CN108173534A - 一种双极性传输线型纳秒脉冲发生器 - Google Patents

一种双极性传输线型纳秒脉冲发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极性传输线型纳秒脉冲发生器，包括：交流电源模块和脉冲模块，工频交流源输出端经输入限流电阻与二极管整流桥输入端相连，二极管整流桥输出端经稳压电容与H桥电路输入端相连，H桥电路输出端与升压变压器输入端相连，升压变压器输出端经输入电阻、第一同轴电缆中心铜线、负载输出阻抗、第二同轴电缆中心铜线接地，第一同轴电缆两端和第二同轴电缆两端共同接地，控制开关一端接至输入电阻和第一同轴电缆之间的节点上，控制开关另一端接地，负载输出阻抗两端输出脉冲。本发明的有益效果：利用交流源作为Blumlein脉冲形成线的激励源，可产生双极性陡前沿窄脉宽纳秒脉冲，结构简单，电路复杂度低，整体易于实现小型化。

Description

一种双极性传输线型纳秒脉冲发生器
技术领域
本发明涉及脉冲发生器技术领域，具体而言，涉及一种双极性传输线型纳秒脉冲发生器。
背景技术
纳秒脉冲发生器因其输出电压具有快速的上升沿，使得气体能够快速电离，纳秒级的脉冲宽度可有效抑制放电向火花或者电弧放电模式发展。这有利于等离子体的产生，对于大气压非平衡态等离子体的研究具有重要意义。
传统的纳秒脉冲发生器是以固态开关为基础的电源结构，这种结构中开关的性能决定了整体电源的参数。开关的开通与关断速度决定了脉冲的上升沿与下降沿，极限响应频率限定了脉冲的重复频率最大值。通常采用的开关主要为半导体开关和磁开关。半导体开关为基础的发生器，具有响应快、脉宽、幅值以及重复频率调节灵活的优势，但是耐压低，高电压幅值应用中需要成倍数的级联拓扑，这就会提升复杂度同时降低整体系统可靠性。磁开关为基础的发生器，具有较高的耐压和通流能力，电路结构简单，是目前采用最多的纳秒脉冲发生器结构，但其仅能实现单极性脉冲输出。对于介质阻挡(DBD)放电和等离子体射流实验，在放电时介质材料表面积累的电荷会产生与施加脉冲极性相反的电场，使得下一个脉冲产生的电场被削弱。若采用双极性脉冲，每一个脉冲所产生的电场与上一个脉冲残余电荷形成的电场方向相同，电场叠加被增强，有效降低放电的起始电压。
申请号为201510582258.1的发明专利公开了一种基于层叠Blumlein带状线型高压纳秒脉冲发生器，但该装置采用多级固态串联开关组作为系统开关，这对于多级固态开关的触发配合要求较高，不利于整体系统的稳定性。申请号为201710260488.5的发明专利公开了一种基于Blumlein脉冲形成线和传输线变压器的高频纳秒脉冲发生器结构，该装置采用模块化设计思路，通过多模块级联的方式增大电压放大倍数，但当模块级数增多的同时，干扰也会被放大，可靠性降低。申请号为201710260549.8的发明专利公开了一种基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器，但磁压缩开关体积大，为了省去磁芯复位电路而采用的全桥逆变电路使得整体结构变得复杂。
发明内容
为降低DBD放电的放电起始电压，减小脉冲发生器体积与复杂度，本发明的目的在于提供一种可产生双极性陡前沿窄脉宽纳秒脉冲的发生器结构。
本发明提供了一种双极性传输线型纳秒脉冲发生器，包括：
交流电源模块，其包括工频交流源AC、输入限流电阻R1、二极管整流桥REC、稳压电容C1，H桥电路和升压变压器T，所述工频交流源AC的输出端通过所述输入限流电阻R1与所述二极管整流桥REC的输入端相连，所述二极管整流桥REC的输出端通过所述稳压电容C1与所述H桥电路的输入端相连，所述H桥电路的输出端与所述升压变压器T的输入端相连；
脉冲模块，其包括输入电阻R2、第一同轴电缆、第二同轴电缆、控制开关和负载输出阻抗RL，所述升压变压器T的输出端经所述输入电阻R2、所述第一同轴电缆中心铜线、所述负载输出阻抗RL与所述第二同轴电缆中心铜线相连，所述第一同轴电缆网状屏蔽层的两端和所述第二同轴电缆网状屏蔽层的两端共同接地，所述控制开关一端接至所述输入电阻R2和所述第一同轴电缆之间的节点上，所述控制开关另一端接地，所述负载输出阻抗RL的两端输出脉冲。
