CN112165313A - 一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路 - Google Patents

一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路，本发明主要包括隔离器件、充电电容和快速开关，整体电路为各级充电电容经隔离器件并联充电、在开关导通后各级充电电容串联放电产生高幅值脉冲，隔离器件能够有效隔离高幅值脉冲；具有对纳秒/亚纳秒脉冲隔离度高、绝缘能力强、充电速度快等特点，特别适用于高级数Marx电路设计以产生更高幅值的纳秒/亚纳秒脉冲。所述的磁珠和电阻相结合的隔离电路能够兼顾脉冲隔离度和充电速度的需要，满足产生高幅值高重频纳秒/亚纳秒脉冲的需要。

Description

一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路
技术领域
本发明涉及脉冲产生电路领域，具体涉及一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路。
背景技术
高幅值高重频纳秒/亚纳秒脉冲由于具有上升时间和持续时间极短、频谱范围宽的特点，广泛应用于超宽带雷达、激光物理、放电等离子体等领域；特别是高幅值纳秒/亚纳秒脉冲具有更高的峰值功率，高重复频率纳秒/亚纳秒脉冲具有更高的平均功率，更容易满足相关研究与应用需要。因此，有必要设计研制具有高幅值高重频特性的纳秒/亚纳秒脉冲产生电路。
目前常用的纳秒/亚纳秒脉冲产生电路所采用的快速开关主要包括气体开关和半导体开关。采用气体开关的亚纳秒脉冲源可产生高幅值亚纳秒脉冲，但由于开关恢复时间过长，难以产生高重频脉冲。采用半导体开关的固态脉冲源具有脉冲重复频率高、使用方便易控制、波形稳定性好等特点。高重频亚纳秒固态脉冲源中通常选择快速离子化开关(fastionization dynistor，简称FID)、延迟击穿二极管(delayed breakdown diode，简称DBD)和雪崩三极管等作为开关器件。其中，雪崩三极管是一种常用于纳秒/亚纳秒脉冲产生电路的商业化开关器件。由于具有开关速度快(15kV/ns以上)、击穿电压高(单管100V量级)、通流能力强(单管脉冲电流峰值10A量级)、开关抖动小、体积紧凑、成本较低、易于控制等特点，雪崩三极管已成为一种较为理想的中小功率纳秒/亚纳秒脉冲产生电路用开关器件。自双极型三极管问世以来，国内外很多研究机构都基于三极管的雪崩效应开展了纳秒或亚纳秒脉冲源的研究工作，设计研制的脉冲源已广泛应用于探地雷达、电磁兼容、生物电磁等研究领域。
Marx电路，也称Marx发生器，是脉冲功率技术中常用的脉冲产生电路，可以产生快前沿、高幅值的电脉冲。基本的工作原理是：首先，高压直流源通过电阻或电感构成的隔离电路网络对并联的各级电容进行充电；之后，通过触发指令控制使得电容之间的开关快速闭合，将各级电容迅速串联，并对负载放电以形成高幅值脉冲。以三极管为开关器件的亚纳秒脉冲产生电路常用的Marx电路拓扑结构为并联充电型Marx电路。与传统Marx电路不同，此类脉冲产生电路中各级的隔离器件(通常为隔离电阻)相互并联，因而每一级的充电回路各自独立，各级的充电过程几乎同时同步进行。并联充电型Marx电路的特点是各级电容的充电时间基本相同，但是电路的隔离度相比相同电阻值的传统Marx电路略差，因此适用于产生高重频中低压脉冲。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路，实现对基于雪崩管的脉冲产生电路的多方面优化，用于产生具有高幅值和高重频特性的纳秒/亚纳秒脉冲。
为了达到上述目的，本发明包括若干级充电电容组成的Marx电路，每级充电电容并联两组磁珠等效电路，每级充电电容与磁珠等效电路间设置有快速开关，快速开关与磁珠等效电路间设置有隔离电阻，快速开关通过触发电路控制，触发电路用于产生窄脉宽触发信号，快速开关采用雪崩三极管。
充电电容与对应开关共同组成开关-电容单元结构，所有开关-电容单元结构并联设置。
磁珠等效电路包括电感L，电感L并联频变电阻Rac和电容Cpar，电感L、频变电阻Rac和电容Cpar共同串联电阻Rdc。
快速开关通过并联电容和调整印制电路板结构的方法扩展脉冲流通路径，避免路径中出现显著的阻抗突变结构。
Marx电路为串联充电型Marx电路、并联充电型Marx电路或采用电阻和磁珠电感类器件相结合的Marx电路。
Marx电路的供电电源为直流电源，输出端为同轴接口，经同轴线缆输出脉冲。
触发电路控制的控制信号为方波信号源或窄脉冲信号源。
与现有技术相比，本发明主要包括隔离器件、充电电容和快速开关，整体电路为各级充电电容经隔离器件并联充电、在开关导通后各级充电电容串联放电产生高幅值脉冲，隔离器件能够有效隔离高幅值脉冲；具有对纳秒/亚纳秒脉冲隔离度高、绝缘能力强、充电速度快等特点，特别适用于高级数Marx电路设计以产生更高幅值的纳秒/亚纳秒脉冲。所述的磁珠和电阻相结合的隔离电路能够兼顾脉冲隔离度和充电速度的需要，满足产生高幅值高重频纳秒/亚纳秒脉冲的需要。本发明采用磁珠等效电路提高了对高幅值脉冲的隔离能力具有良好的脉冲隔离能力，即其低频等效电感值满足用于Marx电路的隔离电感参数设计要求，其高频等效电阻值远大于负载阻抗值，工作频带应基本覆盖脉冲主要频带；整体隔离电路中电阻与磁珠共同分担高幅值脉冲，具有良好绝缘能力。
进一步的，本发明，采用开关-电容单元的快速开关并联设计能够有效解决单个开关通流能力不足的问题，有效扩展脉冲电流的流通路径，改善并联后快速开关的分流一致性，提高开关整体的通流能力，在提高脉冲幅值的同时增强了脉冲产生电路的工作稳定性。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为传统的开关并联设计示意图；
