CN108964468B - 用于多种电压等级的高压发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于多种电压等级的高压发生器，其低通滤波单元的输出端连接到运算放大器的反相端，所述运算放大器的同相端通过电阻接地，所述电压放大单元与运算放大器相背的一端连接有一阻抗变换单元；所述电压放大单元进一步包括第一三极管、第二三极管和二极管，第一三极管、第二三极管各自的基极均与运算放大器连接；所述电子开关进一步包括：方波发生器、推挽电路、微分电路、变压器、模拟比较单元、RS触发器和功率单元；所述模拟比较单元包括并联连接的第一模拟比较器、第二模拟比较器，此第一模拟比较器的同相输入端与次级线圈的高电位输出端连接。本发明实现了放电与充电交替进行，且发生器对高压电源的充电速率几乎没有任何要求，几乎可以满足任意重复频率。

Description

用于多种电压等级的高压发生器
技术领域
本发明属于高电压功放技术领域，尤其涉及一种用于多种电压等级的高压发生器。
背景技术
现有用于多种电压等级的高压发生器包括信号源和高压放大器两部分。其现有信号发生器多采用C-RL并联谐振电路。这种电路要求高压电源的充电时间远小于放电时间间隔。对于高频次放电场合而言，这种电路工作原理不可行。原因是高压电源的充电速率与控制电压精度是一对矛盾，而且充电功率也太大。其次，现有电压发生器中高压放大器，DAC输出电压较低（如5V）。然而，在电磁兼容领域用户对衰减振荡波发生器不仅有谐振频率要求，而且还有输出电压和电流水平要求。考虑到用户负载阻抗是确定的，因此，就需要放大DAC输出的小信号。
发明内容
本发明目的是提供一种用于多种电压等级的高压发生器，该用于多种电压等级的高压发生器克服了现有技术不能在发生器工作时间充电的缺陷，重复利用了放电时间间隔进行充电，实现了放电与充电交替进行，且发生器对高压电源的充电速率几乎没有任何要求，满足5kV以上高压衰减振荡发生器技术要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于多种电压等级的高压发生器，包括：依次串联连接的高压电源充电端子、电子开关、谐振电路、运算放大器和电压放大单元，所述高压电源充电端子、电子开关的接点与接地之间设置有一存能模块，所述电子开关、谐振电路之间的接点与接地之间设置有一换流回路，所述谐振电路和运算放大器之间设置有一低通滤波单元，此低通滤波单元的输出端连接到运算放大器的反相端，所述运算放大器的同相端通过电阻接地，所述电压放大单元与运算放大器相背的一端连接有一阻抗变换单元；
所述电压放大单元进一步包括第一三极管、第二三极管和二极管，第一三极管、第二三极管各自的基极均与运算放大器连接，所述二极管位于第一三极管、第二三极管各自的集电极之间；所述阻抗变换单元进一步包括第三三极管、第四三极管，此第三三极管、第四三极管各自的基极分别与第一三极管、第二三极管各自的发射极连接，第三三极管、第四三极管各自发射极的接点作为所述用于多种电压等级的高压发生器的输出端；
所述电子开关进一步包括：方波发生器、推挽电路、微分电路、变压器、模拟比较单元、RS触发器和功率单元，所述方波发生器与推挽电路之间设置有一非门，所述推挽电路的输出端连接到微分电路的输入端，所述变压器次级侧具有次级线圈，所述次级线圈与模拟比较单元、RS触发器和功率单元依次串联；
所述微分电路的输出端连接到变压器初级侧的初级线圈，所述次级线圈均依次连接有所述模拟比较单元、RS触发器，此RS触发器的输出端连接到所述功率单元；
所述模拟比较单元包括并联连接的第一模拟比较器、第二模拟比较器，此第一模拟比较器的同相输入端与次级线圈的高电位输出端连接，此第一模拟比较器的反相输入端与次级线圈的低电位输出端连接，此第二模拟比较器的反相输入端与次级线圈的高电位输出端连接，此第二模拟比较器的同相输入端与次级线圈的低电位输出端连接；
所述RS触发器和功率单元之间设置有推挽放大电路，模拟比较单元内第一模拟比较器、第二模拟比较器各自的反相输入端作为相应的参考地电位端，该参考地电位端作为功率单元、推挽放大电路的接地端；所述功率单元两端分别连接高压电源充电端子和谐振电路；
所述存能模块由低速储能电容、中速储能电容、高速储能电容并联组成，所述低通滤波单元由第2电阻和第1电容组成。
上述技术方案中进一步改进方案如下：
1. 上述方案中，所述存能模块由低速储能电容、中速储能电容、高速储能电容并联组成。
2. 上述方案中，所述低通滤波单元由第2电阻和第1电容组成。
