CN103475257A - 高压纳秒脉冲电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压纳秒脉冲电源装置，包括：串联的第一碳化硅NMOS管和第二碳化硅NMOS管，第一碳化硅NMOS管的源极与第二碳化硅NMOS管的漏极相连，第二碳化硅NMOS管的源极接地；直流电压源，其高压端与第一碳化硅NMOS管的漏极相连，低压端接地；储能电容，其一端与直流电压源的高压端相连，另一端接地；变压器，其初级线圈的一端连接至第一碳化硅NMOS管的源极和第二碳化硅NMOS管的漏极之间，另一端接地，其次级线圈的两端构成输出端；第一光电耦合器，其受光器经过第一门驱动器与第一碳化硅NMOS管的门极相连；和第二光电耦合器，其受光器经过第二门驱动器与第二碳化硅NMOS管的门极相连。本发明具有控制灵活、电磁兼容性好、脉冲宽度小、重复频率高等优点。

Description

高压纳秒脉冲电源装置
技术领域
本发明属于脉冲电源领域，具体属于一种高压纳秒脉冲电源装置。
背景技术
高压纳秒脉冲电源具有极其广泛的应用领域，包括污水处理、材料改性、生物医药、光源、气体激光器以及流体控制等领域。其应用的方式主要为，在需要的场合——比如在液体中、固体表面或气体中——产生纳秒脉冲放电，放电会产生大量的活性粒子，可以降解液体中有害物质，改变材料表层的状态，改变分子结构，产生可以发光激发态粒子，同时放电也会改变流体的动力学特征。由于纳秒脉冲放电具有瞬时功率高，电子密度与活性粒子密度高，放电效率高等优势。
现在商业的高压纳秒脉冲电源通常上升时间长（约10ns），脉冲宽度大（约200ns）,容许的最高重复频率低（约10kHz）,且自身损耗大，因此亟需提出新型的电源装置。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出能够高速控制的高压纳秒脉冲电源装置。
根据本发明实施例的高压纳秒脉冲电源装置，包括：串联的第一碳化硅NMOS管和第二碳化硅NMOS管，所述第一碳化硅NMOS管的源极与第二碳化硅NMOS管的漏极相连，所述第二碳化硅NMOS管的源极接地；直流电压源，所述直流电压源的高压端与所述第一碳化硅NMOS管的漏极相连，所述直流电压源的低压端接地；储能电容，所述储能电容的一端与所述直流电压源的所述高压端相连，所述储能电容的另一端接地；变压器，所述变压器的初级线圈的一端连接至所述第一碳化硅NMOS管的源极和第二碳化硅NMOS管的漏极之间，所述变压器的初级线圈的另一端接地，所述变压器的次级线圈的两端构成输出端；第一光电耦合器，所述第一光电耦合器的受光器经过第一门驱动器与所述第一碳化硅NMOS管的门极相连；和第二光电耦合器，所述第二光电耦合器的受光器经过第二门驱动器与所述第二碳化硅NMOS管的门极相连。
另外，根据本发明实施例的高压纳秒脉冲电源装置还具有如下附加技术特征。
在本发明的一个实施例中，所述第一门驱动器和第二门驱动器用于驱动碳化硅NMOS管开关。
在本发明的一个实施例中，所述第一光电耦合器和第二光电耦合器为高压隔离型光电耦合器件。
在本发明的一个实施例中，所述第一碳化硅NMOS管和所述第二碳化硅NMOS管的控制信号时间同步并且延时脉宽可调。
在本发明的一个实施例中，所述直流电压源的电压大于1kV。
在本发明的一个实施例中，所述储能电容的耐受电压大于1kV。
在本发明的一个实施例中，所述变压器为绕制的有磁芯的变压器。
由上可知，本发明的高压纳秒脉冲电源装置，利用光电耦合器进行高压侧的隔离与控制，光电耦合器控制门驱动器，门驱动器驱动碳化硅NMOS管的开关。本发明合理地设计电路板及器件布置，增加屏蔽，减小电磁干扰。当高压侧碳化硅NMOS管关断时，利用低压侧碳化硅NMOS管，强制将输出拉回零电平，从而减小脉冲宽度，提高了重复频率。同时在碳化硅NMOS管后加入带磁芯的变压器，可以提升输出电压。本发明的高压纳秒脉冲电源装置具有控制灵活、电磁兼容性好、脉冲宽度小、重复频率高等优点。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的高压纳秒脉冲电源装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
碳化硅材料是一种新型的半导体材料，相对于传统的硅材料，其电导率高，开关速度快，自身损耗小，可承受的电压、电流大，对于高压纳秒脉冲开关装置，其可以产生更高的上升时间，更窄的脉冲，实现更高的重复频率，减少开关发热量，从而扩散装置的应用范围，同时缩小装置的体积。由于MOS管生产工艺简单，碳化硅材料的MOS管是最先问世的碳化硅固态开关器件。基于此，我们设计了本发明的高压纳秒脉冲电源装置。
