CN108336923A - 一种脉冲电路及具有该脉冲电路的矩形波脉冲源 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高电压电工电器技术领域，公开了一种脉冲电路，包括充电电源和多级脉冲单元电路，每级所述脉冲单元电路包括充电二极管、储能电容器、前沿触发功率MOSFET管和后沿截止功率MOSFET管；每级所述脉冲单元电路中，储能电容器的高压端通过充电二极管连接充电电源的正极，前沿触发功率MOSFET管的一端连接本级储能电容器的高压端，另一端连接后一级储能电容器的低压端，后沿截止功率MOSFET管的一端连接后一级储能电容器的低压端，另一端连接本级储能电容器的低压端。本发明还公开了一种具有前述脉冲电路的矩形波脉冲源，包括脉冲电路和控制电路。本发明有效解决了现有技术中开通抖动大、关断时间长的技术问题。

Description

一种脉冲电路及具有该脉冲电路的矩形波脉冲源
技术领域
本发明涉及高电压电工电器技术领域，尤其是涉及一种脉冲电路及具有该脉冲电路的矩形波脉冲源。
背景技术
在高压电工技术领域中，有许多高压脉冲的实现方法，由于不同应用场合对电压的波形有特定的要求，需要设计具有电压上升和下降速度快，且抖动下的电源，以满足激光领域的应用需求。
此类电源的典型负载是电光晶体，由于泡克耳斯效应，各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化，高压快脉冲作用到电光晶体上可以产生电光效应，此技术广泛运用于激光聚变装置、等离子体诊断、加速器技术等领域，随着激光技术的不断发展，对快脉冲电源的精度需求越来越高，具体表现在前沿和后沿均保持在纳秒级，电压幅值达几十千伏，电压达到最大后超调抖动不超过百分之一，平顶时间段电压下降不超过百分之一，因此，对器件的选择和回路设计都提出了更高的要求。
传统的实现方法主要使用电真空器件和雪崩三极管两类器件，电真空器件的工作稳定性不佳，对气体介质的控制能力很难突破，表现在触发电压高时抖动大，其性能指标较好的一类是氢闸流管，氢闸流管具有重复频率高、工作寿命长的优点，但是电真空器件普遍具有外围驱动复杂、可靠性低的缺点，难以实现电路的精细化和小型化；雪崩三极管在早期的快脉冲源中被广泛采用，其输出电压幅值能够达到几千伏，前沿可以达到皮秒级，但由于器件本身的特点，其输出脉冲宽度窄，电流驱动能力差，其应用范围受到很大限制。近年来，随着功率MOSFET器件的出现与发展，其单管功率远大于雪崩管，实际工程设计中越来越多的用到功率MOSFET器件作为开关控制器件。MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。
目前设计平顶波源最难解决的问题是“平顶”的平整度不理想，存在电压超调，并且是在关断阶段，根据电容储能电路的放电原理，关断时时间常数决定于阻容性串联的回路计算公式，平顶波的波尾延长，电压下降缓慢。平顶波源在控制电光晶体时，电光晶体的控制电场的形成和退出均有纳秒量级的时间要求，同时输出的脉冲电压幅值要达到几十千伏，以控制电光晶体偏振面的旋转角度，平顶时间一般为纳秒至微秒量级。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种脉冲电路及具有该脉冲电路的矩形波脉冲源，解决现有技术中开通抖动大、关断时间长的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种脉冲电路，包括充电电源和多级脉冲单元电路，每级所述脉冲单元电路包括充电二极管、储能电容器、前沿触发功率MOSFET管和后沿截止功率MOSFET管；每级所述脉冲单元电路中，储能电容器的高压端通过充电二极管连接充电电源的正极，前沿触发功率MOSFET管的一端连接本级储能电容器的高压端，另一端连接后一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端，后沿截止功率MOSFET管的一端连接后一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端，另一端连接本级储能电容器的低压端；第一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端接地，最后一级所述脉冲单元电路的前沿触发功率MOSFET管的另一端连接负载的正极，最后一级所述脉冲单元电路的后沿截止功率MOSFET管的一端也连接负载的正极。
本发明还提供一种矩形波脉冲源，包括上述一种脉冲电路及控制电路，所述控制电路包括依次信号连接的主控机、逻辑控制器、光耦隔离器、多个与多级所述前沿触发功率MOSFET管一一对应的前沿触发功率MOSFET管驱动电路和多个与多级所述后沿截止功率MOSFET管一一对应的后沿截止功率MOSFET管驱动电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1.后沿截止功率MOSFET管可以保证放电截止时电源端直接接地，加速负载电压下降过程，且保证负载上无电压振荡，使脉冲下降沿时间更短，确保“矩形”脉冲特性，放电时间段内电压下降不超过1％；
