CN111416522A

CN111416522A - 一种新型的dsrd脉冲功率电路

Info

Publication number: CN111416522A
Application number: CN202010261855.5A
Authority: CN
Inventors: 梁琳; 皮意成
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-04-05
Filing date: 2020-04-05
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2040-04-05
Also published as: CN111416522B

Abstract

本发明公开了一种新型的DSRD脉冲功率电路，属于脉冲功率领域。针对目前DSRD脉冲电路对触发开关在耐压与通流能力方面要求高，或者负载输出电压脉冲峰值调节方法单一，或者电路中使用的可饱和变压器、磁开关需要额外复位电路等缺陷。一方面，本发明使用了饱和变压器和磁开关，同时饱和变压器饱和时间不受DSRD正向时间要求的约束，因此电路对触发开关的工作参数要求大大降低，且不需要利用额外的复位电路对可饱和变压器与磁开关进行复位；另一方面，本发明同时利用电容与电感作为储能模块中的储能元件，实现了在不改变电源电压的前提下，对负载上的电压脉冲峰值进行调节。

Description

一种新型的DSRD脉冲功率电路

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种新型的DSRD脉冲功率电路。

背景技术

脉冲功率技术是指在相当较长的时间内将能量存储起来，然后通过开关器件将储存起来的能量在很短的时间内释放到负载上，产生高功率电脉冲的电物理技术，在高功率微波、核物理技术、污水净化等领域有广泛应用。

在脉冲功率系统中，常用的一般为气体开关和液体开关，例如火花间隙、闸流管和油浸式开关，这些开关耐压高、通流大，但是工作不稳定，寿命低和工作频率低。随着近年来半导体开关的发展迅速，越来越多的半导体开关被应用到脉冲功率应用上，如电力电子中的晶闸管、绝缘栅双极性晶体管。这些开关工作频率高，工作稳定和寿命长，但是耐压低通流能力较弱。

为了适应脉冲功率技术的发展，专门应用于脉冲功率技术的脉冲功率技术半导体器件也在得到进一步的研究，例如：RSD(反向开关晶体管，Reversely SwitchedDynistor)、RBDT(反向阻断双端固态闸流管，ReverseBlocking Diode Thyristor)、DSRD(漂移阶跃恢复二极管，Drift Step Recovery Diode)等。DSRD就属于一种专门应用于脉冲功率领域的断路型半导体开关，其结构与PIN二极管结构相似，为P+-P-N-N+型四层结构，具有超短的反向恢复时间。DSRD具体的工作原理为在初始状态下，给DSRD提供一个正向的偏置电流，持续时间控制在一定的范围内，此时PN结附近会形成一个很薄且密度很高的非平衡等离子层，此时给DSRD施加一个反向电压，由于非平衡等离子层的存在，DSRD会流过一个反向电流，当DSRD反向流过的电荷量与正向流过的电荷量相同时，DSRD会迅速进入阻断状态，其转换时间一般为几纳秒。在实际应用中，DSRD一般与电感组合使用，用于在负载上形成一个电压脉冲，电压脉冲的脉宽在纳秒级别。

已有的DSRD脉冲电路，可以分为两个大类，第一类是初始能量在电感中的脉冲电路，结构如图1所示；第二类是初始能量在电容中的脉冲电路，结构如图2所示。受限于开关器件的工作水平，第一类DSRD脉冲电路无法输出峰值较大的电压脉冲，第二类DSRD脉冲电路，可以输出较大的峰值的电压脉冲，但是无法灵活的调节输出电压脉冲的峰值。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种新型的DSRD脉冲功率电路，其目的在于解决当前DSRD脉冲电路输出的电压脉冲峰值不易调节，且在输出高电压峰值的电压脉冲时，对触发开关工作参数要求高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种新型的DSRD脉冲功率电路，包括：储能模块、可饱和变压器Tr、第一能量转移模块、第二能量转移模块、第三能量转移模块、磁开关MS₁、DSRD和负载R_load；

所述储能模块，用于利用直流稳压电源对电容进行充能，并在可饱和变压器Tr处于饱和状态时，对电感进行充能；

所述第一能量转移模块，用于在可饱和变压器Tr重新处于未饱和状态时，将电容、电感储存的能量转移至可饱和变压器Tr副边，期间可饱和变压器Tr作为升压变压器；能量传递结束后，可饱和变压器Tr再次进入饱和状态；

所述第二能量转移模块，用于在磁开关MS₁处于未饱和状态时，使DSRD流过正向电流；

所述第三能量转移模块，用于在磁开关MS₁进入饱和状态时，使DSRD流过反向电流；

其中，可饱和变压器Tr和磁开关MS₁根据电路工作状态自动实现饱和状态与未饱和状态的切换，无需使用额外的复位电路进行复位；通过控制电感充能时间，或者控制直流稳压电源电压的大小，实现负载R_load输出电压脉冲峰值大小的灵活可调。

