CN106105033B - 高压纳秒脉冲发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳秒脉冲发生器，所述纳秒脉冲发生器可包括多个开关模块、变压器和输出端。多个开关模块中的每一个可包括一个或多个固态开关。所述变压器可包括：铁芯；至少一个初级绕组，所述至少一个初级绕组缠绕在所述铁芯的至少一部分上，所述多个开关模块中的每一个可与所述初级绕组耦接；以及多个次级绕组，所述多个次级绕组至少部分地缠绕在所述铁芯的一部分上。所述输出端可输出具有大于约1千伏的峰值电压并具有小于约1000纳秒的脉冲宽度的电脉冲。所述输出端可输出具有大于约5千伏的峰值电压、大于约100千瓦的峰值功率、在10纳秒与1000纳秒之间的脉冲宽度、小于约50纳秒的上升时间或它们的一些组合的电脉冲。

Description

高压纳秒脉冲发生器
技术领域
本公开整体涉及一种高压纳秒脉冲发生器。
发明内容
本发明公开了一种纳秒脉冲发生器，该纳秒脉冲发生器可包括多个开关模块、变压器和输出端。多个开关模块中的每一个可包括一个或多个固态开关。变压器可包括：铁芯；多个初级绕组，这些初级绕组至少部分缠绕在该铁芯的一部分上，多个开关模块中的每一个可与这些初级绕组的子集耦接；以及多个次级绕组，这些次级绕组至少部分缠绕在该铁芯的一部分上。
在一些实施例中，输出端可输出具有大于约1千伏的峰值电压并且具有小于约1000纳秒(或小于约500纳秒)的脉冲宽度的电脉冲。输出端可输出具有大于约5千伏的峰值电压、大于约100千瓦的峰值功率、在10纳秒与1000纳秒之间(例如，小于500纳秒)的脉冲宽度、小于约50纳秒的上升时间或它们的一些组合的电脉冲。
在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可包括一个或多个固态开关，该一个或多个固态开关选自由IGBT、FET、SiC结型晶体管和MOSFET组成的群。
在一些实施例中，多个开关模块中的每一个包括缓冲二极管。在一些实施例中，多个开关模块中的每一个包括在每个脉冲周期内能量未耗尽的快电容器。
在一些实施例中，纳秒脉冲发生器具有低漏电感值和低漏电容值。例如，该变压器具有小于100nH的漏电感。又如，多个开关模块中的每一个具有小于100nH的漏电感。在一些实施例中，纳秒脉冲发生器内的漏电感小于约100nH。在一些实施例中，纳秒脉冲发生器内的漏电容小于约100pF。
在一些实施例中，该变压器铁芯可具有环形形状。在一些实施例中，次级绕组包括缠绕铁芯多次的单条导线。在一些实施例中，初级绕组可包括并联或串联布置的多个不同绕组。
本发明公开了一种纳秒脉冲发生器，该纳秒脉冲发生器包括电路板、变压器和多个固态开关。在一些实施例中，该变压器可包括：设置在电路板上的铁芯；多个初级绕组，这些初级绕组缠绕在该铁芯的至少一部分上；以及多个次级绕组，这些次级绕组缠绕在该铁芯上。在一些实施例中，多个固态开关可在电路板上围绕该变压器径向地设置。在一些实施例中，多个固态开关中的每一个可与该变压器的至少一个初级绕组耦接。
在一些实施例中，电路板可包括多个狭槽，该次级绕组的至少一部分穿过这些狭槽而缠绕在铁芯上，其中这些狭槽的至少一个子集围绕该铁芯轴向设置。在一些实施例中，次级绕组可包括缠绕铁芯多次的单条导线，而初级绕组包括多个不同绕组。
在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可包括设置在电路板上的多个电容器，其中该多个电容器中的每一个设置在该电路板上，介于铁芯与多个固态开关的至少一个之间。
提到这些示例性实施例并非是为了限制或限定本公开，而是为了提供有助于理解本公开的示例。在具体实施方式中讨论了另外的实施例，并且还提供了进一步的描述。各实施例中的一个或多个所提供的优点可通过查阅本说明书或通过实践所提出的一个或多个实施例来进一步理解。
附图说明
结合附图阅读以下具体实施方式，将更好地理解本公开的这些以及其他特征、方面和优点。
图1示出根据本文所述的一些实施例的纳秒脉冲发生器的示例性电路图。
图2示出根据本文所述的一些实施例的纳秒脉冲发生器的示例性电路图。
图3示出根据本文所述的一些实施例的采用半桥配置的纳秒脉冲发生器的示例性电路图。
图4示出根据本文所述的一些实施例的采用全桥配置的纳秒脉冲发生器的示例性电路图。
图5示出根据本文所述的一些实施例的具有截尾器的纳秒脉冲发生器的示例性电路图。
图6示出根据本文所述的一些实施例的轴向布置电路的纳秒脉冲发生器。
图7示出根据本文所述的一些实施例的轴向布置电路的纳秒脉冲发生器。
图8为根据本文所述的一些实施例的示例性开关模块的电路图。
图9示出根据本文所述的一些实施例的轴向布置的纳秒脉冲发生器。
具体实施方式
本发明公开了利用具有高峰值电压、高峰值功率、短脉冲宽度、高脉冲重复频率、可变峰值电压、可变峰值功率、可变脉冲宽度、可变脉冲重复频率或它们的一些组合的输出脉冲提供纳秒脉冲化的系统和方法。例如，峰值脉冲电压可大于5千伏，峰值脉冲功率可大于100千瓦，并且脉冲宽度可小于1000纳秒(例如，小于500纳秒)。此外，纳秒脉冲发生器所产生的脉冲宽度可基于输入脉冲而变化，并且可从10纳秒变化为1000纳秒。又如，具有高峰值电压(例如，大于5千伏)和/或高峰值功率(例如，大于100千瓦)的输出脉冲可以小于50纳秒的上升时间进行切换。在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)电路(或任何其他固态开关)。多个IGBT电路中的每一个可对变压器的初级绕组提供纳秒级切换。该变压器处的这些IGBT电路的组合可产生在变压器的次级绕组处以快上升时间切换的具有高峰值功率和/或高峰值电压的输出脉冲。
