CN103825578B - 一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置，包括信号转换电路、隔离与驱动电路、充放电开关电路、滤波整形保护电路以及散热系统。本发明利用两路小信号脉冲波，通过隔离与驱动保护电路，分别控制两路已接入正负直流高压电源的固态开关，使两路开关实现交替的开关效果，开关两端通过滤波整形保护电路，同时作用于负载端，从而实现整个容阻性负载高速充放电的过程。由于充放电回路的应用，使得容性负载的电荷储存问题得到有效的解决，并且提高了整个电路的工作频率，使得系统重复频率高，转换速率快，电路结构简单，实用性强，便于生产与完善，且尤其适用于容量较高的容性负载。

Description

一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置

技术领域

本发明属于脉冲发生技术领域，具体涉及一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置。

背景技术

高压高频脉冲信号在压电材料的驱动，光电晶体的调制，光电管、光谱仪、微机电、纳米科技工程等方面都有广泛的应用。在高重复频率高压脉冲源的研制上，有很多技术困难。国外在这一领域的研究已经进行了多年，且取得了实质性的突破和很多实用性的成果。国内在高压脉冲领域的研究主要集中在高功率强电流等用于理论物理方面的脉冲电源，对于在生化、离子检测、光电调制等领域需要的小功率的高频高压电源很少提及，有的也只局限在介质放电等方面的研究。对于小功率的高频高压电源，特别是应用于特定场合涉及容性负载的高频高压电源的研究，国内依然是一段空白，而国外的美国DEI/IXYS公司一直从事该领域的研究，有许多突破性的成果，但产品价格昂贵，且重复频率有限。

常规的对于阻性负载的高频高压电路常使用单开关电路，直流高电压输入开关后，利用小信号控制开关，最终输出高频高压的脉冲信号。对于容性负载，由于负载的电荷存储效应，单开关电路在开关打开时，可以实现负载的充电效果，但单开关在关闭时由于放电回路的缺失，容性负载上的电荷将持续储存在两个电极直接，使整个电路不能实现完整的充放电功能，从而使输出波形不为正常脉冲波。通常在容性负载两端并联一个大功率电阻形成放电回路，但这种方法会影响充电效果，且电路达不到高的充放电重复频率。由此可见，对于容性负载的高速驱动，同时需要充电与放电两条回路。为了控制充放电的有效性，需要合理的控制系统充放电的时间，以防止充放电同时进行，造成短时间的短路现象，损坏电路。在此基础上需要进一步解决高压脉冲引起的技术难题。

2004年中国科学院光电技术研究所的凡木文提出了一种适合容性负载的高压大功率放大器，该高压放大器在驱动等效电容为60nF的压电陶瓷时,单端到地输出电压为-600～+600V，电压增益42dB，大信号带宽800Hz，小信号带宽7kHz，充放电电流可达200mA，静态电流可达1.4mA。该放大器的带宽较窄，重复频率较低，且充放电电流限定的较小。

2008年中北大学的陈天志在标题为“2000V高压250KHz高频非对称脉冲电源设计”的论文中提出了一种开关式的脉冲电源，其根据高场非对称波形离子迁移谱技术对高频高压非对称脉冲波形的要求，提出并设计了一种新颖的采用功率MOSFET管为关键器件的高频高压非对称方波脉冲电源。该电路方法新颖，带宽有所提升。但该电路在容性负载的研究方面还有所欠缺，且重复频率较低，仍有待提高。

2012年复旦大学的吴晓震在标题为“纳秒脉冲驱动等离子体显示平板提高光效研究”一文中，提出了运用快脉冲技术自行设计纳秒脉冲驱动源实现正负300伏双极纳秒脉冲驱动PDP工作在单子场维持期的方法，单子场内，输出峰值电流40安培，脉宽最小值为350ns，带载PDP上升沿最小值120ns。该设计电路输出端采用全桥高速MOSFET开关，适用于容量较小的容性负载。但对于较大容量的容性负载问题的解决没有提及，且上升下降时间较慢，重复频率也有待提高，不适用于高速的适用场合；除此之外，整个电源实用性也有待提高。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出了一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置，重复频率高，转换速率快，电路结构简单，实用性强，且尤其适用于容量较高的容性负载。

