CN108923641A - 一种基于dsrd的高压快脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DSRD的高压快脉冲电源，其特征在于，DSRD的泵浦电路为一感应叠加泵浦电路，包括M个脉冲功率模块；其中，每一所述脉冲功率模块包括开关S1、开关S2、储能电容C0、谐振电容C1、n:n匝谐振变压器T1和1:1匝的变压器T2，S1一端接地，另一端经C0与T1的初级连接，T1的初级另一端接地，T1的次级一端分别经谐振电容C1与变压器T2的初级连接、经开关S2接地，谐振变压器T1的次级另一端与变压器T2的初级另一端连接且分别接地；各所述脉冲功率模块的变压器T2的次级串联叠加在一起为DSRD堆栈提供双向泵浦脉冲。本发明解决了高重复频率DSRD快速泵浦电路脉冲功率叠加的问题。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域和带电粒子加速器技术领域，具体涉及一种基于DSRD的高压快脉冲电源，可用于产生千赫兹至兆赫兹重复频率、几纳秒至十几纳秒宽度、几千伏至几十千伏高压电脉冲装置。
背景技术
漂移阶跃恢复二极管(DSRD-Drift Step Recovery Diode)是一种具有特殊掺杂结构的半导体二极管断路开关，可用于电脉冲宽度的压缩和脉冲前沿的锐化，适用于产生高重复频率窄脉冲高压脉冲电源。
DSRD的泵浦电路是整个脉冲电源的重要组成部分。图1是一种典型的DSRD泵浦电路原理图和输出波形图，该电路的主要工作过程如下：第一步，当脉冲电源接受触发信号后，开关S1闭合，电容C1放电，产生一个正向电流脉冲I1流过DSRD，同时对电感L1充电，通常要求LC谐振半周期不大于几百个纳秒，此时大量的电子-空穴等离子体(剩余电荷)被储存在DSRD的pn结附近；第二步，当谐振电流换向的时候，控制开关S2闭合，由于DSRD的pn结被注入了大量的剩余电荷而无法立即关断，L1、C1支路的负向脉冲电流I1和C2通过L2的放电电流I2叠加在一起，构成反向电流Idsrd流过DSRD；第三步，通过选取合适的电路参数，确保当反向电流达到最大值时，注入的储存电荷正好被全部抽取完毕，随着pn节空间电荷区的恢复DSRD迅速关断，由于DSRD正向泵浦的脉冲很短(几百纳秒)，远小于基区少数载流子的寿命(>10μs)，剩余电荷在正向泵浦的过程中损失很少，因此注入的电荷和抽取的电荷基本上是相等的，即注入电流脉冲波形和抽取电流脉冲波形对时间的积分是相等的；第四步，DSRD迅速关断之后，由于L1、L2的续流作用，产生流过负载的脉冲电流，由于DSRD的关断速度很快，流过负载的输出脉冲电压幅度远高于外加电压(Um>>Uc)，脉冲前沿很快，一般为0.5ns～3ns，脉冲宽度取决L1和L2两个并联支路电感和负载电阻的时常数τ＝L/R，脉冲波形是一种指数衰减波形。如果要获得矩形脉冲波形，可以利用脉冲形成线或脉冲形成网络替代电感作为储能元件，输出脉冲的宽度是形成线电长度的2倍。该DSRD泵浦电路采用两个开关S1、S2进行换路，可以实现充电和放电回路的阻抗变换，具有高效的脉冲压缩作用，可以起到低压储能，高压放电的功效，这是单开关泵浦电路所不具备的优点。
如图2和图3，是美国SLAC国家加速器实验室的科学家曾提出的两种拓扑线路(一种是单开关模式，另一种是双开关模式)，可用于加速器注入带状线冲击器(strip-linekicker)的梯形波脉冲电源，这里采用传输线作为储能元件，与输出端的strip-linekicker及终端负载电阻构成完美的匹配放电系统，可以产生干净的电压脉冲波形。仿真结果表明，图2电路虽然只有1路开关S1，但是由于S1是工作在大电流关断的条件下，开关应力和损耗大，不利于高重复频率的应用，容易损坏；图3电路开关S1和S2均工作在零电流导通和关断状态下，电路更加安全可靠，且输出脉冲残余电压低。