3. 上述方案中，所述微分电路包括电容和R1电阻，此电容与变压器的初级线圈串联，所述R1电阻与初级线圈并联。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1. 本发明用于多种电压等级的高压发生器，其克服了现有技术不能在发生器工作时间充电的缺陷，重复利用了放电时间间隔进行充电，实现了放电与充电交替进行，且发生器对高压电源的充电速率几乎没有任何要求，几乎可以满足任意重复频率，允许的最大放电重复频率可达5MHz以上（间隔小于200ns），满足5kV以上高压衰减振荡发生器技术要求，也完全可以覆盖包括军方和民用所有开放试验要求；其次，基于串联谐振电路可降低系统对高压充电电源的设计要求，且采用低通滤波单元将可将高频噪声滤除，换流回路保证了放电脉冲的可重复性，即连续多次放电。
2. 本发明用于多种电压等级的高压发生器，其采用了脉冲边缘检测先形成窄脉冲信号，在形成窄脉冲方波信号，再RS触发器还原形成浮动地电位解调方波信号，该浮动地电位解调方波信号经过推挽放大电路8放大至0~20V用以驱动功率单元7，驱动电路只需传递脉冲电压的上升沿和下降沿信息即可，无需传递功率信号，大大降低了耦合变压器的体积，突破了电子开关的任意脉宽技术，可满足电力变化和脉冲功率绝大多数应用；其次，其栅极浮动电源设计技术极大地方便了高压串联电子开关应用，与自举式驱动电路相比，这种驱动电路可满足任意电压等级（任意串联数）电子开关应用。
3. 本发明用于多种电压等级的高压发生器，其电压放大单元解决了DAC高频小信号升压和发生器阻抗变换问题；其次，其高压电源充电端子、电子开关的接点与接地之间设置有一存能模块，且存能模块由低速储能电容、中速储能电容、高速储能电容并联组成，很好地解决了快速蓄能与造价之间的矛盾。
附图说明
附图1为本发明用于多种电压等级的高压发生器局部结构示意图一；
附图2为本发明用于多种电压等级的高压发生器局部结构示意图二；
附图3为本发明振荡波高压发生器中电子开关局部结构示意图一；
附图4为附图3的局部结构示意图；
附图5为本发明振荡波高压发生器中电子开关局部结构示意图二。
以上附图中：1、高压电源充电端子；2、电子开关；21、方波发生器；22、推挽电路；23、微分电路；24、变压器；25、模拟比较单元；251、第一模拟比较器；252、第二模拟比较器；26、RS触发器；27、功率单元；28、推挽放大电路；281、第一功率MOS管；282、第二功率MOS管；283、第三功率MOS管；3、谐振电路；4、运算放大器；5、电压放大单元；6、存能模块；61、低速储能电容；62、中速储能电容；63、高速储能电容；7、换流回路；8、低通滤波单元；9、阻抗变换单元。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：一种用于多种电压等级的高压发生器，如附图所示，包括：依次串联连接的高压电源充电端子1、电子开关2、谐振电路3、运算放大器4和电压放大单元5，所述高压电源充电端子1、电子开关2的接点与接地之间设置有一存能模块6，所述电子开关2、谐振电路3之间的接点与接地之间设置有一换流回路7，所述谐振电路3和运算放大器4之间设置有一低通滤波单元8，此低通滤波单元8的输出端连接到运算放大器4的反相端，所述运算放大器4的同相端通过电阻接地，所述电压放大单元5与运算放大器4相背的一端连接有一阻抗变换单元9；
所述电压放大单元5进一步包括第一三极管Q1、第二三极管Q2和二极管D1，第一三极管Q1、第二三极管Q2各自的基极均与运算放大器4连接，所述二极管D1位于第一三极管Q1、第二三极管Q2各自的集电极之间；所述阻抗变换单元9进一步包括第三三极管Q3、第四三极管Q4，此第三三极管Q3、第四三极管Q4各自的基极分别与第一三极管Q1、第二三极管Q2各自的发射极连接，第三三极管Q3、第四三极管Q4各自发射极的接点作为所述用于多种电压等级的高压发生器的输出端。
所述电子开关2进一步包括：方波发生器21、推挽电路22、微分电路23、变压器24、模拟比较单元25、RS触发器26和功率单元27，所述方波发生器21与推挽电路22之间设置有一非门，所述推挽电路22的输出端连接到微分电路23的输入端，所述变压器24次级侧具有次级线圈，所述次级线圈与模拟比较单元25、RS触发器26和功率单元27依次串联；
所述微分电路23的输出端连接到变压器初级侧的初级线圈，所述次级线圈均依次连接有所述模拟比较单元25、RS触发器26，此RS触发器26的输出端连接到所述功率单元27；