一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置，包括：

信号转换电路，用于将外部设备提供的一路脉冲信号转换为两路互补且在整个宽频带内具有相对死区时间的脉冲开关信号；

充放电开关电路，由充电回路和放电回路组成，且受两路脉冲开关信号作用，将外部设备提供的正负极两路直流高压分别转换为正脉冲电压和负脉冲电压；

滤波整形保护电路，用于对所述的正脉冲电压和负脉冲电压进行整形后输出一路高压脉冲并加载至负载上，以对上级充放电开关电路实现保护。

优选地，所述的信号转换电路的任一输出端依次连接有光电隔离电路和驱动保护电路；所述的光电隔离电路用于对脉冲开关信号进行隔离，所述的驱动保护电路用于对经隔离的脉冲开关信号进行功率放大后输出给充放电开关电路。采用光电隔离既不影响传输的带宽，又可实现高速的方波传输隔离；驱动保护电路在实现放大作用的前提下且能够降低输出阻抗。

优选地，所述的信号转换电路包括六个与非门G1～G6和两个反相器K1～K2；其中，与非门G1的第一输入端与反相器K1的输入端、与非门G3的第一输入端、与非门G5的输出端和与非门G6的第一输入端相连；与非门G1的第二输入端与与非门G2的输出端和与非门G4的第一输入端相连；与非门G1的输出端与与非门G2的第一输入端相连；与非门G2的第二输入端与反相器K2的输入端、与非门G4的第二输入端和与非门G6的输出端相连；与非门G3的输出端与与非门G5的第一输入端相连；与非门G3的第二输入端与与非门G4的输出端和与非门G6的第二输入端相连；与非门G5的第二输入端与与非门G6的第三输入端相连且接收外部设备提供的脉冲信号；两个反相器K1～K2的输出端分别输出两路互补且在整个宽频带内具有相对死区时间的脉冲开关信号。该电路结构设计只要保证整个电路之间的门电路器件能有效地及时反转，且延迟时间较小，输出端则能输出稳定的波形，不会出现由于竞争现象引起的毛刺现象。

优选地，所述的充放电开关电路由两个高压NMOS管构成；两个高压NMOS管的栅极分别接收两路脉冲开关信号；其中一个高压NMOS管的漏极接收外部设备提供的正极直流高压，源极作为充放电开关电路的一个输出端且输出正脉冲电压，从而组成充电回路；另一个高压NMOS管的漏极接收外部设备提供的负极直流高压，源极作为充放电开关电路的另一个输出端且输出负脉冲电压，从而组成放电回路。充放电两路开关电路分别采用不同的供电系统，以达到固态开关的功能；充放电开关电路的两个输出端分别接入滤波整形保护电路的两个输入端。考虑到PMOS管的选择性较少，且综合了成本与可行性，创新的利用了容性负载重放电电流的方向性，采用两路NMOS搭载而成为类似半桥式的充放电电路，并且两路NMOS采用不同的供电系统，使的该电路真正实现固态开关的效果。

优选地，所述的滤波整形保护电路包括两侧输入铜排、四个滤波电阻和四块联接铜片；两侧输入铜排分别与充放电开关电路的两个输出端相连且对应接收正负脉冲电压，其中两个滤波电阻的一端与一侧输入铜排相连，另外两个滤波电阻的一端与另一侧输入铜排相连，四个滤波电阻的另一端分别与四块联接铜片相连，四块联接铜片相互共连后通过同轴电缆输出高压脉冲。该电路结构设计能够对输出信号进行滤波，消除高频过冲干扰的同时，转移了上级充放电电路的固有功耗，对上级电路进行了保护，保证了输出端直接接入容性负载的可行性。