图1示出根据本文所述的一些实施例的纳秒脉冲发生器100的示例性电路图。纳秒脉冲发生器100可包括一个或多个开关模块105，该一个或多个开关模块可包括开关106、缓冲电阻器137、缓冲电容器135、缓冲二极管125或它们的一些组合。在一些实施例中，缓冲电容器135和缓冲二极管125可彼此串联布置，并一起与开关106并联布置。例如，缓冲电阻器137可与缓冲二极管125并联布置。
开关106可包括可切换高压的任何固态切换器件，例如固态开关、IGBT、FET、MOSFET、SiC结型晶体管或类似器件。开关106可包括集电极107和发射极108。各种其他部件可连同开关106一起包括于开关模块105中。并联、串联或它们的某种组合形式的多个开关模块105可与变压器模块115耦接。
开关模块105可与可用于储能的快电容器110耦接或可包括快电容器110。在一些实施例中，不止一个开关模块105可与单个快电容器110耦接。在一些实施例中，快电容器可为储能电容器。快电容器110可具有约1μF、约5μF、介于约1μF与约5μF之间、介于约100nF与约1000nF之间等的电容值。
在开关106的切换期间，快电容器110中的能量可放电至变压器116的初级绕组。此外，在一些实施例中，在每个切换周期中，快电容器110内的能量可基本不耗尽，这可允许更高的脉冲重复频率。例如，在一个切换周期中，可消耗快电容器110内存储的能量的5％-50％。又如，在一个切换周期中，可消耗快电容器110内存储的能量的10％-40％。又如，在一个切换周期中，可消耗快电容器110内存储的能量的1％-5％。
在一些实施例中，开关模块105可包括图8中的开关模块805中所示的任何或所有的部件。
开关模块105和快电容器110可与变压器模块115耦接。例如，变压器模块115可包括变压器116、电容器、电感器、电阻器、其他器件或它们的一些组合。变压器116可包括环形铁芯，其中多个初级绕组和多个次级绕组缠绕在该铁芯上。在一些实施例中，初级绕组数量可多于次级绕组数量。次级绕组可与负载120或输出端耦接，该输出端可被配置成与负载120耦接。
变压器模块115可包括漏电容和/或漏电感。漏电容器185表示变压器初级到次级漏电容。漏电容器190表示变压器次级漏电容。电感器155表示变压器的初级漏电感，而电感器160表示变压器的次级漏电感。
在一些实施例中，变压器116可包括环形铁芯，该环形铁芯由空气、铁、铁氧体、软铁氧体、MnZn、NiZn、硬铁氧体、粉末、镍铁合金、非晶态金属、玻璃态金属或它们的一些组合构成。在一些实施例中，可使用一个或多个铁芯。
在一些实施例中，变压器初级到次级漏电容和/或变压器次级漏电容可低于约1pF、低于约100pF、约10pF、约20pF等。在一些实施例中，次级漏电容与初级漏电容的总和可小于约10pF、50pF、75pF、100pF、125pF、135pF等。
在一些实施例中，变压器的次级漏电感和/或变压器的初级漏电感可具有例如小于1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、介于约1nH与1000nH之间、小于约100nH、小于约500nH等的电感值。
在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可被设计成具有低漏电容。例如，纳秒脉冲发生器内的所有漏电容的总和可低于500pF。这可包括变压器模块漏电容、开关模块漏电容、其他漏电容或它们的一些组合。
变压器116的初级绕组可包括多个单绕组(参见例如图6)。例如，初级绕组中的每一个可包括缠绕在环形铁芯的至少大部分上并端接于该铁芯的任一侧上的单条导线。又如，初级绕组的一端可端接于开关106的集电极107，而初级绕组的另一端可端接于快电容器110。可根据应用来使用任何数量的串联或并联的初级绕组。例如，约1个、2个、5个、8个、10个、20个、40个、50个、100个、116个、200个、250个、300个等或更多个绕组可用于初级绕组。
在一些实施例中，单个初级绕组可与单个开关模块105耦接。在一些实施例中，可包括多个开关模块，并且所述多个开关模块中的每一个可与多个初级绕组中的一个耦接。多个绕组可并联布置在变压器铁芯周围。在一些实施例中，此布置可用于减小纳秒脉冲发生器100中的漏电感。
次级绕组(参见例如图7)可包括缠绕铁芯任意次数的导线。例如，次级绕组可包括5个、10个、20个、30个、40个、50个、100个等的绕组。在一些实施例中，次级绕组可缠绕在变压器铁芯上，并穿过电路板的部分来缠绕。例如，该铁芯可定位在电路板上，其中该电路板中的多个狭槽围绕铁芯的外侧轴向布置，并且该电路板中的内部狭槽定位在环形铁芯的中心处。次级绕组可缠绕在环形铁芯上，并穿过狭槽以及内部狭槽来缠绕。次级绕组可包括高压导线。
图2示出根据本文所述的一些实施例的纳秒脉冲发生器200的另一个示例性电路图。纳秒脉冲发生器200可包括开关模块205、变压器模块215、负载120、输入端以及各种漏电感和/或漏电容。
在一些实施例中，开关模块205可与图1所示开关模块105和/或图8所示开关模块805相同、类似，或可包括来自这些开关模块中的部件。在一些实施例中，变压器模块215可与图1所示变压器模块115相同、类似，或可包括来自该变压器模块中的部件。
在一些实施例中，开关模块205可包括开关106，该开关106包括集电极107和发射极108。开关模块205可包括与开关106并联设置的续流二极管130。开关可包括由开关漏电感器145表示的一些漏电感。缓冲电路可与开关106和/或开关漏电感器145并联设置。缓冲电路可包括与缓冲二极管125并联的缓冲电阻器137、缓冲电容器135和由缓冲漏电感器150表示的缓冲漏电感。
在一些实施例中，续流二极管130可与电感负载结合用于确保存储在电感器中的能量能够在开关106断开后通过使电流保持沿相同方向流过电感器而耗散，并且能量耗散于该电路的电阻元件之中。如果未使用续流二极管130与电感负载的结合，那么这通常会引起开关上的较大反向电压。