如图1所示，根据本发明实施例的高压纳秒脉冲电源装置，可以包括：第一碳化硅NMOS管10A、第二碳化硅NMOS管10B、直流电压源20、储能电容30、变压器40、第一光电耦合器50A、第二光电耦合器50B、第一门驱动器60A和第二门驱动器60B。具体地：第一碳化硅NMOS管10A和第二碳化硅NMOS管10B二者串联。第一碳化硅NMOS管10A的源极S与第二碳化硅NMOS管10B的漏极D相连，第二碳化硅NMOS管10B的源极S接地。直流电压源20的高压端与第一碳化硅NMOS管10A的漏极D相连，直流电压源20的低压端接地。储能电容30的一端与直流电压源20的高压端相连，储能电容30的另一端接地。变压器40的初级线圈的一端连接至第一碳化硅NMOS管10A的源极S和第二碳化硅NMOS管10B的漏极D之间,变压器40的初级线圈的另一端接地。变压器40的次级线圈的两端构成输出端。第一光电耦合器50A的受光器经过第一门驱动器60A与第一碳化硅NMOS管10A的门级G相连。第二光电耦合器50B的受光器经过第二门驱动器60B与第二碳化硅NMOS管10B的门级G相连。
在本发明的一个实施例中，第一门驱动器60A和第二门驱动器60B可以用于驱动碳化硅NMOS管开关。
在本发明的一个实施例中，第一光电耦合器50A和第二光电耦合器50B可以为高压隔离型光电耦合器件。光电耦合器提高了装置的安全性。
在本发明的一个实施例中，第一碳化硅NMOS管10A和第二碳化硅NMOS管10B的控制信号时间同步并且延时和脉宽可调。例如，如图1所示，第一控制信号和第二控制信号可以通过同轴线分别输入第一光电耦合器50A和第二光电耦合器50B的发光源，从而控制第一碳化硅NMOS管10A和第二碳化硅NMOS管10B。第一控制信号与第二控制信号时间同步，并且延时和脉宽可调。
在本发明的一个实施例中，直流电压源20的电压可以大于1kV。
在本发明的一个实施例中，储能电容30的耐受电压可以大于1kV。
在本发明的一个实施例中，变压器40可以为绕制的有磁芯的变压器。
由上可知，本发明的高压纳秒脉冲电源装置，利用光电耦合器进行高压侧的隔离与控制，光电耦合器控制门驱动器，门驱动器驱动碳化硅NMOS管的开关。本发明合理地设计电路板及器件布置，增加屏蔽，减小电磁干扰。当高压侧碳化硅NMOS管关断时，利用低压侧碳化硅NMOS管，强制将输出拉回零电平，从而减小脉冲宽度，提高了重复频率。同时在碳化硅NMOS管后加入带磁芯的变压器，可以提升输出电压。本发明的高压纳秒脉冲电源装置具有控制灵活、电磁兼容性好、脉冲宽度小、重复频率高等优点。
本发明的一个具体实施例的高压纳秒脉冲电源装置实现的技术参数如下：
最大输出电压：2.5kV；
最大输出电流：30A；
上升时间：小于7ns；
脉冲宽度：小于40ns；
重复频率：大于2MHz；
时间稳定性：抖动小于500ps；
纹波：变压器输出纹波小于10%，碳化硅NMOS管输出纹波小于1%；
根据本发明的高压纳秒脉冲电源装置在上升时间、脉冲宽度、重复频率方面具有优异表现，是传统的脉冲电源所不能实现的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种高压纳秒脉冲电源装置，其特征在于，包括：
串联的第一碳化硅NMOS管和第二碳化硅NMOS管，所述第一碳化硅NMOS管的源极与第二碳化硅NMOS管的漏极相连，所述第二碳化硅NMOS管的源极接地；
直流电压源，所述直流电压源的高压端与所述第一碳化硅NMOS管的漏极相连，所述直流电压源的低压端接地；
储能电容，所述储能电容的一端与所述直流电压源的所述高压端相连，所述储能电容的另一端接地；
变压器，所述变压器的初级线圈的一端连接至所述第一碳化硅NMOS管的源极和第二碳化硅NMOS管的漏极之间，所述变压器的初级线圈的另一端接地，所述变压器的次级线圈的两端构成输出端；
第一光电耦合器，所述第一光电耦合器的受光器经过第一门驱动器与所述第一碳化硅NMOS管的门极相连；和
第二光电耦合器，所述第二光电耦合器的受光器经过第二门驱动器与所述第二碳化硅NMOS管的门极相连。
2.如权利要求1所述的高压纳秒脉冲电源装置，其特征在于，所述第一门驱动器和第二门驱动器用于驱动碳化硅NMOS管开关。
3.如权利要求1所述的高压纳秒脉冲电源装置，其特征在于，所述第一光电耦合器和第二光电耦合器为高压隔离型光电耦合器件。
4.如权利要求1所述的高压纳秒脉冲电源装置，其特征在于，所述第一碳化硅NMOS管和所述第二碳化硅NMOS管的控制信号时间同步并且延时脉宽可调。
5.如权利要求1所述的高压纳秒脉冲电源装置，其特征在于，所述直流电压源的电压大于1kV。
6.如权利要求1所述的高压纳秒脉冲电源装置，其特征在于，所述储能电容的耐受电压大于1kV。
7.如权利要求1所述的高压纳秒脉冲电源装置，其特征在于，所述变压器为绕制的有磁芯的变压器。
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