优选地，所述的脉冲发生装置还包括有防串扰自保护的供电系统，其由四路单独的线性供电子系统构成；其中第一路子系统单独为信号转换电路供电，第二路子系统为充电回路及其对应连接的光电隔离电路和驱动保护电路供电，第三路子系统为放电回路及其对应连接的光电隔离电路和驱动保护电路供电，第四路子系统为滤波整形保护电路以及提供正负极两路直流高压的外部设备供电；第一路和第四路子系统的地相同，第二路和第三路子系统的地分别悬空且与其他两路子系统隔离。能够起到各自模块间隔离保护的作用，是解决高压脉冲干扰的关键。

优选地，所述的滤波整形保护电路上设有散热系统，该散热系统包括有散热板，所述的滤波电阻紧贴散热板，所述的输入铜排和联接铜片与散热板悬空相隔。该散热系统能够增加装置的散热效果，同时也保证了整个高压大功率部分电路的工作稳定性。

优选地，所述的高压NMOS管的漏极连接有滤波电路，其由一电感和两个电容组成；其中，电感的一端与高压NMOS管的漏极相连，电感的另一端与两个电容的一端相连，两个电容的另一端接地。该滤波电路能够有效地对外部设备输入的直流高压进行滤波整形。

本发明中外部的TTL信号发生器输出一定占空比的脉冲波后，输入到信号转换电路中，通过信号转换电路将一路脉冲信号转换为两路二分频的具有相对死区间隔的脉冲小信号，此两路小信号通过光电隔离电路输出后，作用于驱动保护电路进行功率放大，进而分别控制两路NMOS开关搭载而成的充放电电路，实现两路固态开关的功能；两路的NMOS开关端分别输入高压直流正电源与高压直流负电源，实现了对容性负载的高压正负充放电功能，产生了适用于容阻性负载的较好波形的正负脉冲波；该脉冲波经过一定的保护和滤波处理，最终作用于容阻性负载。

故本发明利用两路小信号脉冲波，通过隔离与驱动保护电路，分别控制两路已接入正负直流高压电源的固态开关，使两路开关实现交替的开关效果，开关两端通过保护和滤波电路，同时作用于负载端，从而实现整个容阻性负载充放电的过程。由于充放电回路的应用，使得容性负载的电荷储存问题得到有效的解决，并且提高了整个电路的工作频率。

因此，本发明相对现有技术具有以下有益技术效果：

（1）实现了高电压脉冲波的稳定输出，不仅适用于一般的阻性负载，同样适用于几百pF容量的容性负载；

（2）实现了宽频带的高压脉冲波形输出，输出重复频率：100HZ～5MHz，输出幅度+350v～-350v（正负相加不超过400v）；

（3）实现了高转换速率的脉冲输出，上升下降沿可<15ns；

（4）充分体现了实用性的价值，实现了高压脉冲幅度可调，脉冲宽度可调的功能，且接口方便，工作稳定；

（5）设计合理，内部分为各自的功能模块，且模块之间互联都有相应的接口，整体方便测试，完善与改进；

（6）电路结构设计简单明了，实用性强，便于生产和完善。

附图说明

图1为本发明高频高压简易脉冲发生装置的结构示意图。

图2为由两路NMOS管搭载而成的充放电开关电路的示意图。

图3为信号转换电路的结构示意图。

图4为信号转换电路中各路脉冲信号的时序图。

图5为滤波整形保护电路及其散热结构的示意图。

图6为本发明装置机箱的正面面板示意图。

图7为本发明装置机箱的背面面板示意图。

图8为本发明内部供电系统的示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示，一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置，包括机箱，机箱内安装有信号转换电路、充放电开关电路、滤波整形保护电路、散热系统和供电系统；其中：