2.电路全部采用固体器件，可以调整输出电压脉宽和频率，单个器件失败时不影响电路工作的安全性，整个系统稳定性强、体积小、寿命长，为高电压、快上升及快下降脉冲电路提供了全新的设计方案；
3.通过光耦隔离，触发信号稳定可靠，输出高压对控制芯片的干扰较小，所有半导体开关器件同时动作，提高触发的可靠性和精准度，输出电压可以高达十几千伏，一般根据负载需求在几千伏到十几千伏范围内电压可调。
附图说明
图1是脉冲电路原理图；
图2是控制电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种脉冲电路，包括充电电源和多级脉冲单元电路，每级所述脉冲单元电路包括充电二极管D1～Dn、储能电容器C1～Cn、前沿触发功率MOSFET管Q1～Qn和后沿截止功率MOSFET管QF1～QFn；每级所述脉冲单元电路中，储能电容器的高压端通过充电二极管连接充电电源Uin的正极，前沿触发功率MOSFET管的一端连接本级储能电容器的高压端，另一端连接后一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端，后沿截止功率MOSFET管的一端连接后一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端，另一端连接本级储能电容器的低压端；第一级所述脉冲单元电路的储能电容器C1的低压端接地，最后一级所述脉冲单元电路的前沿触发功率MOSFET管Qn的另一端连接负载Uout的正极，最后一级所述脉冲单元电路的后沿截止功率MOSFET管QFn的一端也连接负载Uout的正极。
作为优选的，每级所述脉冲单元电路还包括并联于充电二极管D1～Dn两端的充电动态均压电阻R1～Rn。
作为优选的，每级所述脉冲单元电路还包括并联于后沿截止功率MOSFET管QF1～QFn两端的放电动态均压电阻RF1～RFn。
作为优选的，所述脉冲电路还包括输入电阻Rin，该输入电阻Rin串联于充电电源Uin和各级所述脉冲单元电路的充电二极管D1～Dn之间。输入电阻Rin用以保护多级脉冲单元电路，及调节电压。
作为优选的，所述脉冲电路还包括输出电阻Rout，该输出电阻Rout串联于最后一级所述脉冲单元电路的前沿触发功率MOSFET管QFn和负载Uout的正极之间。输出电阻Rout用以保护负载，及调节电压。
作为优选的，所述充电电源Uin是直流稳压源，提供稳定的直流电压输出，充电电源Uin的额定电压应小于储能电容器的额定电压，以防止储能电容器过载损坏。
作为优选的，由各级储能电容器和各级前沿触发功率MOSFET管串连构成的高压生成单根线路，与由各级后沿截止功率MOSFET管串连构成的输出端单根线路紧密平行走线。即每一级前沿触发MOSFET的线串成一根线与负载的线重合，以减小高频下导线中电感的影响，降低输出脉冲抖动，平顶波的起始尖峰超调范围保持在1％以内。
作为优选的，所述负载为容性负载。
本发明还提供一种矩形波脉冲源，包括上述一种脉冲电路及控制电路，所述控制电路包括依次信号连接的主控机、逻辑控制器、光耦隔离器、多个与多级所述前沿触发功率MOSFET管Q1～Qn一一对应的前沿触发功率MOSFET管驱动电路和多个与多级所述后沿截止功率MOSFET管一一对应的后沿截止功率MOSFET管驱动电路。
作为优选的，所述主控机与逻辑控制器通过光纤连接，信号损耗低，传输快。
如图1所示，前沿触发功率MOSFET管Q1～Qn在没有触发信号时处于断开状态，充电电源Uin经过充电二极管D1～Dn向储能电容器C1～Cn充电，后沿截止功率MOSFET管QF1～QFn在没有触发信号时处于开通状态，保证充电时储能电容器C1～Cn的低压端均直接接地，储能电容器C1～Cn储能的电荷由充电电源Uin的电压决定，充电完成后充电二极管D1～Dn无电流，各充电动态均压电阻R1～Rn两端的电位相等。
如图2所示，主控机将前沿触发信号和后沿截止信号传给逻辑控制器，逻辑控制器内部进行延时处理。相对而言，前沿触发信号脉冲宽度较窄，后沿截止信号脉冲宽度较宽，逻辑控制器对前沿触发MOSFET管和后沿截止MOSFET管同时控制，并控制后沿截止MOSFET管提前关断和延迟开通。前沿触发信号和后沿截止信号在光耦隔离器中进行电-光-电转换，每级前沿触发功率MOSFET管驱动电路和后沿截止功率MOSFET管驱动电路的控制端接收到光耦隔离器的输出后，将信号进行放大，其中后沿截止信号的负逻辑使输出信号为负电平。
由于后沿截止信号脉冲宽度较宽，当后沿截止功率MOSFET管驱动电路接收到后沿截止信号后，驱动后沿截止功率MOSFET管关断，使负载的高压端连接高电阻，而后，前沿触发功率MOSFET管驱动电路接收到前沿触发信号后，驱动前沿触发功率MOSFET管开通，使储能电容器C1～Cn放电，前一级储能电容器的高压端与后一级储能电容器的低压端连接，所有储能电容器的电压相叠加，通过最后一级前沿触发功率MOSFET管加在负载上。如果有n级脉冲单元电路，即n个储能电容器，负载上的电压就为单个储能电容器充电电压的n倍。当前前沿触发信号回到低电平时，前沿触发功率MOSFET管截止，等后沿截止信号回到高电平后，后沿截止功率MOSFET管开通，相当于负载的高压端接地，负载上的高电平陡然下降，所以，负载上形成近似“矩形”的脉冲。