开关模块205可与变压器模块215耦接。例如，变压器模块215可包括变压器116、变压器电容器、电感器、电阻器、其他器件或它们的一些组合。变压器116可包括环形铁芯，其中初级绕组和次级绕组缠绕在该铁芯上。例如，初级绕组数量可多于次级绕组数量。次级绕组可与负载120或输出端耦接，该输出端可被配置成与负载120耦接。
在一些实施例中，变压器116可包括环形铁芯，该环形铁芯由空气、铁、铁氧体、软铁氧体、MnZn、NiZn、硬铁氧体、粉末、镍铁合金、非晶态金属、玻璃态金属或它们的一些组合构成。
变压器116的初级绕组可包括多个单绕组(参见例如图6)。例如，初级绕组中的每一个可包括缠绕在环形铁芯的至少大部分上并端接于该铁芯的任一侧上的单条导线。又如，初级绕组的一端可端接于开关106的集电极107，而初级绕组的另一端可端接于开关106的发射极108。可根据应用来使用任何数量的初级绕组。例如，约10个、20个、40个、50个、100个、116个、200个、250个、300个等或更多个绕组可用于初级绕组。单个初级绕组可包括这些单绕组中的每一个。
次级绕组(参见例如图7)可包括缠绕铁芯任意次数的导线。例如，次级绕组可包括5个、10个、20个、30个、40个、50个、100个等的绕组。在一些实施例中，次级绕组可缠绕在铁氧体铁芯上，并穿过电路板的部分来缠绕。例如，铁氧体铁芯可定位在电路板上，其中该电路板中的多个狭槽围绕铁氧体铁芯的外侧以圆形图案布置，并且该电路板中的内部狭槽定位在环形铁芯的中心处。次级绕组可缠绕在环形铁芯上，并穿过狭槽以及内部狭槽来缠绕。次级绕组可包括高压导线。在一些实施例中，铁芯可具有以下任何形状：环形、矩形、方形、圆形等。
变压器模块215可包括各种漏电感和漏电容。变压器次级漏电感由电感器160和/或电感器161表示。变压器初级漏电感由电感器155和/或电感器156表示。在一些实施例中，变压器的次级漏电感(单独地或组合地)和/或变压器的初级漏电感(单独地或组合地)可具有例如1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、50nH、100nH等或介于约1nH与100nH之间的电感值。在一些实施例中，变压器的初级漏电感可单独地或与次级漏电感组合而具有例如1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、50nH、100nH等或介于约1nH与100nH之间的电感值。
漏电容器190表示次级绕组中的漏电容。次级绕组中的漏电容可低于约1pF、低于约100pF、约10pF、约20pF等。初级到次级漏电容由漏电容器185和/或漏电容器186表示。初级到次级漏电容(单独地或组合地)可低于约1pF、低于约100pF、约10pF、约20pF等。
纳秒脉冲发生器200还可包括快电容器110，该快电容器110设置在电路中，介于输入端的一个端子与变压器模块215的一个输入端之间。该纳秒脉冲发生器电路还可包括由开关漏电感器140表示的快电容器漏电感。快电容器漏电感可具有例如小于1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、50nH、100nH等或介于约1nH与100nH之间的电感值。
纳秒脉冲发生器200还可包括由电感器175表示的快电容器到变压器的漏电感。例如，快电容器到变压器的漏电感可具有例如小于1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、50nH、100nH等或介于约1nH与100nH之间的电感值。
纳秒脉冲发生器200可包括介于开关模块205与快电容器110之间的漏电感170，在一些实施例中，该漏电感170可具有例如小于1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、50nH、100nH等或介于约1nH与100nH之间的电感值。纳秒脉冲发生器200可包括介于开关模块205与变压器模块215之间的漏电感。例如，开关模块205与变压器模块215之间的漏电感180可具有例如小于1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、50nH、100nH等或介于约1nH与100nH之间的电感值。
图3示出根据本文所述的一些实施例的采用半桥配置的纳秒脉冲发生器300的示例性电路图。纳秒脉冲发生器300包括两个开关模块205A和205B，这两个开关模块与变压器模块215的同一个输入端耦接。每个开关模块205A和/或205B可包括相同或类似的漏电感。开关模块205A可与快电容器110A相关联，而开关模块205B可与快电容器110B相关联。此外，在一些实施例中，每个开关模块205A和/或205B可包括具有类似或相同值的类似或相同的部件。在一些实施例中，半桥配置可允许正输出脉冲和负输出脉冲两者。
开关模块205A和/或开关模块205B可单独地或组合地包括漏电感，该漏电感可具有例如小于1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、介于约1nH与100nH之间、小于约100nH、小于约500nH等的电感值。
图4示出根据本文所述的一些实施例的采用全桥配置的纳秒脉冲发生器400的示例性电路图。纳秒脉冲发生器400包括四个开关模块205A、205B、205C和205D。如图所示，四个开关模块中的两个205A和205C与变压器模块215的一个输入端耦接，而另外两个开关模块205B和205D与变压器模块215中的另一个输入端耦接。
介于开关模块之间的漏电感由电感器170A、170B、170C和170D表示。该漏电感(单独地或组合地)可具有例如小于1nH、2nH、2nH、5nH、10nH、20nH、50nH、100nH等或介于约1nH与100nH之间的电感值。