基于上述技术特征，本发明的有益效果为：一方面，电路使用了饱和变压器和磁开关，即使在输入电压较小的条件下，也可以输出高峰值的电压脉冲，因此电路对触发开关的工作参数要求大大降低，且不需要利用额外的复位电路对可饱和变压器与磁开关进行复位；另一方面，既可以在不改变电源电压的前提下，对负载上的电压脉冲峰值进行调节，也可以通过调节电源电压来调节负载上的电压脉冲峰值，调节方式灵活。

进一步地，所述储能模块包括由直流稳压电源、第一可控开关S₁、快恢复二极管D₀和第一电容C₁依次相连构成的第一储能模块；由直流稳压电源、第一电感L₁和可饱和变压器Tr原边依次相连构成的第二储能模块；所述第一能量转移模块由第一电容C₁、第二可控开关S₂、第一电感L₁、可饱和变压器Tr和第二电容C₂构成；所述第二能量转移模块由第二电容C₂、第三电感L₃、长反向恢复时间二极管D₁、第三电容C₃、第二电感L₂、DSRD和可饱和变压器Tr副边构成；所述第三能量转移模块由第三电容C₃、磁开关MS₁、DSRD和第二电感L₂构成；

所述第一储能模块，在第一可控开关S₁导通后，由直流稳压电源给第一电容C₁充电；

所述第二储能模块，在第一可控开关S₁导通且可饱和变压器Tr进入饱和状态后，由直流稳压电源给第一电感L₁充电；

所述第一能量转移模块，在第一可控开关S₁关断，第二可控开关S₂导通，可饱和变压器Tr重新处于未饱和状态时，将第一电容C₁、第一电感L₁中的能量传递给第二电容C₂，能量传递结束后，可饱和变压器Tr再次进入饱和状态；

所述第二能量转移模块，在第一能量转移模块对第二电容C₂的能量转移结束时，第二电容C₂通过第三电感L₃、长反向恢复时间二极管D₁、第三电容C₃、第二电感L₂、DSRD和可饱和变压器Tr副边放电，将能量转移到第三电容C₃上，期间DSRD流过正向电流；

所述第三能量转移模块，在第二能量转移模块对第三电容C₃的能量转移结束时，磁开关MS₁进入饱和状态，第三电容C₃通过磁开关MS₁、DSRD和第二电感L₂放电，将能两转移到第二电感L₂上，期间DSRD流过反向电流；其中，磁开关MS₁在第二电容C₂充能前进入饱和状态，在第三电容C₃充能时再次进入未饱和状态；

当第三电容C₃电压降低为0V时，DSRD迅速进入阻断状态，第二电感L₂上的电流迅速转移到负载R_load上，在负载R_load产生电压脉冲；

通过控制第一可控开关S₁的导通时间来控制第一电感L₁中存储的能量，或者控制直流稳压电源电压的大小控制第一电容C₁和第一电感L₁上的能量，实现负载R_load输出的电压脉冲峰值大小灵活可调；

可饱和变压器Tr和磁开关MS₁根据电路工作状态自动实现饱和状态与未饱和状态的切换，无需使用额外的复位电路进行复位。

进一步地，所述DSRD为Si DSRD或SiC DSRD。

进一步地，普通直流稳压电源无法输出较大的电流时，可以使用普通直流稳压电源并联大电容的方式来等效直流稳压电源。对应地有益效果为，普通可以输出较大电流的直流稳压电源成本较高，因此这种等效方法可以较小脉冲电路的成本。

进一步地，所述快恢复二极管D₀反向恢复时间在100ns以内，如肖特基SiC二极管。对应地有益效果为，二极管D₀反向恢复过程将导致第一电容C₁对第一电感L₁放电，从而无法控制第一电容C₁上面的电压大小，反向恢复时间小的二极管D₀可以确保C₁在充电完毕之后，电压保持稳定，从而可以精确地控制负载上电压脉冲的峰值大小。

进一步地，所述长反向恢复时间二极管D₁的反向恢复时间大于第二电容C₂通过第三电感L₃、长反向恢复时间二极管D₁、第三电容C₃、第二电感L₂、DSRD和可饱和变压器Tr副边放电，将能量传给第三电容C₃的时间。对应地有益效果为，D₁的反向恢复时间若小于C₂通过D₁、L₃、C₃、L₂、DSRD和Tr放电将能量传给电容C₃的时间，那么C₂的能量无法完全转移到C₃上，这会导致不必要的能量损耗，降低脉冲电路的工作效率。

进一步地，所述第一电容C₁、第二电容C₂满足关系：

其中，n为可饱和变压器Tr原边与副边的匝数比。对应地有益效果为，上述关系可以保证C₁上的能量通过可饱和变压器Tr完全的转移到电容C₂上，确保脉冲电路可以有较高的工作效率。