作为本发明进一步的改进，所述H桥电路由四个半导体开关器件组成，半导体开关器件采用GTO、IGBT、晶闸管或MOS管。
作为本发明进一步的改进，所述H桥电路由MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4组成，其中，所述MOS管M1和所述MOS管M2为N沟道MOS管，所述MOS管M3和MOS管M4为P沟道MOS管。
作为本发明进一步的改进，所述MOS管M1和所述MOS管M3共用一组触发信号，所述MOS管M2和所述MOS管M4共用一组触发信号，两组触发信号为反相关系，每个触发周期内，所述MOS管M1和所述MOS管M4同时导通，或，所述MOS管M3和所述MOS管M2同时导通。
作为本发明进一步的改进，所述控制开关为可控半导体开关，采用晶闸管、GTO、IGBT或MOS管。
作为本发明进一步的改进，所述控制开关采用反并联晶闸管，所述反并联晶闸管由晶闸管Th1和晶闸管Th2反并联组成，所述晶闸管Th1的阳极和所述晶闸管Th2的阴极均接至述输入电阻R2和所述第一同轴电缆之间的节点上，所述晶闸管Th1的阴极和所述晶闸管Th2的阳极均接地。
作为本发明进一步的改进，所述晶闸管Th1和所述晶闸管Th2的触发角相位相差180°。
作为本发明进一步的改进，所述第一同轴电缆和所述第二同轴电缆均采用波阻抗为50Ω或75Ω的同轴电缆。
作为本发明进一步的改进，所述二极管整流桥REC为二极管组成的全桥电路。
本发明的有益效果为：
1、前置的交流电模块可实现对交流电的频率与幅值调节，进而调节最终脉冲输出的相应频率与幅值，且交流电模块先变频后升压的线路设计可降低对整流桥和H桥半导体器件的耐压值要求；
2、电磁波在同轴电缆内传播速度接近于光速，较短的同轴电缆即可实现纳秒级脉冲输出，进而可以减小整体发生器设备的体积；
3、用两个反并联晶闸管作为控制开关，当晶闸管处于反向电压情况下不会被触发导通，避免误动作，确保双极性脉冲产生的可靠性；
4、利用交流源作为Blumlein脉冲形成线的激励源，可产生双极性陡前沿窄脉宽纳秒脉冲，整个脉冲发生器结构简单，电路复杂度低，整体易于实现小型化。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种双极性传输线型纳秒脉冲发生器的示意图。
图中，
1、工频交流源AC；2、输入限流电阻R1；3、二极管整流桥REC；4、稳压电容C1；5、MOS管M1；6、MOS管M2；7、MOS管M3；8、MOS管M4；9、升压变压器T；10、输入电阻R2；11、第一同轴电缆；12、第二同轴电缆；13、晶闸管Th1；14、晶闸管Th2；15、负载输出阻抗RL；。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1所示，本发明实施例的一种双极性传输线型纳秒脉冲发生器，包括交流电源模块和脉冲模块两部分。
交流电源模块是将外接工频交流电转化为目标频率与幅值的交流电。交流电源模块包括工频交流源AC、输入限流电阻R1、二极管整流桥REC、稳压电容C1，H桥电路和升压变压T，工频交流源AC的输出端通过输入限流电阻R1与二极管整流桥REC的输入端相连，二极管整流桥REC3的输出端通过稳压电容C1与H桥电路的输入端相连，H桥电路的输出端与升压变压器T的输入端相连。
输入为工频220V交流电源AC，经由限流电阻R1输入至二极管整流桥REC，限流电阻R1起限流作用，二极管整流桥REC为二极管组成的全桥电路，将交流电转换为直流电输送给稳压电容C1。限流电阻R1与稳压电容C1通过二极管整流桥REC构成RC充电电路，起整流输出稳压与滤波作用。经滤波后的直流电输入H桥电路。H桥电路输出的交流电至升压变压器T，交流电频率由H桥电路的触发信号频率决定，通过升压变压器T将几百伏交流电升压至几千伏。