图5示出根据本文所述的一些实施例的具有截尾器模块605的纳秒脉冲发生器500的示例性电路图。截尾器模块605可用于例如从变压器模块215和/或相关联的负载电容吸收残余能量。该截尾器模块还可用于例如在预定时间段后终止脉冲。在一些实施例中，截尾器模块605可与开关模块105类似或相同。
在一些实施例中，本文所述任何纳秒脉冲发生器均可包括电容器关联电感器(capacitor near inductor)175和/或电容器关联电感器176。
图6和图7示出根据一些实施例的纳秒脉冲发生器600的轴向布置的电路图。在图6中，变压器116被示出为具有缠绕在铁芯上的初级绕组610。在图7中，变压器116被示出为具有缠绕在铁芯上的初级绕组610和次级绕组615。在一些实施例中，可将多个开关106围绕位于变压器116中心的轴线对称布置在电路板605上。变压器116包括具有多个初级绕组610和多个次级绕组615的铁芯。在一些实施例中，次级绕组615的数量可以少于初级绕组610的数量。
围绕该变压器对称布置的部件可提供多个益处，例如减少脉冲上升时间。
在一些实施例中，缓冲电阻器137和/或缓冲二极管125可放置在每个开关的集电极与变压器的初级绕组610之间。缓冲二极管125可用于对切换中的任何过压进行缓冲。大电容器和/或快电容器110可耦接在每个开关106的发射极侧上。续流二极管130也可与开关106的发射极侧耦接。还可包括未示出于附图中的各种其他部件。
在一些实施例中，多个开关106中的每一个可被布置成用于将电压切换到围绕铁芯的单个初级绕组610。例如，多个开关106中的每一个可切换约10-500伏的输入电压、小于约1200伏的电压或小于约1500伏的电压与约20-200安的电流，这与变压器结合可切换输出脉冲的高于5千伏的峰值电压与输出脉冲的大于100千瓦的峰值功率。在一些实施例中，输入电流可大于或远远大于1000安。
图6和图7示出围绕铁芯布置的64个开关106。将开关106和/或其他部件围绕铁芯对称布置可使每个开关模块或电路的迹线长度等同或接近于等同，这可最小化每个电路和/或整个电路中的漏电感。
在一些实施例中，可将多个电路板605堆叠在一起，并且可将次级绕组围绕两个板的铁芯一起缠绕，以便增大脉冲的峰值电压和/或峰值功率。这种布置还可限制漏电感和漏电容。
在一些实施例中，可将V+和V-之间的输入电压施加到本文所述任何纳秒脉冲发生器，例如纳秒脉冲发生器100、纳秒脉冲发生器200、纳秒脉冲发生器300、纳秒脉冲发生器400和纳秒脉冲发生器500。输入电压可例如为约10-500伏的电压、小于约1200伏的电压或小于约1500伏的电压。输入电压可为直流电压。可将输入脉冲信号施加到开关106，从而致使开关以与输入脉冲宽度、输入脉冲重复频率或它们的一些组合成比例的持续时间来断开和接通开关106。输入脉冲宽度例如可介于1ns与1000ns之间。输入脉冲重复频率例如可大于10kHz或大于100kHz或大于1MHz。当开关106被断开或接通时，快电容器110可相应地部分地充电或部分地放电。当开关106接通时，来自快电容器110的能量可通过变压器部分地放电，从而在负载120两端产生输出脉冲。
输出脉冲例如可具有与输入电压成比例的峰值电压和/或大于约1千伏的峰值电压。输出脉冲例如可与输入脉冲宽度成比例(或与输入脉冲宽度相当)，或者输出脉冲例如可具有与输入脉冲重复频率成比例(或与输入脉冲重复频率相当)的重复频率。在一些实施例中，输入电压、输入脉冲宽度和输入脉冲重复频率中的一者或多者的变化可导致输出脉冲峰值电压、输出脉冲宽度和输出重复频率中的仅对应者的变化。
在一些实施例中，通过纳秒脉冲发生器的切换环路的电感的总和可小于约100nH。例如，切换环路可包括具有图2所示以下部件的环路：快电容器110、开关漏电感器140、电容器电感器175(电感器176)、电感器155、变压器116的初级绕组、电感器156、电感器180、开关106和电感器170。各种其他部件也可被包括在所列部件中或从所列部件中去除，并仍包括切换环路。
在一些实施例中，电容器电感器175可具有小于约50nH的电感。在一些实施例中，电容器电感器176可具有小于约50nH的电感。在一些实施例中，电容器电感器155可具有小于约50nH的电感。在一些实施例中，电容器电感器156可具有小于约50nH的电感。在一些实施例中，电容器电感器180可具有小于约50nH的电感。在一些实施例中，电容器电感器170可具有小于约50nH的电感。
在一些实施例中，在纳秒脉冲发生器的一些或所有部分中的低电感可提供多个益处。一些益处可包括例如，低电感可允许具有高重复频率的高压脉冲。另一益处可包括例如，低电感可允许具有短脉冲宽度的高压脉冲。另一益处可包括例如，低电感可允许具有快上升时间的高压脉冲。
图8为根据本文所述的至少一个实施例的开关模块805的电路图。开关模块805包括开关106以及被布置用于确保快速和/或更有效的切换的多个部件。开关模块805示出位置、组合、值和/或配置可变化的多个元件。实际上，一些元件可被替换或去除。其他元件表示该电路模块和/或电路部件的固有特性，诸如迹线电阻和/或部件电感。表示固有特性的元件不一定是实际物理部件。相反，示出这些元件仅出于讨论目的和/或用于描述此类特性有可能存在。
将接收器802耦接到外部输入端，并且接收输入切换信号。当接收器802与5伏电源耦接时，可使用在任何电压或功率电平下工作的任何类型的接收器。接收器802可以多种方式与环境隔离和/或与其余电路隔离。例如，接收器802可为允许每个开关模块805相对于其他开关模块或其他电路浮动的光纤接收器。单独模块接地可例如使用隔离变压器彼此隔离。开关模块805的电隔离可允许多个开关模块805布置成串联配置，用于高压切换。光纤接收器还可用于减小开关噪声。
前置驱动器804和栅极驱动器806可与每个开关模块805耦接，并且可向开关106提供大于10安的较大电流脉冲和大于2安的恒向电流。这些驱动器可为设计用于与FET、MOSFET、IGBT和SiC结型晶体管或者其他固态开关一起使用的任何高速、高电流驱动器。例如，这些驱动器可为IXYS公司所制造的任何低侧超高速驱动器(例如，IXYS#IXDN430或IXYS#IXDN630)。