进一步地，第二电容C₂、第三电容C₃、第三电感L₃和第二电感L₂满足以下关系：

T可以决定DSRD正向电流导通时间，当电路使用Si DSRD，T属于70ns-150ns之间；当电路使用SiC DSRD，T为70ns以内。对应地有益效果为，上述关系可以保证C₂上的能量完全的转移到电容C₃上，同时可以保证DSRD正常工作，以确保脉冲电路有较高的工作效率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

本发明提出的DSRD脉冲电路同时使用电容和电感作为初始能量存储元件，可以通过调节电源电压或电感上存储的能量，灵活的调节输出电压脉冲峰值；电路使用了饱和变压器和磁开关，即使在输入电压较小的条件下，也可以输出高峰值的电压脉冲，因此电路对触发开关的工作参数要求大大降低，且不需要利用额外的复位电路对可饱和变压器与磁开关进行复位。

附图说明

图1是本发明实施例提供的初始能量在电感中的脉冲功率电路的电路结构示意图；

图2是本发明实施例提供的初始能量在电容中的脉冲功率电路的电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种新型的DSRD脉冲功率电路示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种新型的DSRD脉冲功率电路，包括：储能模块、可饱和变压器Tr、第一能量转移模块、第二能量转移模块、第三能量转移模块、磁开关MS₁、DSRD和负载R_load；储能模块，利用直流稳压电源对电容进行充能，并在饱和变压器Tr处于饱和状态时，对电感进行充能；第一能量转移模块，在可饱和变压器Tr重新处于未饱和状态时，将电容、电感储存的能量转移至可饱和变压器Tr副边，期间可饱和变压器Tr作用为升压变压器；能量传递结束后，可饱和变压器Tr再次进入饱和状态；第二能量转移模块，用于在磁开关MS₁处于未饱和状态时，使DSRD流过正向电流；第三能量转移模块，用于在磁开关MS₁进入饱和状态时，使DSRD流过反向电流；其中，可饱和变压器Tr和磁开关MS₁根据电路工作状态自动实现饱和状态与未饱和状态的切换，无需使用额外的复位电路进行复位；通过控制电感充能时间，或者控制直流稳压电源电压的大小，实现负载R_load输出电压脉冲峰值大小的灵活可调。

具体地，如图3所示，储能模块包括由直流稳压电源、第一可控开关S₁、快恢复二极管D₀和第一电容C₁依次相连构成的第一储能模块；由直流稳压电源、第一电感L₁和可饱和变压器Tr原边依次相连构成的第二储能模块；所述第一能量转移模块由第一电容C₁、第二可控开关S₂、第一电感L₁、可饱和变压器Tr和第二电容C₂构成；所述第二能量转移模块由第二电容C₂、第三电感L₃、长反向恢复时间二极管D₁、第三电容C₃、第二电感L₂、DSRD和可饱和变压器Tr副边构成；所述第三能量转移模块由第三电容C₃、磁开关MS₁、DSRD和第二电感L₂构成；第一储能模块，在第一可控开关S₁导通后，由直流稳压电源给第一电容C₁充电；第二储能模块，在第一可控开关S₁导通且可饱和变压器Tr进入饱和状态后，由直流稳压电源给第一电感L₁充电；第一能量转移模块，在第一可控开关S₁关断，第二可控开关S₂导通，可饱和变压器Tr重新处于未饱和状态时，将第一电容C₁、第一电感L₁中的能量传递给第二电容C₂，能量传递结束后，可饱和变压器Tr再次进入饱和状态；第二能量转移模块，在第一能量转移模块对第二电容C₂的能量转移结束时，第二电容C₂通过第三电感L₃、长反向恢复时间二极管D₁、第三电容C₃、第二电感L₂、DSRD和可饱和变压器Tr副边放电，将能量转移到第三电容C₃上，期间DSRD流过正向电流；其中，L₃作用一是限流作用，二是控制DSRD正向电流持续时间，应用中也可替换为电阻；第三能量转移模块，在第二能量转移模块对第三电容C₃的能量转移结束时，磁开关MS₁进入饱和状态，第三电容C₃通过磁开关MS₁、DSRD和第二电感L₂放电，将能两转移到第二电感L₂上，期间DSRD流过反向电流；其中，磁开关MS₁在第二电容C₂充能前进入饱和状态，在第三电容C₃充能时再次进入未饱和状态；

通过控制第一可控开关S₁的导通时间来控制第一电感L₁充能时间，进而控制器中存储的能量，或者控制直流稳压电源电压的大小控制第一电容C₁和第一电感L₁上的能量，实现负载R_load输出的电压脉冲峰值大小灵活可调；可饱和变压器Tr和磁开关MS₁根据电路工作状态自动实现饱和状态与未饱和状态的切换，无需使用额外的复位电路进行复位。