DSRD的泵浦电流脉冲一般要求在几十纳秒至百纳秒的量级，因此很多常规的开关都可以满足电路中S1、S2的要求，例如：重氢闸流管，磁开关，场效应管(MOSFET)等。射频场效应管RF-MOSFET是一种高度商业化的大功率半导体固态开关器件，非常适用于高重复频率的脉冲电源线路，但是和其它半导体开关器件相似，MOSFET的开关速度往往和功率等级呈反比，单个商业化的RF-MOSFET器件工作电压一般小于1kV，工作电流一般小于100A。因此，要想应用RF-MOSFET泵浦DSRD获得几千伏以上的高压脉冲，必须采用脉冲功率叠加技术。常见的脉冲功率叠加拓扑结构有：串联叠加(series adder)、感应叠加(inductiveadder)、传输线变压器叠加(transmission line transformer adder)、马克斯发生器(Marx generator)等。
其中，感应叠加拓扑结构，如图4所示，该叠加线路由N个1:1匝的变压器组成，每个初级绕组分别由一个相对独立的放电模块驱动，储能电容采用并联充电，所有的次级绕组串联，可产生N倍于初级储能电压的高压脉冲，感应叠加变压器通常采用单匝同轴结构，有利于最小化变压器的漏感，控制脉冲波叠加和传输结构的特性阻抗。感应叠加拓扑最大的优点在于每一级变压器的原边放电开关都处在地电位，无须考虑开关驱动的隔离问题，电路抗干扰能力强；另一个优点是放电回路的所有元件均为低压元件，电路可靠性高；此外，感应叠加线路还可以实现冗余设计，单个放电模块损坏，电路仍可以正常工作。
感应叠加拓扑结构，比较适用于产生和叠加几十纳秒至百纳秒的脉冲，可以应用于DSRD的泵浦电路。对于图2所示的单开关泵浦电路，可直接应用典型的感应叠加电路替代S1和C0，而对于图3所示的更为安全可靠，输出脉冲波形残余电压低的双开关泵浦电路，却无法直接采用感应叠加拓扑实现脉冲功率的叠加。
发明内容
为了克服商业高速MOSFET开关输出脉冲功率低的不足，解决高重复频率DSRD快速泵浦电路脉冲功率叠加的问题，本发明结合图3DSRD泵浦电路和图4感应叠加电路的特点，经过一系列电路的等效变换，提出一种新型的DSRD快速泵浦电路拓扑(如图5所示)和具体实现方案。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于DSRD的高压快脉冲电源，包括DSRD的泵浦电路，高压脉冲形成线和DSRD组件，其特征在于，所述DSRD的泵浦电路为一感应叠加泵浦电路，包括M个脉冲功率模块；其中，每一所述脉冲功率模块包括开关S1、开关S2、储能电容C0、谐振电容C1、n:n匝谐振变压器T1和1:1匝的变压器T2，开关S1一端接地，另一端经储能电容C0与谐振变压器T1的初级连接，谐振变压器T1的初级另一端接地，谐振变压器T1的次级一端分别经谐振电容C1与变压器T2的初级连接、经开关S2接地，谐振变压器T1的次级另一端与变压器T2的初级另一端连接且分别接地；各所述脉冲功率模块的变压器T2的次级串联叠加在一起为DSRD堆栈提供双向泵浦脉冲。
进一步的，M个所述变压器T2形成的特性阻抗与高压脉冲形成线的阻抗相等。
进一步的，各所述脉冲功率模块的变压器T2的初级和次级绕组呈同轴结构。
进一步的，所述谐振电容C1采用高压瓷片电容阵列，排列呈圆周对称分布；所述储能电容C0采用高压瓷片电容阵列，排列呈圆周对称分布。
进一步的，所述开关S1、S2均采用N沟道大功率射频MOSFET，在电路板上分别呈圆周对称分布。
进一步的，所述谐振变压器T1采用同轴传输线绕制而成，传输线的内外导体构成所述谐振变压器T1的初级和次级绕组。
进一步的，采用一根高压同轴电缆作为所述高压脉冲形成线；在其末端的DSRD组件。