前置驱动器804可与接收器802的输出端电耦接并且前置驱动器804的输出端可与一个或多个栅极驱动器806电耦接，从而构成双驱动器配置。在所示配置中，这些驱动器与35伏电源耦接，虽然任何电源都将可用。此外，这些驱动器可不与同一电源耦接。虽然示出的是光纤接收器802、前置驱动器804和栅极驱动器806，但是也可使用各种其他接收器和驱动器的组合，例如与单个驱动器耦接的单个接收器。在一些配置中，前置驱动器804和接收器802可包括在与开关模块805分开的接收器电路模块800上。在其他配置中，这些器件可位于与开关106以及其他部件相同的电路模块上。
栅极驱动器806的输出端与开关106的栅极832电耦接。开关106可包括在有效开关912内的内发射极电感(Le)815。电阻808和/或电感810示出该栅极的内电阻和/或电感并且不一定是附加部件，但是各自也可使用附加部件。即，栅极驱动器806的输出端可使用电路迹线和/或附加的一个或多个部件与开关106的栅极832直接耦接。典型开关106(例如IGBT)包括在栅极驱动器806与栅极832之间需要栅极电阻器的技术规范。因此，去掉这样的电阻器与典型开关技术规范相背离。
电阻808可为栅极处的有效内电阻。此电阻可包括栅极驱动器806与开关106之间的迹线的电阻和/或开关106的栅极内的任何内电阻。电阻器808可具有小于2Ω、1Ω、500mΩ、100mΩ、50mΩ、10mΩ或1mΩ的电阻。为实现这些低电阻水平，栅极驱动器806的输出端和开关106的栅极832可具有非常短的物理迹线长度。该距离可例如小于1cm、500mm、100mm、50mm、10mm或1mm。
电感810可表示栅极的内电感。此电感可包括栅极驱动器806与开关106之间的迹线的电感和/或开关106的栅极内的任何内电感。电感810可为或可不为附加部件。电感810可具有例如小于1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、50nH、100nH等或介于约1nH与100nH之间的电感。为实现这些低电感水平，电路模块上连接栅极驱动器806的输出端与开关106的迹线可具有宽迹线宽度。例如，此宽度可大于1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm。
开关106可包括集电极107和发射极108。发射极108与10伏偏置电压耦接。在其他实施例中，发射极108可耦接到其他偏置电压，包括接地。
电流旁路电路816可跨发射极108和集电极107电耦接。此旁路可包括由旁路电感820表示的一些电路电感。电流旁路电路816可被设计为使电流容易地旁通到开关106。电容器828可包括在发射极108与栅极驱动器806之间。
缓冲器818同样可包括在集电极107与发射极108之间。缓冲器818可包括附加部件和/或连接。此外，缓冲器818在集电极107和/或发射极108处可包括或可不包括连接。缓冲器818可包括本领域已知的任何类型的缓冲电路。例如，缓冲器818可包括二极管缓冲器、RF缓冲器、固态缓冲器或这些器件的组合。例如，缓冲器818可包括与并联配置的二极管和电阻器串联的电容器。缓冲器818还可包括缓冲电感822，其无论是作为缓冲器818的部分还是作为缓冲电路内的电感皆可。缓冲器818可用于抑制与集电极107和发射极108连接的电路的电压瞬变以及/或者从漏电路电感吸收能量以防止在开关106处发生过压。电流旁路电路816和缓冲器818可包括在单个电路中。
开关模块805还可包括并联的快电容器826和慢电容器824。这些电容器可具有由快电容器电感821和慢电容器电感823表示的固有电感。在一些实施例中，这些电感可由实际的电感器产生。在其他实施例中，这些电感可为电路和/或电容器824和826内的电感。快电容器826和/或慢电容器824可位于开关模块805的外部，并且/或者可横跨多个开关模块805，而且可不连接至每个开关模块805。
快电容器826可与主储能电容器(例如，慢电容器824)并联。快电容器826可仅存储所需总能量的小部分，这可允许该快电容器更小，并且/或者被放置得比主储能电容器更靠近开关106。如此，快电容器826与开关106之间的漏电感可最小化。快电容器826可吸收其本身与主储能电容器之间的漏电感中存储的能量，这可减小在切换期间耗散于开关106中的能量。
一些实施例可允许快速开关栅极充电。例如，开关106的栅极832可在小于制造商指定的10％至90％电流上升时间(tr)的时间(tvg)内达到制造商指定的满栅极至发射极电压(例如，VGE>20伏)。另外，一些实施例可允许通过在小于制造商指定的10％至80％电流上升时间(tr)的时间内将来自制造商指定的通态电压的VGE减小到小于或等于零，实现快速开关放电。这些上升时间可根据所使用的开关而变化。对于一些已知开关而言，此电流上升时间例如可小于50ns、40ns、30ns、20ns或10ns。也可使用其他上升时间。去除栅极电阻器是产生较快上升时间的一种设计考虑。这可允许足够大的峰值电流流向栅极，以便比指定情况更快地为该栅极充电。该栅极可具有一些固有电路或迹线电阻，例如小于约2Ω的量级的电阻。开关制造商通常建议和/或要求将5Ω作为最小栅极电阻。因此，一些实施例可使用比制造商推荐的栅极电阻小得多的栅极电阻。一些实施例可将驱动器与栅极耦接，而无电阻器介于两者之间。
将栅极驱动器(例如，栅极驱动器806)与单个分立开关一起使用是可实现较快上升时间的另一设计考虑。即，多个开关中的每一个可与单个栅极驱动器耦接。通常，多个分立开关106或包括多个开关的单个开关电路模块与单个驱动器耦接。仅与单个分立开关耦接的栅极驱动器可产生将单个开关栅极电容快速充电到制造商指定的通态电压电平所需的电流。(例如，Ig>10A)。