为了更好地解释上述脉冲电路，本发明实施例提供一组脉冲电路中各关键元件的参数，该参数并不唯一满足本发明要求的关系即可，各元件参数为，C₁＝200nF，L₁＝400nH，Tr的匝数比为10，C₂＝2nF，L₃＝400nH，D₁的反向恢复时间为4μs，C₃＝2nF，L₂＝12nH，R₁＝0.5Ω。该电路的一种工作过程如下：1)控制S₁开通，DC初始时刻将给C₁充能，同时DC电压施加在未饱和的Tr上，当饱和变压器Tr饱和时，DC给L₁充能；2)关断开关S₁，控制开关S₂开通，电容C₁与电感L₁发生谐振，电容C₁上的电压极性发生改变；3)由于电容C₁上的电压极性发生改变，可饱和变压器Tr又重新处于未饱和状态，此时Tr可以视为升压变压器，磁开关MS₁之前一直处于未饱和状态，因此大部分C₁上的电压通过Tr作用在磁开关MS₁上直到磁开关MS₁进入饱和状态，之后电容C₁通过Tr将能量传给电容C₂；4)在C₁将能量完全转移到电容C₂上时，由于C₁电压的作用可饱和变压器Tr刚好再次进入饱和状态，Tr等效于短路状态；5)由于MS₁在C₂充能之前就进入了饱和状态，因此当C₂通过L₃、D₁、C₃、L₂、DSRD放电时，MS₁再次进入未饱和状态，等效于断路状态，C₂将能量传给C₃的同时DSRD流过正向电流；6)当C₂上的能量全部传递给C₃时，磁开关MS₁在电容C₃上电压的作用下刚好再次进入饱和状态，等效于短路状态，C₃与L₂发生谐振作用，此时DSRD流过一个反向电流；7)当C₂上的能量全部转移到L₂时，DSRD反向流过的电荷量与正向的流过的电荷量刚好相同，DSRD迅速进入阻断状态，此时L₂上的能量迅速传递给R_load从而在R_load上形成电压脉冲。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型的DSRD脉冲功率电路，其特征在于，包括：储能模块、可饱和变压器Tr、第一能量转移模块、第二能量转移模块、第三能量转移模块、磁开关MS₁、DSRD和负载R_load；

2.根据权利要求1所述的一种新型的DSRD脉冲功率电路，其特征在于，所述储能模块包括由直流稳压电源、第一可控开关S₁、快恢复二极管D₀和第一电容C₁依次相连构成的第一储能模块；由直流稳压电源、第一电感L₁和可饱和变压器Tr原边依次相连构成的第二储能模块；所述第一能量转移模块由第一电容C₁、第二可控开关S₂、第一电感L₁、可饱和变压器Tr和第二电容C₂构成；所述第二能量转移模块由第二电容C₂、第三电感L3、长反向恢复时间二极管D₁、第三电容C₃、第二电感L₂、DSRD和可饱和变压器Tr副边构成；所述第三能量转移模块由第三电容C₃、磁开关MS₁、DSRD和第二电感L₂构成；

所述第二能量转移模块，在第一能量转移模块对第二电容C₂的能量转移结束时，第二电容C₂通过第三电感L3、长反向恢复时间二极管D₁、第三电容C₃、第二电感L₂、DSRD和可饱和变压器Tr副边放电，将能量转移到第三电容C₃上，期间DSRD流过正向电流；

3.根据权利要求1或2所述的一种新型的DSRD脉冲功率电路，其特征在于，所述DSRD为SiDSRD或SiC DSRD。

4.根据权利要求1或2所述的一种新型的DSRD脉冲功率电路，其特征在于，所述直流稳压电源由并联的普通直流稳压电源和电容构成。

5.根据权利要求2所述的一种新型的DSRD脉冲功率电路，其特征在于，所述快恢复二极管D₀反向恢复时间在100ns以内。

6.根据权利要求2所述的一种新型的DSRD脉冲功率电路，其特征在于，所述长反向恢复时间二极管D₁的反向恢复时间大于第二电容C₂通过第三电感L3、长反向恢复时间二极管D₁、第三电容C₃、第二电感L₂、DSRD和可饱和变压器Tr副边放电，将能量传给第三电容C₃的时间。

7.根据权利要求2或6所述的一种新型的DSRD脉冲功率电路，其特征在于，所述第一电容C₁、第二电容C₂满足关系：

其中，n为可饱和变压器Tr原边与副边的匝数比。

8.根据权利要求6或7所述的一种新型的DSRD脉冲功率电路，其特征在于，第二电容C₂、第三电容C₃、第三电感L₃和第二电感L₂满足以下关系：

T单位为ns，当电路使用Si DSRD，T∈[70,150]，单位为ns；当电路使用SiC DSRD，T≤70。