本发明在图3泵浦电路里引入一个1:1匝感应叠加变压器T2，并将谐振电容C1和L1等效至变压器的初级；为了保持感应叠加电路开关(S1和S2)接地的优点，引入一个n:n匝谐振变压器T1，谐振变压器T1的漏感Ls取代了谐振电感L1的作用，匝数n和变压器铁芯材料特性和尺寸有关，保证变压器不饱和，且有足够大的励磁电感。图5是一个6级感应叠加泵浦电路的实例，即6个脉冲功率模块通过一个次级串联的1:1同轴结构变压器叠加在一起，为DSRD堆栈提供高速(几十至一百纳秒)大电流(几百至上千安培)的双向泵浦脉冲。图5泵浦电路的工作过程和图1电路相似，首先S1开关闭合，储能电容C0通过谐振变压器T1给谐振电容C1充电，与此同时，变压器T2-1次级感应电流对DSRD进行正向泵浦，这个过程谐振半周期主要由电容C1、谐振变压器T1-1的漏感LS、脉冲形成线TL1电感、回路寄生电感和叠加级数N决定的；当谐振电流换相的时候，开关S1关断，S2导通，由于LS被S2旁路，DSRD反向泵浦回路阻抗减小，反向谐振电流幅度获得一定的增益，通过参数的匹配，可以使得反向泵浦电流达到峰值I时，正好注入DSRD的电荷全部被抽取完毕而恢复关断状态；随着DSRD的关断，储存在TL1上的电磁能量开始通过TL2向负载放电，TL1和TL2的特征阻抗是相等的，在DSRD关断的瞬间，将产生一对幅度为I/2的电流波，往相反方向入射进入TL1和TL2，进入TL2的波到达负载RL后形成了电脉冲的前沿，进入TL1的波到达终端后，由于终端短路电流反射系数为1，电流波被全反射回来，幅度为I/2，这样TL1上剩余的另一半能量将全部释放，最终在负载电阻上产生一个幅度为I/2，宽度为2倍形成线TL1电长度的梯形电流脉冲。
感应叠加线路可以通过次级绕组接地端的选择，方便地实现输出脉冲极性的反向，这也是所发明电路拓扑的优点之一。图6是该发明电路在双极性脉冲输出模式下的电路图，两组6级感应叠加模块组合在一起形成一个12级感应叠加线路，同时DSRD堆栈结构悬浮起来不再接地，可以产生两个时间上完全同步，幅度相等的双极性脉冲。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明的DSRD泵浦电路采用多级感应叠加电路，全部电路元件均为低压器件(<1kV)，电路的可靠性高；所有开关均处于地电位上，无须隔离驱动设计，电路简单，抗干扰能力强；感应叠加电路，可采用同轴变压器结构形式有利于控制电路寄生电感获得更快的泵浦速度，方便更改电源极性；采用模块化设计，方便功率拓展和电路的调试、排查、维修；采用冗余设计，有利于提高电路的可靠性。对于一个15kV的DSRD脉冲电源来说，6级感应叠加泵浦电路总的电压增益可以达到30倍以上，初级的充电仅需450V，大大降低了充电电源的成本；实现了脉冲电源的全固态化，可以产生高重复频率脉冲。
附图说明
图1为DSRD脉冲电源典型电路原理图和输出波形图；
(a)电路原理图，(b)输出波形图；
图2为一种单开关脉冲形成线储能的DSRD脉冲电源电路原理图；
图3为一种双开关脉冲形成线储能的DSRD脉冲电源电路原理图；
图4为感应叠加拓扑结构图；
图5为一种利用感应叠加电路泵浦的DSRD脉冲电源原理图；
图6为一种双极性输出的DSRD脉冲电源电路原理图；
图7为感应叠加模块电路板元件布局图；
图8为DSRD脉冲电源输出电压波形图。
具体实施方式
在下述具体实施示例中，结合附图对本发明进行进一步的详细说明。通过足够详细的描述这些实施示例，使得本领域技术人员能够实践本发明。在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，可以对实施做出逻辑的、实现的和其他的改变。因此，以下详细说明不应该被理解为限制意义，本发明的范围仅仅由权利要求来限定。
为了将感应叠加技术应用于DSRD的快速泵浦，本发明提出了一种简单可行的电路拓扑，充分发挥了感应叠加和DSRD的技术优势，实现了高压脉冲电源的全固态化、模块化、高电压增益、高重复频率和高可靠性。下面以一台幅度15kV/300A，脉冲平顶宽度5ns的脉冲电源为例，说明本发明的具体实施方式：