其中，H桥电路由四个半导体开关器件组成，半导体开关器件可以采用GTO、IGBT、晶闸管或MOS管，但不仅限于以上器件。本实施例优选的，H桥电路由MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4组成，其中，MOS管M1和MOS管M2为N沟道MOS管，MOS管M3和MOS管M4为P沟道MOS管。MOS管M1和MOS管M3共用一组触发信号，MOS管M2和MOS管M4共用一组触发信号，两组触发信号为反相关系，可通过反相器实现只用一个信号源控制H桥内的四个MOS管触发信号。每个触发周期内，MOS管M1和MOS管M4同时导通，或，MOS管M3和MOS管M2同时导通。
本发明中的交流电源模块也可采用其它电力电子变换电路，如多级H桥级联电路等，能实现交流电的频率调节即可。
脉冲模块是通过交流电源模块输出的交流电产生脉宽纳秒级的电压脉冲。脉冲模块包括输入电阻R2、第一同轴电缆、第二同轴电缆、控制开关和负载输出阻抗RL，升压变压器T的输出端经输入电阻R2、第一同轴电缆中心铜线、负载输出阻抗RL与第二同轴电缆中心铜线相连，第一同轴电缆网状屏蔽层的两端和第二同轴电缆网状屏蔽层的两端共同接地，控制开关一端接至输入电阻R2和第一同轴电缆之间的节点上，控制开关另一端接地，负载输出阻抗RL的两端输出脉冲。
其中，控制开关为可控半导体开关，采用晶闸管、GTO、IGBT或MOS管，但并不仅限于上述器件。本实施例优选的，控制开关采用反并联晶闸管，反并联晶闸管由并联的晶闸管Th1和晶闸管Th2组成，晶闸管Th1的阳极和晶闸管Th2的阴极均接至述输入电阻R2和第一同轴电缆之间的节点上，晶闸管Th1的阴极和晶闸管Th2的阳极均接地。
交流电源模块输出的电压通过输入电阻R2向波阻抗为50Ω或75Ω的两个同轴电缆充电，因为同轴电缆具有分布电容，充电完成后两个同轴电缆电压值与交流源电压相同，均为U0。
在交流电正半周期，给晶闸管Th1一个触发信号，使其导通，第一同轴电缆首端接地，由于边界条件会产生-U0的入射波，入射波向负载输出阻抗RL传播。经过t＝l/v的时间后，入射波到达负载输出阻抗RL处产生折反射，反射波为-0.5U0，折射波为-1.5U0，折射波经过负载输出阻抗RL与第二同轴电缆的分压从而在负载输出阻抗RL上产生电压输出，输出电压为U0，其中，l为同轴电缆的长度，v为电磁波在电缆中的传播速度，第一同轴电缆和第二同轴电缆的长度相等。当经过第二个时间t后，反射波回到第一同轴电缆首端，第一同轴电缆首端短路使电压波发生负全反射。折射波到达第二同轴电缆末端，第二同轴电缆末端电压波发生全反射。经过第三个时间t后，第一同轴电缆与第二同轴电缆反射回来的电压波到达负载输出阻抗RL，两个反射波幅值相同极性相反，在负载输出阻抗RL处相互抵消，负载输出阻抗RL电压变为0，整个波过程结束，在负载输出阻抗RL处产生一个幅值为U0、脉宽为2t的电压脉冲，脉冲宽度由第一同轴电缆和第二同轴电缆的长度l决定。
交流源的负半周期，给晶闸管Th2一个触发信号，使其导通，波过程与正半周期相同，仅电压极性相反，负载输出阻抗RL处产生一个幅值为-U0、脉宽为2t的电压脉冲。因此，整个交流电源的周期内，会产生两个脉宽相等的双极性脉冲。为保证正负极性脉冲的幅值与频率相同，晶闸管Th1和晶闸管Th2的触发角相位相差180°。由于脉冲电压幅值U0为晶闸管Th1和晶闸管Th2触发时交流电源的瞬时电压值，脉冲重复频率与交流源相同，接通的电压等级为几千伏，因此需要使用大功率型器件。
本发明的双极性传输线型纳秒脉冲发生器通过交流电源模块的交流电拓扑电路实现对交流电的频率调节，并使幅值由几百伏升压至及千伏，经输入电阻R2向第一同轴电缆和第二同轴电缆充电，通过控制晶闸管Th1和晶闸管Th2的触发接通，在第一同轴电缆和第二同轴电缆中产生波过程，在负载输出阻抗RL处产生上千伏、脉宽纳秒级的电压脉冲(即为图1中的输出)。产生的纳秒脉冲对DBD放电可有效降低放电电压，也可用于等离子体喷涂、合成射流，但不仅限于以上范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双极性传输线型纳秒脉冲发生器，其特征在于，包括：