信号转换电路用于将外部设备提供的一路脉冲信号转换为两路互补且在整个宽频带内具有相对死区时间的脉冲开关信号；本实施方式中，信号转换电路包括六个与非门G1～G6和两个反相器K1～K2，如图3所示，与非门G1的第一输入端与反相器K1的输入端、与非门G3的第一输入端、与非门G5的输出端和与非门G6的第一输入端相连；与非门G1的第二输入端与与非门G2的输出端和与非门G4的第一输入端相连；与非门G1的输出端与与非门G2的第一输入端相连；与非门G2的第二输入端与反相器K2的输入端、与非门G4的第二输入端和与非门G6的输出端相连；与非门G3的输出端与与非门G5的第一输入端相连；与非门G3的第二输入端与与非门G4的输出端和与非门G6的第二输入端相连；与非门G5的第二输入端与与非门G6的第三输入端相连且接收外部设备提供的脉冲信号；两个反相器K1～K2的输出端分别输出两路互补且在整个宽频带内具有相对死区时间的脉冲开关信号。

G1～G6一共6个门电路构成了一个双相时钟的脉冲发生器，能将一路脉冲信号转换为两路时钟脉冲。每当输入一个时钟脉冲Vin，由G1和G3组成的RS触发器翻转一次并通过G3和G4将输出级与非门G5和G6交替选通，使整个电路在两种状态之间跳变，两个状态的依次跳变能使输出端得到宽度等于单时钟正向脉冲的二分频的交叉负双相时钟信号Vout1和Vout2，只要保证整个电路之间的门电路器件能有效地及时反转，且延迟时间较小，输出端则能输出稳定的波形，不会出现由于竞争现象引起的毛刺现象。两路脉冲信号各经过一个反相器，则可以输出两路具有相对死区时间的互补的脉冲信号Vout3与Vout4。

通过调节输入信号的脉冲宽度，则可以相应的调节输出的两路信号的脉冲宽度。输出脉冲的频率为输入信号的一半，两互补脉冲信号的死区时间保持为输入脉冲时钟周期的一半。不同的输出时钟，会有不同的死区时间，因此保证了两路互补的脉冲信号之间死区时间随输入信号的相对变化，有效地保证了对后级充放电电路的保护作用。整个电路的信号时序图如图4所示，两路输出信号之间的交叉部分则为两者的死区时间。

信号转换电路的两个输出端依次连接有光电隔离电路和驱动保护电路；光电隔离电路用于对脉冲开关信号进行隔离，驱动保护电路用于对经隔离的脉冲开关信号进行功率放大后输出给充放电开关电路。本实施方式中光电隔离电路采用东芝公司的高速图腾式光耦实现，经滤波和保护处理，最前后信号之间的电路进行隔离，隔离后产生的信号经测试可以达到15MHz的脉冲信号输出；驱动保护电路采用主驱动芯片，IXYS公司的MOS管驱动，添加外围的保护和滤波电路，实现5V到15V的脉冲转换和驱动能力的提高。

充放电开关电路由充电回路和放电回路组成，其受两路脉冲开关信号作用，将外部设备提供的正负极两路直流高压分别转换为正脉冲电压和负脉冲电压；如图2所示，本实施方式中充放电开关电路由两个高压NMOS管构成；两个NMOS管同样采用IXYS公司的高压高速的NMOS开关；两个高压NMOS管的栅极分别接收经驱动保护电路功率放大后的两路脉冲开关信号，上端的高压NMOS管的漏极接收外部高压直流正电源提供的正极直流高压，源极作为充放电开关电路的一个输出端输出正脉冲电压，组成充电回路；下端的高压NMOS管的源极接收外部高压直流负电源提供的负极直流高压，漏极作为充放电开关电路的另一个输出端输出负脉冲电压，组成放电回路；上下两路开关电路分别采用不同的供电系统，以达到固态开关的功能；充放电电路的两个输出端分别接入滤波整形与保护电路的两个输入端。两个高压NMOS管的漏极均连接有滤波电路，其由一电感和两个电容组成；其中，电感的一端与高压NMOS管的漏极相连，电感的另一端与两个电容的一端相连，两个电容的另一端接地。