本发明整个脉冲电源由两部分组成，如图5所示，第一部分是DSRD泵浦电路，第二部分是高压脉冲储能和成形电路，包括脉冲形成线、DSRD堆栈电路和脉冲输出级线路。第一部分DSRD泵浦电路是脉冲电源的主体部分，是一个特殊的六级感应叠加器，按照模块化的设计思路，每一级设计成一个相对独立的模块，包括一个1:1匝的同轴变压器T2-1和相应泵浦电路。六个模块通过变压器的次级单匝绕组叠加起来，初级和次级绕组呈同轴结构，特性阻抗与脉冲形成线阻抗相等为50Ω，有利于最大限度地控制变压器的漏感。泵浦电路中的谐振电容C1和储能电容C0均采用多只高压瓷片电容并联连接组成电容阵列，电容阵列排布在同轴变压器T2磁环外围，呈圆周对称分布；开关S1和S2均采用多只N沟道大功率射频MOSFET并联组成，MOSFET导通电阻为正温度系数允许直接并联连接，S1和S2两组开关阵列分别排布在C0，C1电容阵列的外围也是呈圆周对称分布，如图7所示，这种对称紧凑的布局可以有效地降低回路的寄生电感；谐振变压器T1，是一个n:n匝的变压器，用同轴传输线绕制而成，传输线的内外导体构成了变压器的初次级绕组，这种形式的变压器可以精确的控制变压器的漏感，这个漏感是正向泵浦电路重要的谐振参数，和谐振电容C1一起决定了正向泵浦脉冲的宽度。第二部分，高压脉冲储能和成形电路，采用50Ω高压同轴电缆TL1作为储能元件，即脉冲形成线；在其末端的DSRD堆栈电路可以设计成一个独立的组件，包括一组串并联的DSRD、接地外壳和同轴高压电缆连接器，图5中D1表示一组串并联组合的DSRD阵列，具体数量取决于DSRD的功率等级；输出级线路通常由一根与脉冲形成线TL1阻抗匹配的高压同轴电缆TL2和终端匹配负载RL组成；在具体应用中，电磁脉冲发生装置(如：加速器中的带状线冲击器strip-line kicker)将串接在TL2和RL之间两部分电路在整体结构上呈同轴结构，高压射频信号全部被封闭在密闭外导体内，对外的电磁辐射很小。直流充电电压在450V条件下，单个模块泵浦DSRD可以获得3～4kV的高压脉冲，六个模块叠加可以获得脉冲幅度为15kV脉冲宽度为5ns的高压脉冲，如图8所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于DSRD的高压快脉冲电源，包括DSRD的泵浦电路，高压脉冲形成线和DSRD组件，其特征在于，所述DSRD的泵浦电路为一感应叠加泵浦电路，包括M个脉冲功率模块；其中，每一所述脉冲功率模块包括开关S1、开关S2、储能电容C0、谐振电容C1、n:n匝谐振变压器T1和1:1匝的变压器T2，开关S1一端接地，另一端经储能电容C0与谐振变压器T1的初级连接，谐振变压器T1的初级另一端接地，谐振变压器T1的次级一端分别经谐振电容C1与变压器T2的初级连接、经开关S2接地，谐振变压器T1的次级另一端与变压器T2的初级另一端连接且分别接地；各所述脉冲功率模块的变压器T2的次级串联叠加在一起为DSRD堆栈提供双向泵浦脉冲。
2.如权利要求1所述的基于DSRD的高压快脉冲电源，其特征在于，M个所述变压器T2形成的特性阻抗与高压脉冲形成线的阻抗相等。
3.如权利要求1或2所述的基于DSRD的高压快脉冲电源，其特征在于，各所述脉冲功率模块的变压器T2的初级和次级绕组呈同轴结构。
4.如权利要求1所述的基于DSRD的高压快脉冲电源，其特征在于，所述谐振电容C1采用高压瓷片电容阵列，排列呈圆周对称分布；所述储能电容C0采用高压瓷片电容阵列，排列呈圆周对称分布。
5.如权利要求1所述的基于DSRD的高压快脉冲电源，其特征在于，所述开关S1、S2均采用N沟道大功率射频MOSFET，在电路板上分别呈圆周对称分布。
6.如权利要求1所述的基于DSRD的高压快脉冲电源，其特征在于，所述谐振变压器T1采用同轴传输线绕制而成，传输线的内外导体构成所述谐振变压器T1的初级和次级绕组。
7.如权利要求1所述的基于DSRD的高压快脉冲电源，其特征在于，采用一根高压同轴电缆作为所述高压脉冲形成线。
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