所述模拟比较单元25包括并联连接的第一模拟比较器251、第二模拟比较器252，此第一模拟比较器251的同相输入端与次级线圈的高电位输出端连接，此第一模拟比较器251的反相输入端与次级线圈的低电位输出端连接，此第二模拟比较器252的反相输入端与次级线圈的高电位输出端连接，此第二模拟比较器252的同相输入端与次级线圈的低电位输出端连接；
所述RS触发器26和功率单元27之间设置有推挽放大电路28，模拟比较单元25内第一模拟比较器251、第二模拟比较器252各自的反相输入端作为相应的参考地电位端，该参考地电位端作为功率单元27、推挽放大电路28的接地端；所述功率单元27两端分别连接高压电源充电端子1和谐振电路3。
上述存能模块6由低速储能电容61、中速储能电容62、高速储能电容63并联组成。
实施例2：一种用于多种电压等级的高压发生器，包括：依次串联连接的高压电源充电端子1、电子开关2、谐振电路3、运算放大器4和电压放大单元5，所述高压电源充电端子1、电子开关2的接点与接地之间设置有一存能模块6，所述电子开关2、谐振电路3之间的接点与接地之间设置有一换流回路7，所述谐振电路3和运算放大器4之间设置有一低通滤波单元8，此低通滤波单元8的输出端连接到运算放大器4的反相端，所述运算放大器4的同相端通过电阻接地，所述电压放大单元5与运算放大器4相背的一端连接有一阻抗变换单元9；
所述电压放大单元5进一步包括第一三极管Q1、第二三极管Q2和二极管D1，第一三极管Q1、第二三极管Q2各自的基极均与运算放大器4连接，所述二极管D1位于第一三极管Q1、第二三极管Q2各自的集电极之间；所述阻抗变换单元9进一步包括第三三极管Q3、第四三极管Q4，此第三三极管Q3、第四三极管Q4各自的基极分别与第一三极管Q1、第二三极管Q2各自的发射极连接，第三三极管Q3、第四三极管Q4各自发射极的接点作为所述用于多种电压等级的高压发生器的输出端。
所述电子开关2进一步包括：方波发生器21、推挽电路22、微分电路23、变压器24、模拟比较单元25、RS触发器26和功率单元27，所述方波发生器21与推挽电路22之间设置有一非门，所述推挽电路22的输出端连接到微分电路23的输入端，所述变压器24次级侧具有次级线圈，所述次级线圈与模拟比较单元25、RS触发器26和功率单元27依次串联；
所述微分电路23的输出端连接到变压器初级侧的初级线圈，所述次级线圈均依次连接有所述模拟比较单元25、RS触发器26，此RS触发器26的输出端连接到所述功率单元27；
所述模拟比较单元25包括并联连接的第一模拟比较器251、第二模拟比较器252，此第一模拟比较器251的同相输入端与次级线圈的高电位输出端连接，此第一模拟比较器251的反相输入端与次级线圈的低电位输出端连接，此第二模拟比较器252的反相输入端与次级线圈的高电位输出端连接，此第二模拟比较器252的同相输入端与次级线圈的低电位输出端连接；
所述RS触发器26和功率单元27之间设置有推挽放大电路28，模拟比较单元25内第一模拟比较器251、第二模拟比较器252各自的反相输入端作为相应的参考地电位端，该参考地电位端作为功率单元27、推挽放大电路28的接地端；所述功率单元27两端分别连接高压电源充电端子1和谐振电路3。
上述微分电路23包括电容C1和R1电阻，此电容C1与变压器24的初级线圈串联，所述R1电阻与初级线圈并联。
上述低通滤波单元8由第2电阻和第1电容组成。
本发明用于多种电压等级的高压发生器中电子开关工作过程如下：首先，方波发生器21产生TTL方波信号经由微分电路23变换成只携带上升前沿和下降后沿的窄脉冲信号；然后，通过变压器24耦合，在变压器24次级侧的次级线圈形成处理后窄脉冲信号，处理后窄脉冲信号再经过模拟比较单元25形成窄脉冲方波信号，第一模拟比较器251的同相输入端与次级线圈的高电位输出端连接，此第一模拟比较器251的反相输入端与次级线圈的低电位输出端连接，将处理后窄脉冲信号中正窄脉冲转为为正窄脉冲方波，此第二模拟比较器252的反相输入端与次级线圈的高电位输出端连接，此第二模拟比较器252的同相输入端与次级线圈的低电位输出端连接，将处理后窄脉冲信号中负窄脉冲转为为负窄脉冲方波转为为正窄脉冲方波；
所述窄脉冲方波信号通过RS触发器26形成解调后的浮动地电位解调方波信号，该浮动地电位解调方波信号经过推挽放大电路28放大至0~20V用以驱动功率单元27，供电电源的GND电位嵌位在功率MOSFET源极电位上，极大地方便了高压串联电子开关应用。
