CN107017799A - 基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源 - Google Patents

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朱晓华
万荣
陈宇渊
潘峰
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback

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Abstract

一种基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源，其特点在于由一个充电单元和N个相同的模块组成，所述的第i个模块由电压检测板、光电转换单元、固态开关驱动单元、开关单元、储能单元、续流单元和一个变压器组成，本发明是一个高电压、大电流、全固态的脉冲调制器。全固态开关以响应快、阻抗低、全控等优点而取代晶闸管作为开关器件。本发明具有生成微小下降的平顶脉冲的能力，多次触发模式的能力，连续可变的脉冲频率，可变的脉冲宽度，以及快速的上升和下降时间，初级电压较低，次级电压高，具有快速安装和快速现场维修的优势。

Description

基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源
技术领域
本发明涉及脉冲电源，特别是一种基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源，用于给普克尔盒提供脉冲电源，该电源采用全固态开关，该开关具有响应快、阻抗低、全控等优点。
技术背景
美国国家点火实验室(National Ignition Facility，简称为NIF)研制的等离子体普克尔盒脉冲电源装置已在开发使用，固态开关尤其是MOSFET和IGBT，可以提高了功率容量和上升下降时间，从而取代真空管。该电路的拓扑提供了许多特性来使固态脉冲发生器更好的满足先进的照相功能(Advanced Radiographic Capabilities，简称为ARC)的需求以此替代晶闸管，新的脉冲发生器可以生成具有微小下降的平顶脉冲以及连续可变的频率。固态开关MOSFET相比于氢匝管等传统电源，具有响应快、阻抗低、可任意受控触发和任意受控关断的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源，该电源的初级电压较低，次级电压高，外部通过光纤触发，储能元件的能量基本保持不变，便于安装和维修。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源，其特点在于由一个充电单元和N个相同的模块组成，所述的第i个模块由电压检测板、光电转换单元、固态开关驱动单元、开关单元、储能单元、续流单元和一个变压器组成，所述的电压检测板的高压端、储能单元的输入端与所述的开关单元的高压端和所述的充电单元的高压端口相连形成节点，所述的储能单元的输出端接所述的变压器的一个初级端和续流单元的一端，所述的开关单元的驱动端接所述的固态开关驱动单元的输出端，所述的固态开关驱动单元的输入端接所述的光电转换单元的输出端，所述的电压检测板、光电转换单元和固态开关驱动单元的高端接所述的充电单元的中压端口，所述的充电单元、电压检测板、光电转换单元、固态开关驱动单元、开关单元、续流单元(i-5)、储能单元和变压器初级的另一端共地线，其中i＝1、2、…、N，所述的N个变压器是堆叠的1:1变压器，每个变压器初级是分别激励的，N个变压器的次级串联后接负载。
所述的电压检测板有过压指示灯和欠压指示灯。
所述的光电转换单元集成在一个小PCB板上，所述的固态开关驱动单元包含24个独立的小PCB板，固态开关单元包含有48个并联的固态开关元件，每两个固态开关元件对应所述的固态开关驱动单元中的一块小PCB板，所述的储能单元包含24个并联的储能元件，每个储能元件对应所述的固态开关驱动单元的两个固态开关元件的放电，所述的续流单元包含20个并联的续流元件，所述的固态开关单元、储能单元和续流单元集成在一块大的PCB载体板上，所述的光电转换单元的小PCB板、固态开关驱动单元的小PCB板直接焊接在所述的大的PCB载体板上。
所述的变压器的原边的漏感要足够小，线路板的寄生电容也要足够小，变压器副边到普克尔盒之间的同轴传输线和BNC连接端子的特性阻抗为50欧姆。
变压器的初级绕组采用铜加工组件，次级绕组是一根贯穿N个变压器的空心铜柱，电路板采用直接插入变压器的初级绕组上的方法。
本发明的技术效果：
本发明基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源具有生成微小下降的平顶脉冲的能力，多次触发模式的能力，连续可变的脉冲频率，可变的脉冲宽度，以及快速的上升和下降时间，初级电压较低，次级电压高；外部通过光纤触发；储能元件的能量基本保持不变；便于安装和维修；
附图说明
图1为本发明基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源原理图。
具体实施方式
图1为本发明基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源原理图，由图可见，本发明基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源，由一个充电单元和N个相同的模块组成，本实施例N为27,所述的第i个模块由电压检测板、光电转换单元i-1(包含一块独立的PCB板)、固态开关驱动单元i-2(包含24个独立的PCB板)、开关单元i-3(包含48个并联的开关元件)、储能单元i-4(包含24个并联的储能元件)、续流单元i-5(包含20个并联的续流元件)和一个变压器i组成，所述的储能单元i-4的输入端与所述的开关单元i-3的高压端、所述的电压检测板的高压端和充电单元的高压端口相连，所述的储能单元i-4的输出端接所述的变压器i的一个初级端和续流单元i-5的一端形成节点，所述的开关单元i-3的驱动端接所述的固态开关驱动单元i-2的输出端，所述的固态开关驱动单元i-2的输入端接所述的光电转换单元i-1的输出端，所述的电压检测板、光电转换单元i-1和固态开关驱动单元i-2的高端接所述的充电单元的中压端口，所述的电压检测板、充电单元、光电转换单元i-1、固态开关驱动单元i-2、开关单元i-3、续流单元i-5和变压器i初级的另一端共地线，其中i＝1、2、…、N，所述的N个变压器是堆叠的1:1变压器，每个变压器初级是分别激励的，N个变压器的次级串联后接负载。
下面是一个实施例并以第i模块说明如下：
所述的光电转换单元i-1单独设计在一块PCB板上，所述的固态开关驱动单元i-2包含24个独立的PCB板，固态开关单元i-3，包含有48个并联的固态开关元件，每两个固态开关元件对应所述的固态开关驱动单元i-2中的一块PCB板，储能单元i-4包含24个储能元件，每个储能元件针对两个固态开关元件的放电，续流单元i-5包含20个并联的续流元件，所述的固态开关单元i-3、储能单元i-4和续流单元i-5在一块大的PCB载体板上，然后将所述的光电转换单元i-1、固态开关驱动单元i-2直接焊接在这块大的PCB载体板上，所述的电压检测板也直接焊接在大的PCB载体板上，当电压过高或不足时，相对应的指示灯会亮，方便维修。
本发明基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源工作时会先通过前端的充电单元给储能单元i-4一起充电储能，当按下触发按键之后，经过光电转换单元i-1将各路光信号转换成电信号，再经过固态开关驱动单元i-2来控制固态开关单元i-3(固态开关)的开通，从而使储能单元i-4的能量通过固态开关单元i-3的固态开关和变压器i传递至负载端，使负载端输出高压、窄脉冲，所述的固态开关单元i-3关断后，变压器i副边的能量可通过变压器i传递到变压器原边再被续流单元i-5吸收掉。
因为本发明基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源是纳秒级脉冲电源，为获得更快的上升沿和下降沿，故电路的寄生参数对输出波形的影响非常大，设计时变压器原边的漏感要足够小，线路板的寄生电容也要足够小，变压器副边到普克尔盒之间的同轴传输线和BNC连接端子要求特性阻抗为50欧姆。
实验表明，本发明是一个高电压、大电流、全固态的脉冲调制器。全固态开关以响应快、阻抗低、全控等优点而取代晶闸管作为开关器件。本发明具有生成微小下降的平顶脉冲的能力，多次触发模式的能力，连续可变的脉冲频率，可变的脉冲宽度，以及快速的上升和下降时间，初级电压较低，次级电压高，具有快速安装和快速现场维修的优势。

