CN108712162B - 一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，包括：直流高压单元、触发单元、限流电阻、储能分压单元、雪崩晶体管串联单元及并联单元，雪崩晶体管串联单元包括若干串联子单元，串联子单元包括一脉冲变压器、触发雪崩晶体管及若干普通雪崩晶体管，并联单元包括若干并联子单元，并联子单元包括若干串联子单元及储能分压单元，各串联子单元结构相同，各储能分压单元结构相同。本发明采用串联子单元级联、储能分压和脉冲变压器同步触发等技术，使整个电路开关速度快，耐电压值和峰值电流较大，驱动能力强；整个电路小型化、固体化、模块化、不需同步调节、可靠性高，适应性强。

Description

一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路
技术领域
本发明涉及高压脉冲技术领域，具体是一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路。
背景技术
高压快沿开关电路应用十分广泛，如激光技术中的电光Q开关、高速摄影快门、核物理和雷达领域中的取样或门控脉冲等。产生高压快沿脉冲的关键是高压快沿开关电路，现有快沿高压开关技术主要分两类：一是基于二次电子发射管、放电间隙开关、触发管、氢闸管等电真空器件开关技术；二是基于雪崩晶体管、高压场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等的固体器件开关技术。
电真空器件开关技术具有耐压值高、开关速度快等特点，但是触发脉冲电压高、晃动和体积较大等缺点限制了其应用范围。基于场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的固体器件开关技术虽然体积小、开关频率较高，但开关速度慢，也同样不能用于亚纳秒与皮秒级的开关电路。基于雪崩晶体管的固体器件开关技术是具有体积小、开关速度快等特点，是目前亚纳秒和皮秒级快沿脉冲产生电路的首选技术。如中国专利《雪崩晶体管高压方波脉冲发生器》(CN1085024)公开的基于雪崩晶体管开关技术的脉冲发生器，其快沿开关电路的电压幅度为2千伏、最大负载电流为20mA、开关时间2ns左右。中国专利《一种雪崩电脉冲发生器》(CN1263381)公开的由雪崩晶体管构成的基本Marx电路，并通过在雪崩晶体管的集电极和发射极两端并联电阻和电容串联而成的助雪崩电路，获得前沿1～4ns、电压300～5000V的电脉冲输出。
基于雪崩晶体管开关技术的发明专利与文献很多，文献《基于雪崩三极管的高重频高压纳秒脉冲产生方法综述》(电工技术学报，2017年4月，第32卷，第8期，第33-54页)对雪崩晶体管构成开关电路技术进行了较全面的比较分析，总结出典型的电路结构有多管串联电路、多级Marx电路、多管并联电路以及脉冲截断电路等。根据这些电路的特点，当多管串联或多级Marx电路级联时，可提高开关电压，多管或多级Marx电路并联时可增加开关输出电流。
但是，由于雪崩晶体管的雪崩工作电压有一个最佳范围，特别是单管的输出电压较低，多管串联或多级Marx电路级联时，串联雪崩晶体管个数达到一定数量时，因雪崩晶体管参数差异而使各管电压分布不均匀，会出现自雪崩导通，目前还没有报道过串联雪崩晶体管耐压超过5kV的报道。同时，受电路内阻和电路分布参数的影响，当Marx电路级联的级数增加时，输出脉冲幅度的增加并不明显，因此现有的雪崩晶体管串联方式要得到可靠的高电压雪崩开关电路非常困难。
在多管或多级Marx电路并联时，同样因雪崩晶体管的参数差异，其雪崩工作电压或触发电压有一个最佳范围，为实现同步雪崩，需要选取参数一致的雪崩晶体管，然而，受元件参数差异的影响，要选取参数一致的雪崩晶体管非常困难。而现有的分时触发、调节偏置电压和结构对称技术，存在并联数越多电路结构越复杂、控制难度大，且输出电压幅值受限于负载阻值等问题，限制了这些技术进一步通过多路并联提高输出电流的可行性和可靠性。
发明内容
本发明的目的是为了提高雪崩晶体管开关电路耐压和输出电流，增强电路的负载能力，提供一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路。