负载工作时的电压由电容器存储的能量提供，由于负载工作脉宽为微秒级，要求电容器储存足够的能量满足负载的功率需求，工作电压基本不下降。
逻辑控制器中，首先由HFBR-2412光纤接收器实现触发光信号与控制电信号的相互转化，逻辑控制单元需要独立的电源模块LS05-15B05SS进行5V直流供电，HFBR-2412的输出的电信号通过74LS04反相器与74ALS32芯片构成逻辑电路，实现延时功能，在出口处，前一级74LS04同时连接多个并联的74LS04芯片，每个74LS04芯片驱动4路光耦芯片，总共构成n路前沿触发信号(即窄脉宽)输出和n路后沿截止信号(即宽脉宽)输出，窄脉宽输出的信号提供给前沿触发MOSFET管，宽脉宽输出的信号提供给后沿截止MOSFET管。脉冲宽度由逻辑电路组成的延时回路决定，一般来说，窄脉宽的时序可以包含在宽脉宽中，实现后沿触发MOSFET管提前关断与延迟开通。
光耦隔离器选用AFBR-395025RZ芯片，窄脉宽和宽脉宽选用两块型号相同的芯片，芯片TX端的Data_in口输入信号，在芯片内部实现电-光-电转换，从RX端的out口输出信号。
光耦隔离器的输出信号与驱动信号电路连接，窄脉宽通过IXDN609SI芯片，在没有触发信号时输出15V电平，加载到Q1到Qn的MOSFET管上，使Q1到Qn长期处于开通状态，在有触发脉冲时断开，宽脉宽通过IXDI609SI芯片，在没有触发信号时输出-5V电平，加载到QF1到QFn的MOSFET管上，在触发脉冲时开通。
前沿触发功率MOSFET管和后沿截止功率MOSFET管匀选用N沟道MOS管，通过选用不同的MOSFET控制芯片(IXDI609SI和IXDN609SI)来实现不同时间的通断。MOSFET管型号：C3M0120100J，N沟道，Vds漏源极击穿电压1000V，Vgs-栅源极阈值电压1.8V，Vgs栅极电压-4V，Vgs源极电压15V。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种脉冲电路，其特征在于：包括充电电源和多级脉冲单元电路，每级所述脉冲单元电路包括充电二极管、储能电容器、前沿触发功率MOSFET管和后沿截止功率MOSFET管；每级所述脉冲单元电路中，储能电容器的高压端通过充电二极管连接充电电源的正极，前沿触发功率MOSFET管的一端连接本级储能电容器的高压端，另一端连接后一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端，后沿截止功率MOSFET管的一端连接后一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端，另一端连接本级储能电容器的低压端；第一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端接地，最后一级所述脉冲单元电路的前沿触发功率MOSFET管的另一端连接负载的正极，最后一级所述脉冲单元电路的后沿截止功率MOSFET管的一端也连接负载的正极。
2.根据权利要求1所述的脉冲电路，其特征在于：每级所述脉冲单元电路还包括并联于充电二极管两端的充电动态均压电阻。
3.根据权利要求1所述的脉冲电路，其特征在于：每级所述脉冲单元电路还包括并联于后沿截止功率MOSFET管两端的放电动态均压电阻。
4.根据权利要求1所述的脉冲电路，其特征在于：所述脉冲电路还包括输入电阻，该输入电阻串联于充电电源正极和各级所述脉冲单元电路的充电二极管之间。
5.根据权利要求1所述的脉冲电路，其特征在于：所述脉冲电路还包括输出电阻，该输入电阻串联于最后一级所述脉冲单元电路的前沿触发功率MOSFET管和负载的正极之间。
6.根据权利要求1所述的脉冲电路，其特征在于：由各级储能电容器和各级前沿触发功率MOSFET管串连构成的高压生成单根线路，与由各级后沿截止功率MOSFET管串连构成的输出端单根线路紧密平行走线。
7.根据权利要求1所述的脉冲电路，其特征在于：所述充电电源是直流稳压源，充电电源的额定电压小于储能电容器的额定电压。
8.根据权利要求1所述的脉冲电路，其特征在于：所述负载为容性负载。
9.一种矩形波脉冲源，其特征在于：包括如权利要求1～8所述的任一一种脉冲电路及控制电路，所述控制电路包括依次信号连接的主控机、逻辑控制器、光耦隔离器、多个与多级所述前沿触发功率MOSFET管一一对应的前沿触发功率MOSFET管驱动电路和多个与多级所述后沿截止功率MOSFET管一一对应的后沿截止功率MOSFET管驱动电路。
10.根据权利要求9所述的矩形波脉冲源，其特征在于：所述主控机与逻辑控制器通过光纤连接。
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