图2中两路NMOS管搭载而成的类似半桥式的充放电回路。上方的NMOS管Q1与高压直流正电源连接，当MOS管打开时，正电源经过滤波电路后，通过此回路对负载进行充电，上半部分整体构成了充电回路。下方的NMOS管Q2与高压直流负电源连接，当MOS管打开时，负载经过此回路放电，电流由此回路流向经过滤波电路后的负电源，整个回路构成了负载的放电电路。两路类似半桥式的回路构成了负载的充放电回路。而两路NMOS开关分别采用两路供电系统，真正实现了固态开关的功能。

滤波整形保护电路用于对正脉冲电压和负脉冲电压进行整形后输出一路高压脉冲并加载至负载上，以对上级充放电开关电路实现保护。如图5所示，本实施方式中，滤波整形保护电路包括两侧输入铜排、四个滤波电阻和四块联接铜片；两侧输入铜排分别与充放电开关电路的两个输出端相连且对应接收正负脉冲电压，其中两个滤波电阻的一端与一侧输入铜排相连，另外两个滤波电阻的一端与另一侧输入铜排相连，四个滤波电阻的另一端分别与四块联接铜片相连，四块联接铜片相互共连后通过同轴电缆输出高压脉冲。滤波整形保护电路设于散热系统的散热板上，滤波电阻紧贴散热板，输入铜排和联接铜片与散热板悬空相隔。

滤波整形保护电路固定在设计的散热系统上，通过特定的结构设计减小了充放电电路的输出电容，且增加了电路的散热面积。在对输出信号进行滤波，消除高频过冲的同时，转移了上级充放电电路的固有功耗，对上级电路进行了保护，保证了输出端直接接入容性负载的可行性。通过该电路与结构的设计，使整个电路的工作稳定且各电路得到了充分的保护，是整个电路的关键组成。该滤波整形保护电路通过两个紫铜片输入，输入口与上级充放电电路的两个输出口相连，输出端通过中间空洞用同轴电缆线连接引出，增强了与其他电路连接的方便性。整个散热结构与机箱即高压电源的地相连，固定在机箱上，进一步增加了散热效果，同时也保证了整个产品的工作稳定性。

图6为本实施方式装置机箱的正面面板，左侧BNC接头为高压脉冲输出，右侧BNC接头为TTL脉冲小信号输入。下方的红色和两个黑色JS-910B接头为高压DC正负电源输入，中间为大地输入，其余的为电源开关和指示灯。图7为机箱的背面面板，左下侧为220V市电电源接头。装置需要市电供电，以及外部高压直流正负电源接入，输入TTL脉冲小信号时，输出高压高频脉冲，适用与容性与阻性负载，重复频率高。整个装置的实现，采用不同的供电系统，已达到隔离和保护的功能，供电系统采用变压器隔离且采用线性稳压电源进行电源的稳定输出，避免了DC-DC电源的开关电源干扰。

图8为装置内部的供电系统，整个供电系统由相互隔离的四路供电子系统构成，起到各自模块间隔离保护的作用，是解决高压脉冲干扰的关键。其中信号转换电路采用一路单独的供电子系统，结合光电隔离电路于后级电路进行了充分的隔离；两路隔离与驱动保护电路分别与充电与放电两路开关电路分别采用另两路供电子系统，隔离保护的同时，充分实现单独控制的固态开关的功能；外部的高压直流正负电源与滤波整形保护电路共同采用最后一路供电子系统，与前级驱动保护电路和充放电电路进行隔离。基于产品机箱的制作信号转换电路的地与外部提供的高压直流正负电源的地相连，共同连至机箱外壳，其余两路供电系统的地分别悬空与其他供电子系统进行隔离。

Claims (8)