本发明采用的技术方案为：一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，包括：直流高压单元、触发单元、限流电阻、储能分压单元、雪崩晶体管串联单元及并联单元，所述直流高压单元与所述限流电阻连接，所述触发单元、所述限流电阻与所述雪崩晶体管串联单元连接，所述储能分压单元与所述雪崩晶体管串联单元连接，所述并联单元与所述触发单元、所述限流电阻连接，所述雪崩晶体管串联单元包括若干串联子单元，所述串联子单元包括一脉冲变压器、触发雪崩晶体管及若干普通雪崩晶体管，所述脉冲变压器的初级与所述触发单元连接，所述触发雪崩晶体管与所述普通雪崩晶体管串联，所述触发雪崩晶体管的基极与发射极与所述脉冲变压器的次级连接，所述并联单元包括若干并联子单元，所述并联子单元相互并联，所述并联子单元包括串联子单元及储能分压单元，所述并联子单元内的所述串联子单元与所述并联子单元内的所述储能分压单元连接，各所述串联子单元结构相同，各所述储能分压单元结构相同。
本发明的效果是：本发明采用串联子单元级联、储能分压和脉冲变压器同步触发等技术，使整个电路开关速度快，可用于亚纳秒和皮秒级快沿脉冲产生电路；耐电压值和峰值电流较大，驱动能力强；整个电路小型化、固体化、模块化、不需同步调节、可靠性高，适应性强。
附图说明
图1所示为本发明提供的一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路的结构示意图；
图2所示为图1中触发单元的电路实例图；
图3所示为图1中储能分压单元、雪崩晶体管串联单元及并联单元的电路实例图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下面结合附图介绍本发明的雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路。
请参阅图1和图2，为本发明提供的一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，包括：直流高压单元1、触发单元2、限流电阻3、储能分压单元4、雪崩晶体管串联单元5及并联单元6，所述直流高压单元1与所述限流电阻3连接，所述触发单元2、所述限流电阻3与所述雪崩晶体管串联单元5连接，所述储能分压单元4与所述雪崩晶体管串联单元5连接，所述并联单元6与所述触发单元2、所述限流电阻3连接。
所述直流高压单元1用于将低压直流供电经变换和倍压整流后，得到连续可调直流高压，用于向所述雪崩晶体管串联单元5及所述并联单元6供电，所述直流高压单元1输出直流电压的幅值等于所述雪崩晶体管串联单元5及所述并联单元6的耐压值。
所述触发单元2包括触发控制模块21、脉冲功率放大模块22，所述触发控制模块21与所述脉冲功率放大模块22连接，所述脉冲功率放大模块22与所述雪崩晶体管串联单元5连接。
如图2所示，所述触发控制模块21包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一非门U1A、第二非门U1B、第一与非门U2A、第二与非门U2B、第三与非门U2C、第四与非门U2D，或非门U3A、第一电容C1及第二电容C2。
所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的一端及所述第三电阻R3的一端连接，所述第二电阻R2的另一端接地，所述第三电阻R3的另一端与所述第一电容C1的一端及所述第一非门U1A的输入端连接，所述第一电容C1的另一端接地，所述第一非门U1A的输出端与所述第二非门U1B的输入端及所述第二与非门U2B的第二输入端连接，所述第二非门U1B的输出端与所述第一与非门U2A的第一输入端连接，所述第一与非门U2A的输出端与所述第三与非门U2C的第一输入端连接，所述第二与非门U2B的输出端与所述第四与非门U2D的第二输入端连接，所述第三与非门U2C的输出端与所述第四与非门U2D的第一输入端、所述或非门U3A的第一输入端及所述脉冲功率放大模块22连接，所述第四与非门U2D的输出端与所述第三与非门U2C的第二输入端、所述第四电阻R4的一端及所述脉冲功率放大模块22连接，所述第四电阻R4的另一端与所述第二电容C2的一端及所述或非门U3A的第二输入端连接，所述或非门U3A的输出端与所述第一与非门U2A的第二输入端及所述第二与非门U2B的第一输入端连接。
所述脉冲功率放大模块22包括转换开关S1、第一三极管Q1、第二三极管Q2、MOS管Q3、第五电阻R5、第三电容C3，所述转换开关S1与所述触发控制模块21、所述第一三极管Q1的基极及所述第二三极管Q2的基极连接，所述第一三极管Q1的发射极接地，所述第二三极管Q2的集电极与所述第一三极管Q1的集电极及所述第三电容C3的一端连接，所述第三电容C3的另一端与所述第五电阻R5一端及所述MOS管Q3的栅级连接，所述第五电阻R5另一端接地，所述MOS管Q3的源级接地，所述MOS管Q3的漏极与所述第二三极管Q2的发射极构成输出端与所述雪崩晶体管串联单元5连接。