交流电源模块，其包括工频交流源AC(1)、输入限流电阻R1(2)、二极管整流桥REC(3)、稳压电容C1(4)，H桥电路和升压变压器T(9)，所述工频交流源AC(1)的输出端通过所述输入限流电阻R1(2)与所述二极管整流桥REC(3)的输入端相连，所述二极管整流桥REC(3)的输出端通过所述稳压电容C1(4)与所述H桥电路的输入端相连，所述H桥电路的输出端与所述升压变压器T(9)的输入端相连；
脉冲模块，其包括输入电阻R2(10)、第一同轴电缆(11)、第二同轴电缆(12)、控制开关和负载输出阻抗RL(15)，所述升压变压器T(9)的输出端经所述输入电阻R2(10)、所述第一同轴电缆(11)中心铜线、所述负载输出阻抗RL(15)与所述第二同轴电缆(12)中心铜线相连，所述第一同轴电缆(11)网状屏蔽层的两端和所述第二同轴电缆(12)网状屏蔽层的两端共同接地，所述控制开关一端接至所述输入电阻R2(10)和所述第一同轴电缆(11)之间的节点上，所述控制开关另一端接地，所述负载输出阻抗RL(15)的两端输出脉冲。
2.根据权利要求1所述的双极性传输线型纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述H桥电路由四个半导体开关器件组成，半导体开关器件采用GTO、IGBT、晶闸管或MOS管。
3.根据权利要求2所述的双极性传输线型纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述H桥电路由MOS管M1(5)、MOS管M2(6)、MOS管M3(7)和MOS管M4(8)组成，其中，所述MOS管M1(5)和所述MOS管M2(6)为N沟道MOS管，所述MOS管M3(7)和MOS管M4(8)为P沟道MOS管。
4.根据权利要求3所述的双极性传输线型纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述MOS管M1(5)和所述MOS管M3(7)共用一组触发信号，所述MOS管M2(6)和所述MOS管M4(8)共用一组触发信号，两组触发信号为反相关系，每个触发周期内，所述MOS管M1(5)和所述MOS管M4(8)同时导通，或，所述MOS管M3(7)和所述MOS管M2(6)同时导通。
5.根据权利要求1所述的双极性传输线型纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述控制开关为大功率高压可控半导体开关，采用大功率高压晶闸管、GTO、IGBT或MOS管。
6.根据权利要求5所述的双极性传输线型纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述控制开关采用反并联晶闸管，所述反并联晶闸管由晶闸管Th1(13)和晶闸管Th2(14)反并联组成，所述晶闸管Th1(13)的阳极和所述晶闸管Th2(14)的阴极均接至述输入电阻R2(10)和所述第一同轴电缆(11)之间的节点上，所述晶闸管Th1(13)的阴极和所述晶闸管Th2(14)的阳极均接地。
7.根据权利要求6所述的双极性传输线型纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述晶闸管Th1(13)和所述晶闸管Th2(14)的触发角相位相差180°。
8.根据权利要求1所述的双极性传输线型纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述第一同轴电缆(11)和所述第二同轴电缆(12)均采用波阻抗为50Ω或75Ω的同轴电缆。
9.根据权利要求1所述的双极性传输线型纳秒脉冲发生器，其特征在于，所述二极管整流桥REC(3)为二极管组成的全桥电路。
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