1.一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置，其特征在于，包括：

信号转换电路，用于将外部设备提供的一路脉冲信号转换为两路互补且在整个宽频带内具有相对死区时间的脉冲开关信号；

充放电开关电路，由充电回路和放电回路组成，且受两路脉冲开关信号作用，将外部设备提供的正负极两路直流高压分别转换为正脉冲电压和负脉冲电压；

滤波整形保护电路，用于对所述的正脉冲电压和负脉冲电压进行整形后输出一路高压脉冲并加载至负载上，以对上级充放电开关电路实现保护。

2.根据权利要求1所述的高压简易脉冲发生装置，其特征在于：所述的信号转换电路的任一输出端依次连接有光电隔离电路和驱动保护电路；所述的光电隔离电路用于对脉冲开关信号进行隔离，所述的驱动保护电路用于对经隔离的脉冲开关信号进行功率放大后输出给充放电开关电路。

3.根据权利要求1所述的高压简易脉冲发生装置，其特征在于：所述的信号转换电路包括六个与非门G1～G6和两个反相器K1～K2；其中，与非门G1的第一输入端与反相器K1的输入端、与非门G3的第一输入端、与非门G5的输出端和与非门G6的第一输入端相连；与非门G1的第二输入端与与非门G2的输出端和与非门G4的第一输入端相连；与非门G1的输出端与与非门G2的第一输入端相连；与非门G2的第二输入端与反相器K2的输入端、与非门G4的第二输入端和与非门G6的输出端相连；与非门G3的输出端与与非门G5的第一输入端相连；与非门G3的第二输入端与与非门G4的输出端和与非门G6的第二输入端相连；与非门G5的第二输入端与与非门G6的第三输入端相连且接收外部设备提供的脉冲信号；两个反相器K1～K2的输出端分别输出两路互补且在整个宽频带内具有相对死区时间的脉冲开关信号。

4.根据权利要求1所述的高压简易脉冲发生装置，其特征在于：所述的充放电开关电路由两个高压NMOS管构成；两个高压NMOS管的栅极分别接收两路脉冲开关信号；其中一个高压NMOS管的漏极接收外部设备提供的正极直流高压，源极作为充放电开关电路的一个输出端接地且输出正脉冲电压，从而组成充电回路；另一个高压NMOS管的源极接地并接收外部设备提供的负极直流高压，漏极作为充放电开关电路的另一个输出端且输出负脉冲电压，从而组成放电回路。

5.根据权利要求1所述的高压简易脉冲发生装置，其特征在于：所述的滤波整形保护电路包括两侧输入铜排、四个滤波电阻和四块联接铜片；两侧输入铜排分别与充放电开关电路的两个输出端相连且对应接收正负脉冲电压，其中两个滤波电阻的一端与一侧输入铜排相连，另外两个滤波电阻的一端与另一侧输入铜排相连，四个滤波电阻的另一端分别与四块联接铜片相连，四块联接铜片相互共连后通过同轴电缆输出高压脉冲。

6.根据权利要求2所述的高压简易脉冲发生装置，其特征在于：还包括有防串扰自保护的供电系统，其由四路单独的线性供电子系统构成；其中第一路子系统单独为信号转换电路供电，第二路子系统为充电回路及其对应连接的光电隔离电路和驱动保护电路供电，第三路子系统为放电回路及其对应连接的光电隔离电路和驱动保护电路供电，第四路子系统为滤波整形保护电路以及提供正负极两路直流高压的外部设备供电；第一路和第四路子系统的地相同，第二路和第三路子系统的地分别悬空且与其他两路子系统隔离。

7.根据权利要求5所述的高压简易脉冲发生装置，其特征在于：所述的滤波整形保护电路上设有散热系统，该散热系统包括有散热板，所述的滤波电阻紧贴散热板，所述的输入铜排和联接铜片与散热板悬空相隔。

8.根据权利要求4所述的高压简易脉冲发生装置，其特征在于：所述的高压NMOS管的漏极连接有滤波电路，滤波电路由一电感和两个电容组成；其中，电感的一端与高压NMOS管的漏极相连，电感的另一端与两个电容的一端相连，两个电容的另一端接地。