所述限流电阻3的作用是在所述雪崩晶体管串联单元5雪崩导通后，限制通过所述雪崩晶体管串联单元5的最大电流值不超过雪崩晶体管的击穿电流值。
所述储能分压单元4包括若干串联电容，所述串联电容串联并与所述雪崩晶体管串联单元5连接，当这些串联电容接入电路中时，每个电容通过充电而储能，同时在各电容两端建立一定的电压，这样构成储能分压。
如图3所示，所述雪崩晶体管串联单元5包括若干串联子单元51，所述串联子单元51包括一脉冲变压器、触发雪崩晶体管及若干普通雪崩晶体管，所述脉冲变压器的初级与所述触发单元2连接，所述触发雪崩晶体管与所述普通雪崩晶体管串联，所述触发雪崩晶体管的基极与发射极与所述脉冲变压器的次级连接。
本实施例中共有6级串联子单元51，所述串联子单元51包括1个触发雪崩晶体管及5个普通雪崩晶体管。各级联子单元的供电由所述储能分压单元4提供工作电压，并由触发单元2独立触发，这样级联的串联子单元51可独立工作。串联子单元51与储能分压单元4构成串联支路，其工作过程是：当所述触发单元2的触发信号到来时，若串联子单元51的触发雪崩晶体管中的某一只被最先触发，例如其中一个触发雪崩晶体管最先被触发导通，则包含有该触发雪崩晶体管的串联子单元51就发生雪崩导通，该串联子单元51两端电压降为为零。此时高压源电压不变，使得其它5级串联子单元51两端的电压由原来的1/6高压源电压值增至1/5，所述串联子单元51两端的电压快速增加而发生雪崩，整个所述雪崩晶体管串联单元5就雪崩导通。同时，这种串联模式中所述串联子单元51两端的电压由所述储能分压单元4提供，可有效克服现有专利与文献报道的串联模式中，当串联雪崩晶体管个数较多时，因雪崩晶体管参数差异而使各管电压分布不均匀，导致自雪崩导通现象。
所述并联单元6包括若干并联子单元61，所述并联子单元61相互并联且与所述触发单元2、所述限流电阻3连接。
所述并联子单元61包括串联子单元51及储能分压单元4，所述串联子单元51与所述并联子单元61内的所述储能分压单元4连接，各所述串联子单元51结构相同，各所述储能分压单元4结构相同。
本发明的工作过程如下：直流高压单元1将供电电压经变换和整流后，得到连续可调的直流高压，通过限流电阻3加到雪崩晶体管串联单元5及并联单元6上。触发单元2将外部输入的触发控制信号，进行边沿检测与锁定，防止电源浪涌和抗扰信号误触发。检测到输入触发控制信号后，输出一定宽度的上升或下降沿脉冲，经开关S1选择，送入雪崩晶体管串联单元5及并联单元6中，由脉冲功率放大器放大，在脉冲变压器次级得到同步的雪崩晶体管触发脉冲。该触发脉冲同步触发雪崩晶体管串联单元5及并联单元6，使串联子单元51同步雪崩导通。
本发明所述的一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，采用串联子单元级联、储能分压和脉冲变压器同步触发等技术，使整个电路开关速度快，可用于亚纳秒和皮秒级快沿脉冲产生电路；耐电压值和峰值电流较大，驱动能力强；整个电路小型化、固体化、模块化、不需同步调节、可靠性高，适应性强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，其特征在于，包括：直流高压单元、触发单元、限流电阻、储能分压单元、雪崩晶体管串联单元及并联单元，所述直流高压单元与所述限流电阻连接，所述触发单元、所述限流电阻与所述雪崩晶体管串联单元连接，所述储能分压单元与所述雪崩晶体管串联单元连接，所述并联单元与所述触发单元、所述限流电阻连接，所述雪崩晶体管串联单元包括若干串联子单元，所述串联子单元包括一脉冲变压器、触发雪崩晶体管及若干普通雪崩晶体管，所述脉冲变压器的初级与所述触发单元连接，所述触发雪崩晶体管与所述普通雪崩晶体管串联，所述触发雪崩晶体管的基极与发射极与所述脉冲变压器的次级连接，所述并联单元包括若干并联子单元，所述并联子单元相互并联，所述并联子单元包括串联子单元及储能分压单元，所述并联子单元内的所述串联子单元与所述并联子单元内的所述储能分压单元连接，所述串联子单元均与所述触发单元连接，各所述串联子单元结构相同，各所述储能分压单元结构相同。
2.如权利要求1所述一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，其特征在于，所述雪崩晶体管串联单元又分为若干串联子单元，所述串联子单元内的雪崩晶体管的个数相等且有独立的触发管，所述串联子单元的供电由所述储能分压单元的电源模块或串联电容构成储能分压单元提供，并由所述触发单元独立触发，所述雪崩晶体管串联单元与所述储能分压单元构成串联支路，若所述雪崩晶体管串联单元中的某个所述串联子单元最先被触发而发生雪崩，串联子单元雪崩导通，两端电压为零，此时电源电压不变，使得加在级联的其它所述串联子单元两端的电压快速增加而发生雪崩，整个串联支路就雪崩导通。