此外，还可使用开关与驱动器的各种组合。例如，可将单个开关与多个驱动器耦接。又如，多个驱动器和多个开关可耦接在一起。可使用任何数量的组合。
将开关栅极电感(例如，电感810)减小到极低值是可实现较快上升时间(例如，Lg<10nH)的另一设计考虑。栅极电感可具有从驱动器输出端到开关栅极的高阻抗。栅极电感的值越低，栅极就可越快充电至满电压。本公开中描述了用于产生低栅极电感的各种技术。
一些实施例可允许在开关接通时间期间减小集电极至发射极电流(ICE)。在一些实施例中，通过处于接通状态的开关的电流上升时间(tr)可比使集电极至发射极电压(VCE)从其值的90％下降到10％所耗费的时间(tf)更长。即，开关上的电压在器件开始载送任何显著电流前可经历从高到低的变化。这可使器件在切换过程期间更快并耗散掉更少能量。
为在接通期间实现电流减小，可需要最小电路电感来有效扼制电流上升时间。此最小电路电感可单独地或组合地包括以下任何电感：开关内发射极电感(Le)815、漏电感836、电容器电感823和快电容器电感821。漏电感836可包括开关模块805中的任何未考虑到的电感和/或电路中与集电极107和发射极108耦接的任何电感。此最小电感可大于约50-100nH。例如，漏电感836、快电容器电感821和开关电感的组合可介于50nH与100nH之间。
一些实施例还可允许在器件关断期间将电流从开关106快速分流。这可使用例如电流旁路电路816完成。为了实现有效电流分流，使50％的电流从开关106分流到电流旁路电路816中所耗费的时间可小于将开关106关断所耗费的时间。即，电流旁路电路816可具有比指定开关关断时间(tf)短的电流上升时间(tr)。这允许在切换期间开关106中的集电极至发射极电流极低，以使器件在关断期间工作更快和/或耗散能量更少。
为了确保将电流传送到开关106外，在开关开始切换时，可要求电流旁路电感820低至足以使电流在旁路电路中快速爬升。在一些实施例中，电流旁路电路816可包括与缓冲器类似布置的电容器和/或二极管，这可允许电流流过电流旁路电路816，直到电容器充满电。虽然电流旁路电路816在一定程度上类似于典型的缓冲器，但仍存在一些差异。
在许多设计考虑中，缓冲器还可被设计成减小和/或最小化可在切换期间出现在开关上的电压尖峰。缓冲器的设计可基于在由有效开关812、电流旁路电路816和/或电感器820以及由电路开关特性所形成的环路外的电路元件。电流旁路电路816可被设计成允许电流从流过开关快速转变为流过电流旁路电路816，而基本不用考虑其他电路元件。电流旁路电路816的设计很大程度上基于有效开关106、电流旁路电路816和电感器820所形成的环路内包含的电路元件，而不是位于此环路外的那些电路元件。在一些实施例中，电流旁路电感820被尽可能降低至例如低于20nH或10nH的值。在一些实施例中，电流旁路电感820与缓冲电感822的组合可小于20nH。利用此低电感，电流可快速地分流通过电流旁路电路816。此分流可发生在少于100ns、80ns、60ns、40ns、20ns或10ns的时间内。在一些实施例中，电流旁路电路816可与缓冲器818组合。
在一些实施例中，开关106可在高于制造商指定的恒向集电极电流(Ic)电平下工作。这与极低电路电感组合可实现更短的器件关断时间。在大多数的电源设计中，要避免高于制造商指定的恒向电流电平的操作，这是因为高电流电平会导致可损坏开关的较大电压尖峰。另外，较高电流电平可使开关过热。此外，在高于/超出制造商规范的情况下操作部件可被认为是不良电路设计。
众所周知，在电感器两端的电压等于电感和电流的时间变化率的乘积如果将电路电感最小化以实现在关断期间的最大电流变化率并且施加接近、处于或高于开关的指定恒向电流额定值的电流电平，那么可在开关内发射极电感(Le)815的两端产生电压。这种感生电压可有助于器件快速关断。电路电感可包括漏电感836和/或快电容器电感821并可具有与开关内发射极电感(Le)815同一量级的值。例如，漏电感836和/或快电容器电感821可小于或等于漏电感836。此效果可在接近或高于开关的指定恒向电流额定值的电流电平下看到。
为避免在高于制造商指定的恒向最大电流的电流电平下工作时过热，多个开关电路模块可串联或并联组合，以在开关之间交替切换。通过交替切换，每个开关可具有冷却期，此时其他开关进行工作。在一些实施例中，开关的两个子集中的每一个可交替切换。在其他实施例中，开关的三个或更多个子集中的每一个可交替切换。
在一些实施例中，快电容器826可耦接在与集电极107和发射极108耦接的电路与开关106之间。此电路的电感由快电容器电感821表示，并且可能极低(例如，小于50nH)。快电容器电感821可为快电容器826和/或与快电容器826有关的电路的固有电感或内电感。
栅极832与栅极驱动器806之间的低电阻可提高切换效率。此低电阻可以多种方式实现。在一个实施例中，栅极832可与栅极驱动器806电耦接，而无需在两个部件之间串联放置外部电阻器。即，栅极驱动器806和栅极832可通过单个电路迹线直接被耦接在一起。当然，在迹线中将会存在一定电阻，但是此电阻可为最小的(例如，小于0.1欧姆)。在另一个实施例中，栅极驱动器806和开关106可彼此极为接近地放置在电路模块上。例如，此距离可小于1cm、500mm、100mm、50mm、10mm、1mm等。在又一个实施例中，电路模块上的介于栅极驱动器806与栅极832之间的线路迹线可具有小于1Ω、500mΩ、100mΩ、50mΩ、10mΩ、1mΩ等的电阻。
开关例如IGBT通常在低于制造商指定的集电极至发射极电压的集电极至发射极电压(VCE)下工作，以避免在切换期间的过压尖峰。在具有电感的电路中，当电流随时间变化时，所得电压是电感和电流随时间变化率的函数与工作电压耦合的该电压可产生高于开关的公差的电压尖峰。为了减小这些尖峰，电路设计者通常减缓切换速度和/或利用低于公差的电压来驱动开关以适应尖峰。一些实施例包括可以较高切换速度切换和/或以处于或高于制造商指定的集电极至发射极电压的电压驱动的电路模块。