图3为采用本发明开关-电容单元结构的快速开关并联设计示意图；
图4为本发明的实施例设计采用的100级基于磁珠-电阻隔离的Marx电路图；
图5为本发明的实施例样机产生的高幅值高重频亚纳秒(8.5kV/50kHz/150ps)脉冲示意图；
图6为本发明中磁珠等效电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括若干级充电电容组成的Marx电路，每级充电电容并联两组磁珠等效电路，每级充电电容与磁珠等效电路间设置有快速开关，快速开关与磁珠等效电路间设置有隔离电阻，快速开关通过触发电路控制，触发电路用于产生窄脉宽触发信号，快速开关采用雪崩三极管。充电电容与对应开关共同组成开关-电容单元结构，所有开关-电容单元结构并联设置。
快速开关通过并联电容和调整印制电路板结构的方法扩展脉冲流通路径，避免路径中出现显著的阻抗突变结构。Marx电路为串联充电型Marx电路、并联充电型Marx电路或采用电阻和磁珠电感类器件相结合的Marx电路。Marx电路的供电电源为直流电源，输出端为同轴接口，经同轴线缆输出脉冲。触发电路控制的控制信号为方波信号源或窄脉冲信号源。
参见图6，磁珠等效电路包括电感L，电感L并联频变电阻Rac和电容Cpar，电感L、频变电阻Rac和电容Cpar共同串联电阻Rdc。
本发明可以同时满足纳秒/亚纳秒脉冲产生电路输出脉冲幅值和重复频率提升的需要。在该Marx电路中，隔离电路采用并联电阻与串联磁珠相结合的设计，在具有并联充电型电路快速充电特性的同时又通过引入串联电感提高了隔离电路的脉冲隔离能力，且避免了隔离电阻两端直接承担全部脉冲电压。电路工作过程的分析如下：在该Marx电路充电过程中，由于磁珠在低频下等效阻抗仅为阻值很小的直流电阻，因此可以忽略不计。于是整个电路的充电方式与电阻隔离下并联充电型Marx电路基本一致，只是磁珠在选型时应当满足最大直流电流小于该电路的总充电电流。在Marx电路的脉冲成形过程中，隔离电阻和磁珠均参与了对脉冲的隔离，这样串并联结合的电路设计可以更加均匀的分担和隔离高幅值脉冲电压，缓解可能存在的绝缘设计不足等问题。该电路设计充分结合了隔离磁珠和隔离电阻在Marx电路应用中的主要优点，发挥了电阻的高隔离度特性和磁珠的低频低阻值特性。同时又利用了Marx电路隔离电路设计中并联充电和串联充电电路的各自优势，采用隔离电阻规避了直接使用磁珠可能带来的支路电流不均问题，采用串联的隔离磁珠在加强并联隔离电阻电路隔离能力的同时不会明显抑制电路的充电速度。该电路特别适用于具有较高级数的Marx电路，因为电路级数的增大不会在电路工作性能方面明显限制电路充电速度；另一方面，高幅值脉冲的电压会被各并联电阻支路和串联磁珠干路分压，使隔离器件避免在局部承受较大的脉冲电压。
然后分析开关并联设计方法。开关的并联或串联设计可以有效提高其组合后开关单元整体的通流能力或工作电压，便于应用在Marx电路等脉冲成形电路中以提高其输出参数指标。其中，为了获得更大的脉冲幅值，往往需要采用并联开关的方法使得组合后开关单元的通流能力增大。其中，并联设计的关键是实现各开关之间的分流一致性，即开关并联后的均流设计。在电力电子开关模块中，并联开关的均流设计常采用的均流控制与补偿等方法；然而，在纳秒/亚纳秒脉冲源中，由于脉冲持续时间极短且电路对分布参数变化较为敏感，各并联支路的分流难以实现调控与补偿。因此快速开关的均流设计必须围绕并联电路结构进行分析，通过优化电路布局提高各快速开关之间的分流一致性。如图2所示为传统的并联开关设计示意图。图中仅展示了电路中心部分结构，依据Marx电路结构分别安装有电阻、电容和三极管等器件，其中每级并联有三个三极管。为了满足三个三极管排列的需要，需要增大金属焊盘宽度，并尽量使三极管之间紧密排列以提高组合后开关单元的动作同步性。然而，在实验中如果直接采用此电路结构并增大电路级数，电路运行的稳定性很差，很容易出现三极管损坏问题。尽管电路结构对称，但是由于各级电容的封装大小远小于并联三极管的封装大小，脉冲电流流通路径表现为阻抗阶跃特点(从高阻抗段跳变为低阻抗段，反之亦然)，导致电流经电容流至各并联三极管的路径长度存在明显差异，因此出现了并联开关上电流密度分布不均的现象，造成了局部开关因过流而损坏的问题。针对此问题，提出了采用“开关-电容”单元的快速开关并联设计，如图3所示。其中，电路各级的电容从单个电容扩展为3个电容并联，并在电路设计中将电容和三极管一对一连接以组成“开关-电容”单元。在此电路中，多个电容的并联有效扩展了脉冲电流的流通路径，也缓解了从长条形焊盘至单个电容之间的阻抗突变结构，从而缓解了脉冲成形路径上的阻抗不匹配问题，改善了并联后快速开关的分流一致性，可以有效提高开关整体的通流能力和脉冲产生电路的工作稳定性。
最后，给出本发明的实施例。如图4所示为本发明的实施例设计采用的100级基于磁珠-电阻隔离的Marx电路。该Marx电路共100级，采用的电路板材为聚四氟乙烯板材，可以满足脉冲源的高频和绝缘特性需求。为了提高电路各级开关单元的通流能力，在电路的第1至第30级、第31至第70级、第71至第100级分别设计并联三极管个数为1个、2个和3个。其中，并联三极管电路采用了并联“开关-电容”单元的均流设计。采用高采样示波器和同轴衰减器对该脉冲产生电路的输出脉冲波形进行测量，如图5所示。所产生的高幅值高重频亚纳秒脉冲幅值达8.5kV，脉冲峰值功率达1.4MW，脉冲上升时间(10％-90％)约150ps，最大脉冲重复频率可达50kHz。