Claims (4)

1.一种基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源，其特征在于由一个充电单元和N个相同的模块组成，N大于1，所述的第i个模块由电压检测板、光电转换单元(i-1)、固态开关驱动单元(i-2)、开关单元(i-3)、储能单元(i-4)、续流单元(i-5)和一个变压器(i)组成，所述的电压检测板的高压端、储能单元(i-4)的输入端与所述的开关单元(i-3)的高压端和所述的充电单元的高压端口相连形成节点，所述的储能单元(i-4)的输出端接所述的变压器(i)的一个初级端和续流单元(i-5)的一端，所述的开关单元(i-3)的驱动端接所述的固态开关驱动单元(i-2)的输出端，所述的固态开关驱动单元(i-2)的输入端接所述的光电转换单元(i-1)的输出端，所述的电压检测板、光电转换单元(i-1)和固态开关驱动单元(i-2)的高端接所述的充电单元的中压端口，所述的充电单元、电压检测板、光电转换单元(i-1)、固态开关驱动单元(i-2)、开关单元(i-3)、续流单元(i-5)、储能单元(i-4)和变压器(i)初级的另一端共地线，其中i＝1、2、…、N，所述的N个变压器是堆叠的1:1变压器，每个变压器初级是分别激励的，N个变压器的次级串联后接负载。
2.根据权利要求1所述的基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源，其特征在于所述的电压检测板有过压指示灯和欠压指示灯。
3.根据权利要求1所述的基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源，其特征在于所述的光电转换单元(i-1)集成在一个小PCB板上，所述的固态开关驱动单元(i-2)包含24个独立的小PCB板，固态开关单元(i-3)包含有48个并联的固态开关元件，每两个固态开关元件对应所述的固态开关驱动单元(i-2)中的一块小PCB板，所述的储能单元(i-4)包含24个并联的储能元件，每个储能元件对应所述的固态开关驱动单元(i-2)的两个固态开关元件的放电，所述的续流单元(i-5)包含20个并联的续流元件，所述的固态开关单元(i-3)、储能单元(i-4)和续流单元(i-5)集成在一块大的PCB载体板上，所述的光电转换单元(i-1)的小PCB板、固态开关驱动单元(i-2)的小PCB板直接焊接在所述的大的PCB载体板上。
4.根据权利要求1所述的基于固态开关的普克尔盒纳秒脉冲电源，其特征在于所述的变压器的原边的漏感要足够小，线路板的寄生电容也要足够小，变压器副边到普克尔盒之间的同轴传输线和BNC连接端子的特性阻抗为50欧姆。
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