这可通过多种方式完成。一个例子是降低栅极处的电感。较低电感可允许更快的切换，而不引起或增大电压尖峰。为此，栅极驱动器806与栅极832之间的迹线可短于标准情况(例如，约10mm)和/或宽于标准情况(例如，约4mm)。这种短和/或宽迹线可降低栅极驱动器806的电感和电阻中的任一者或两者。可使用各种迹线长度，例如，可使用小于20mm、15mm、5mm、2mm或1mm的迹线长度。可使用各种迹线宽度，例如，可使用大于1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm的迹线宽度。
还可使用各种其他电感降低技术。通过采用这些技术，栅极处的电感可例如小于1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、50nH、100nH等或介于约1nH与100nH之间。例如，可将多个迹线铺设在各种板层中，和/或铺设在板的下侧上。
在另一个实施例中，不具有开关的整个电路模块的电感可小于开关电感(例如，电感815)。在又一个实施例中，栅极电路电感小于开关电感。
在一些实施例中，多个开关模块805可串联耦接在一起以提供更高电压，以及/或者可并联耦接在一起以提供更高电流。例如，如果每个开关模块805可切换1kV，那么20个开关模块可串联耦接来切换20kV。也可使用各种其他配置。对于并联配置，可采用类似策略来增大电流。
根据一些实施例的开关模块可具有短于制造商指定时间的接通延迟时间(td(on))和/或关断延迟时间(td(off))。例如，开关模块805可具有小于开关制造商决定的制造商指定时间的一半的接通延迟时间(td(on))和/或关断延迟时间(td(off))。又如，开关模块可具有小于制造商指定时间的四分之一的接通延迟时间(td(on))和/或关断延迟时间(td(off))。
图9示出根据本文所述的一些实施例的轴向布置的纳秒脉冲发生器900。如图所示，变压器116被示出为具有缠绕在铁芯910上的初级绕组610。可将多个开关106围绕位于变压器116中心的轴线对称布置在电路板905上。变压器116包括具有多个初级绕组610和多个次级绕组(未示出)的铁芯910。在一些实施例中，次级绕组的数量可以少于初级绕组610的数量。
在一些实施例中，缓冲电阻器137和/或缓冲二极管125可放置在每个开关的集电极与变压器的初级绕组610之间。缓冲二极管125可用于对切换中的任何过压进行缓冲。大电容器和/或快电容器110可耦接在每个开关106的发射极侧上。续流二极管130也可与开关106的发射极侧耦接。快电容器110和续流二极管设置在电路板905的底部上。还可包括未示出于附图中的各种其他部件。
在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可输出电脉冲，该电脉冲具有大于约1千伏的峰值电压、具有小于约1000纳秒(例如，小于500纳秒)的脉冲宽度、具有大于约5千伏(例如，从0kV至100kV)的峰值电压、具有大于约100千瓦的峰值功率(例如，在峰值电流或峰值电压下的峰值电流与峰值电压的乘积)、具有介于1ns与1000ns(或10ns与500ns)之间的脉冲宽度、具有从单个脉冲至大于10kHz或大于100kHz或大于1MHz的脉冲重复频率、具有小于50纳秒的上升时间、具有大于10-1000安/微秒的初级变压器上电流变化率(dI/dt)和/或具有大于10-1000伏/微秒的初级变压器上电压变化率(dV/dt)，或它们的一些组合。
除非另外指明或另外从相关技术已知，否则术语“约”表示所提到的值加或减百分之五。
在一些实施例中，开关模块105、开关模块205和/或开关模块805的电感可低于100nH。这样的低电感例如可有利于实现较快上升时间。
各种实施例描述了各部件相对于开关发射极和开关集电极的布置，这些部件可重新布置成使得所描述的与开关的发射极耦接的部件可与开关的集电极耦接，并且所描述的与开关的集电极耦接的那些部件可与开关的发射极耦接。
本文中阐释了许多特定细节，以便提供对所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域的技术人员应当理解，所要求保护的主题可在没有这些特定细节的情况下实践。在其他情况下，并未详细描述普通技术人员已知的方法、装置或系统，以免模糊所要求保护的主题。
一些部分是针对存储在计算系统存储器(诸如计算机存储器)内的数据位或二进制数字信号的运算的算法或符号表示而呈现的。这些算法描述或表示是数据处理领域中的普通技术人员用来将其工作实质传达给本领域的其他技术人员的技术示例。算法是得出所需结果的运算或类似处理的自洽序列。在此上下文中，运算和处理涉及对物理量的物理处理。通常，此类量可采用能够被存储、传送、组合、比较或操纵的电信号或磁信号的形式，虽然并不一定必须如此。已经证明，在原则上有时为了通用目的，将此类信号称为位、数据、值、元素、符号、字符、项、数、数字等是方便的。然而，应当理解，所有这些和类似的术语将与适当的物理量相关联，并且仅是方便的标签。除非另外明确指明，否则应当理解，在整个本说明书中，利用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”和“识别”等的术语来进行的讨论是指计算设备诸如一个或多个计算机或一个或多个类似电子计算设备的动作或处理，该动作或处理对计算平台的存储器、寄存器或其他信息存储设备、传输设备或显示设备内的以物理电子量或磁量表示的数据进行操纵或转换。
在本文中使用“适于”或“被配置成”意为开放性和包括性的语言，表示不排除设备适于或被配置成执行其他任务或步骤。另外，使用“基于”意为开放性和包括性的，其指“基于”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、运算或其他动作实际上可基于除了所述的那些条件或值外的其他条件或值。本文中包括的标题、列表和编号仅是为了便于解释说明，而不旨在进行限制。