Claims (7)

1.一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路，其特征在于，包括若干级充电电容组成的Marx电路，每级充电电容并联两组磁珠等效电路，每级充电电容与磁珠等效电路间设置有快速开关，快速开关与磁珠等效电路间设置有隔离电阻，快速开关通过触发电路控制，触发电路用于产生窄脉宽触发信号，快速开关采用雪崩三极管。
2.根据权利要求1所述的一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路，其特征在于，充电电容与对应开关共同组成开关-电容单元结构，所有开关-电容单元结构并联设置。
3.根据权利要求1所述的一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路，其特征在于，磁珠等效电路包括电感L，电感L并联频变电阻Rac和电容Cpar，电感L、频变电阻Rac和电容Cpar共同串联电阻Rdc。
4.根据权利要求1所述的一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路，其特征在于，快速开关通过并联电容和调整印制电路板结构的方法扩展脉冲流通路径，避免路径中出现显著的阻抗突变结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路，其特征在于，Marx电路为串联充电型Marx电路、并联充电型Marx电路或采用电阻和磁珠电感类器件相结合的Marx电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路，其特征在于，Marx电路的供电电源为直流电源，输出端为同轴接口，经同轴线缆输出脉冲。
7.根据权利要求1所述的一种基于雪崩管的高幅值高重频快脉冲产生电路，其特征在于，触发电路控制的控制信号为方波信号源或窄脉冲信号源。
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