3.如权利要求2所述一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，其特征在于，所述并联单元由相同的串联支路构成，即各并联支路的串联雪崩晶体管个数、串联子单元数目、储能分压单元参数完全相同，最为关键的是：为实现并联支路的雪崩同步，触发信号由触发单元中同步的脉冲变压器次级接入，为进一步减小分布参数的影响，脉冲变压器可分组共用磁芯和初级线圈，即脉冲变压器是由一初级多次级输出的脉冲变压器，且次级线圈匝数和引线长度完全相同，以此类推，分组脉冲变压器的初级并联接至触发单元中，脉冲变压器这种接法确保所有次级输出的触发脉冲同步，在同步脉冲的触发下，并联的各串联支路中共有多只触发雪崩晶体管被同步触发，即使触发雪崩晶体管存在参数差异，但每一串联支路有多次机会被以最快的速度触发雪崩导通，只要每一串联支路都以最快的速度雪崩导通，并联的串联支路自然就同步雪崩导通。
4.如权利要求3所述的雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，其特征在于，所述触发单元包括触发控制模块、脉冲功率放大模块，所述触发控制模块与所述脉冲功率放大模块连接，所述脉冲功率放大模块与所述雪崩晶体管串联单元连接。
5.如权利要求4所述的雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，其特征在于，所述触发单元包括触发控制模块、脉冲功率放大模块，所述触发控制模块与所述脉冲功率放大模块连接，所述脉冲功率放大模块与所述雪崩晶体管串联单元连接，进一步所述触发控制模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一非门、第二非门、第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门，或非门、第一电容及第二电容，所述第一电阻与所述第二电阻的一端及所述第三电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地，所述第三电阻的另一端与所述第一电容的一端及所述第一非门的输入端连接，所述第一电容的另一端接地，所述第一非门的输出端与所述第二非门的输入端及所述第二与非门的第二输入端连接，所述第二非门的输出端与所述第一与非门的第一输入端连接，所述第一与非门的输出端与所述第三与非门的第一输入端连接，所述第二与非门的输出端与所述第四与非门的第二输入端连接，所述第三与非门的输出端与所述第四与非门的第一输入端、所述或非门的第一输入端及所述脉冲功率放大模块连接，所述第四与非门的输出端与所述第三与非门的第二输入端、所述第四电阻的一端及所述脉冲功率放大模块连接，所述第四电阻的另一端与所述第二电容的一端及所述或非门的第二输入端连接，所述或非门的输出端与所述第一与非门的第二输入端及所述第二与非门的第一输入端连接。
6.如权利要求5所述的雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，其特征在于，所述脉冲功率放大模块包括转换开关、第一三极管、第二三极管、MOS管、第五电阻、第三电容，所述转换开关与所述触发控制模块、所述第一三极管的基极及所述第二三极管的基极连接，所述第一三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极与所述第一三极管的集电极及所述第三电容的一端连接，所述第三电容的另一端与所述第五电阻一端及所述MOS管的栅级连接，所述第五电阻另一端接地，所述MOS管的源级接地，所述MOS管的漏极与所述第二三极管的发射极构成输出端与所述雪崩晶体管串联单元连接。
7.如权利要求6所述的雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，其特征在于，所述储能分压单元包括若干串联电容，所述串联电容串联并与所述雪崩晶体管串联单元连接。
8.如权利要求7所述的雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，其特征在于，所述直流高压单元用于将低压直流供电经变换和倍压整流后，得到连续可调直流高压，用于向所述雪崩晶体管串联单元及所述并联单元供电，所述直流高压单元输出直流电压的幅值等于所述雪崩晶体管串联单元及所述并联单元的耐压值。
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