选用阻值较小的辅助充电电阻9，使得受试设备6、充电电阻4和辅助充电电阻9的总并联阻值较小，从而保证半导体开关3结电容、充电电阻4、辅助充电电阻9和受试设备6的等效电阻构成的充电电路，具有较小的时间常数，确定输出脉冲的最长下降沿时间，得到下降沿陡峭的输出脉冲。

Claims

1.一种方波发生电路，其特征在于，包括高压直流源(1)、储能电路(2)、半导体开关(3)、充电电阻(4)和用于加载受试设备(6)的脉冲输出端(5)，储能电路(2)包括限流电阻(2-1)和储能电容(2-2)；高压直流源(1)、限流电阻(2-1)和储能电容(2-2)构成回路，储能电容(2-2)、半导体开关(3)和加载在脉冲输出端(5)上的受试设备(6)构成回路；所述的充电电阻(4)与脉冲输出端(5)相并联，充电电阻(4)为可变电阻或者固定电阻。

2.如权利要求1所述的一种方波发生电路，其特征在于，所述的受试设备(6)、充电电阻(4)与储能电容(2-2)组成的放电回路的时间常数应大于设定的方波脉冲宽度。

3.如权利要求1所述的一种方波发生电路，其特征在于，所述的受试设备(6)、充电电阻(4)与半导体开关(3)结电容组成的充电回路的时间常数应小于设定的脉冲下降沿的时间。

4.如权利要求1所述的一种方波发生电路，其特征在于，包括与半导体开关(3)串联的辅助限流电阻(8)，所述的辅助限流电阻(8)与储能电容(2-2)、半导体开关(3)、充电电阻(4)组成回路。

5.如权利要求4所述的一种方波发生电路，其特征在于，所述的辅助限流电阻(8)可以设置在储能电路(2)和半导体开关(3)之间的电路上，或者设置在半导体开关(3)和脉冲输出端(5)之间的电路上。

6.如权利要求1所述的一种方波发生电路，其特征在于，包括辅助充电电阻(9)，所述的辅助充电电阻(9)与脉冲输出端(5)相并联。

7.如权利要求1所述的一种方波发生电路，其特征在于，包括与充电电阻(4)串联的充电开关(7)，所述的充电开关(7)为功率继电器。

8.如权利要求1所述的一种方波发生电路，其特征在于，所述的半导体开关(3)为响应时间达到纳秒级的单极性大功率半导体放电开关。

9.如权利要求1或8所述的一种方波发生电路，其特征在于，所述的半导体开关(3)为绝缘栅双极型晶体管或者电力场效应晶体管。

10.如权利要求1所述的一种方波发生电路，其特征在于，所述的高压直流源(1)为可调单极性高压直流源。