本发明用于多种电压等级的高压发生器，如附图所示，其中，谐振电容采用云母电容，谐振电感采用空心螺线管，电子开关SW采用MOSFET和SBD（肖特基二极管）组合器件，高速储能、中速储能和低速储能电容分别采用云母电容、聚丙烯薄膜电容和电解电容，换流回路采用高压绕线电阻。该电路可扩展到5kV以上电压等级。
在低压高频（如100MHz）衰减振荡工作情况下，信号发生器部分可采用数字编程技术和DAC数模转换芯片实现。在这种应用中可通过如图2所示的电压放大器抬高输出电压，从而满足衰减发生器的输出电流水平和输出阻抗要求。
采用上述用于多种电压等级的高压发生器时，其克服了现有技术不能在发生器工作时间充电的缺陷，重复利用了放电时间间隔进行充电，实现了放电与充电交替进行，且发生器对高压电源的充电速率几乎没有任何要求，几乎可以满足任意重复频率，允许的最大放电重复频率可达5MHz以上（间隔小于200ns），满足5kV以上高压衰减振荡发生器技术要求，也完全可以覆盖包括军方和民用所有开放试验要求；其次，基于串联谐振电路可降低系统对高压充电电源的设计要求，且采用低通滤波单元将可将高频噪声滤除，换流回路保证了放电脉冲的可重复性，即连续多次放电；再次，其电压放大单元解决了DAC高频小信号升压和发生器阻抗变换问题；其次，其高压电源充电端子、电子开关的接点与接地之间设置有一存能模块，且存能模块由低速储能电容、中速储能电容、高速储能电容并联组成，很好地解决了快速蓄能与造价之间的矛盾。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于多种电压等级的高压发生器，其特征在于：包括：依次串联连接的高压电源充电端子（1）、电子开关（2）、谐振电路（3）、运算放大器（4）和电压放大单元（5），所述高压电源充电端子（1）、电子开关（2）的接点与接地之间设置有一存能模块（6），所述电子开关（2）、谐振电路（3）之间的接点与接地之间设置有一换流回路（7），所述谐振电路（3）和运算放大器（4）之间设置有一低通滤波单元（8），此低通滤波单元（8）的输出端连接到运算放大器（4）的反相端，所述运算放大器（4）的同相端通过电阻接地，所述电压放大单元（5）与运算放大器（4）相背的一端连接有一阻抗变换单元（9）；
所述电压放大单元（5）进一步包括第一三极管（Q1）、第二三极管（Q2）和二极管（D1），第一三极管（Q1）、第二三极管（Q2）各自的基极均与运算放大器（4）的输出端连接，所述二极管（D1）位于第一三极管（Q1）、第二三极管（Q2）各自的集电极之间；所述阻抗变换单元（9）进一步包括第三三极管（Q3）、第四三极管（Q4），此第三三极管（Q3）、第四三极管（Q4）各自的基极分别与第一三极管（Q1）、第二三极管（Q2）各自的发射极连接，第三三极管（Q3）、第四三极管（Q4）各自发射极的接点作为所述用于多种电压等级的高压发生器的输出端；
所述电子开关（2）进一步包括：方波发生器（21）、推挽电路（22）、微分电路（23）、变压器（24）、模拟比较单元（25）、RS触发器（26）和功率单元（27），所述方波发生器（21）与推挽电路（22）之间设置有一非门，所述推挽电路（22）的输出端连接到微分电路（23）的输入端，所述变压器（24）次级侧具有次级线圈，所述次级线圈与模拟比较单元（25）、RS触发器（26）和功率单元（27）依次串联；
所述微分电路（23）的输出端连接到变压器初级侧的初级线圈，所述次级线圈均依次连接有所述模拟比较单元（25）、RS触发器（26），此RS触发器（26）的输出端连接到所述功率单元（27）；
所述模拟比较单元（25）包括并联连接的第一模拟比较器（251）、第二模拟比较器（252），此第一模拟比较器（251）的同相输入端与次级线圈的高电位输出端连接，此第一模拟比较器（251）的反相输入端与次级线圈的低电位输出端连接，此第二模拟比较器（252）的反相输入端与次级线圈的高电位输出端连接，此第二模拟比较器（252）的同相输入端与次级线圈的低电位输出端连接；
所述RS触发器（26）和功率单元（27）之间设置有推挽放大电路（28），模拟比较单元（25）内第一模拟比较器（251）、第二模拟比较器（252）各自的反相输入端作为相应的参考地电位端，该参考地电位端作为功率单元（27）、推挽放大电路（28）的接地端；所述功率单元（27）两端分别连接高压电源充电端子（1）和谐振电路（3）；
所述存能模块（6）由低速储能电容（61）、中速储能电容（62）、高速储能电容（63）并联组成，所述低通滤波单元（8）由第2电阻和第1电容组成。
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