虽然本发明的主题已结合其具体实施例进行了详细描述，但是本领域的技术人员应当理解，在理解前述内容后，可易于产生对此类实施例的更改、变型和其等同形式。因此，应当理解，本公开已出于示例目的提出，而非为了进行限制，并且并不排除包括如本领域普通技术人员将显而易见的对本发明主题的此类修改、变型和/或添加。

Claims (20)

1.一种纳秒脉冲发生器，包括：
多个开关模块，所述多个开关模块中的每一个包括一个或多个固态开关；其中所述固态开关的断开和接通的持续时间与输入脉冲的脉冲宽度成比例；
变压器，其与所述多个开关模块电耦接，所述变压器包括：
至少一个铁芯；
初级绕组，所述初级绕组至少部分地缠绕在所述铁芯的一部分上，所述多个开关模块中的每一个与所述初级绕组耦接；以及
多个次级绕组，所述多个次级绕组至少部分地缠绕在所述铁芯的一部分上；以及
输出端，所述输出端输出具有大于约1千伏的峰值电压并具有小于约1000纳秒的脉冲宽度的电脉冲；
所述输出端与所述多个次级绕组耦接并提供输出脉冲；所述输出脉冲的脉冲宽度与所述输入脉冲的脉冲宽度成比例。
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述初级绕组包括至少部分地缠绕在所述铁芯的一部分上的多个初级绕组，并且其中所述多个开关模块中的每一个与所述初级绕组的子集耦接。
3.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述输出脉冲具有大于约5千伏的峰值电压。
4.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述输出脉冲具有大于约100千瓦的峰值功率。
5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述输出脉冲具有小于约50纳秒的上升时间。
6.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述一个或多个固态开关中的每一个包括选自由IGBT、FET、SiC结型晶体管和MOSFET组成的群中的开关。
7.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，还包括与所述初级绕组和所述多个开关模块中的至少一个开关模块电耦接的快电容器。
8.根据权利要求7所述的纳秒脉冲发生器，其中在每个电脉冲期间，所述快电容器中的能量被消耗不到50％。
9.根据权利要求7所述的纳秒脉冲发生器，其中所述快电容器具有小于100nH的漏电感。
10.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述变压器具有小于100nH的漏电感。
11.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述多个开关模块中的每一个具有小于100nH的漏电感。
12.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述开关模块和所述初级绕组内的漏电感小于100nH。
13.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述纳秒脉冲发生器内的漏电容小于约100pF。
14.一种纳秒脉冲发生器，包括：
电路板；
变压器，所述变压器具有：变压器铁芯，所述变压器铁芯设置在所述电路板上；多个初级绕组，所述多个初级绕组缠绕在所述铁芯的至少一部分上；以及多个次级绕组，所述多个次级绕组缠绕在所述铁芯上；以及
多个固态开关，所述多个固态开关在所述电路板上围绕所述变压器径向地设置，所述多个固态开关中的每一个与至少一个初级绕组耦接；
所述变压器的输出端与所述多个次级绕组耦接并提供输出脉冲；其中所述多个固态开关的断开和接通的持续时间与输入脉冲的脉冲宽度成比例；所述输出脉冲的脉冲宽度与所述输入脉冲的脉冲宽度成比例。
15.根据权利要求14所述的纳秒脉冲发生器，其中所述电路板包括多个狭槽，所述次级绕组的至少一部分穿过所述多个狭槽而缠绕在所述铁芯上，其中所述狭槽的至少一个子集围绕所述铁芯对称地设置。
16.根据权利要求14所述的纳秒脉冲发生器，还包括设置在所述电路板上的多个电容器，其中所述多个电容器中的每一个设置在所述电路板上，介于所述铁芯与所述多个固态开关中的至少一个之间。
17.根据权利要求14所述的纳秒脉冲发生器，还包括设置在所述电路板上的多个二极管，其中所述多个二极管中的每一个设置在所述电路板上，介于所述铁芯与所述多个固态开关中的至少一个之间。
18.根据权利要求14所述的纳秒脉冲发生器，其中所述次级绕组包括缠绕所述铁芯多次的单条导线，而所述初级绕组包括多个不同绕组。
19.一种纳秒脉冲发生器，包括：
多个固态开关；
输入端，所述输入端与所述多个固态开关电耦接；其中所述固态开关的断开和接通的持续时间与输入脉冲的脉冲宽度成比例；
变压器，所述变压器与所述多个固态开关电耦接；
输出端，所述输出端与所述多个固态开关电耦接，输出电压包括：
输出脉冲峰值电压，所述输出脉冲峰值电压与输入电压成比例并大于约1千伏，
输出脉冲宽度，所述输出脉冲宽度与所述输入脉冲宽度成比例；以及
输出脉冲重复频率，所述输出脉冲重复频率与所述输入脉冲重复频率成比例；
其中所述输入电压、所述输入脉冲宽度和所述输入脉冲重复频率中的一者的变化仅可导致所述输出脉冲峰值电压、所述输出脉冲宽度和所述输出重复频率中的对应者的变化。
20.根据权利要求19所述的纳秒脉冲发生器，还包括变压器，所述变压器具有铁芯、多个初级绕组和多个次级绕组，其中所述多个固态开关与所述初级绕组电耦接并且所述输出端与所述输出端电耦接。
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