CN112583295B - 一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统和操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统及操作方法，涉及脉冲功率技术和快脉冲电源领域。该电源系统包括全状态判断单元1、信号解析与重成形单元2、脉冲变压器3、高压脉冲成形单元4、高压直流电源5、储能单元6、温度监测单元7。本发明与传统方法相比能够在保证幅值可调、纳秒前沿、脉冲宽度可调的基础上，实现高重频纳秒脉冲输出，最高工作频率可达500kHz，并且能够对自身工作状态实时监控，具有良好的可靠性。虽然系统方案不复杂，但能够提高驱动电源系统的工作稳定性和使用寿命，能够实时监测驱动电源系统的工作状态，及时对驱动电源系统的工作状态进行反馈，在脉冲电源应用领域中具有重要应用。

Description

一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统和操作方法
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术和快脉冲电源领域领域，具体涉及一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统和操作方法，可应用于医疗激光器及科研激光器等系统中。
背景技术
在医疗激光器、科研或专用工业加工类脉冲激光器、等离子发生器等领域，需要通过高压脉冲驱动电源提供一定幅值、频率、脉宽的脉冲驱动信号。特别是在脉冲激光器领域，高压脉冲驱动电源作为重要的组成部分，给普克尔盒(Pockels Cell,又称Q开关)提供精准的控制驱动信号，使激光器具备输出设定时序脉冲激光的功能。该使用状态下，要求高压脉冲驱动电源具备输出幅值可调、高重复频率(100kHz级)、快上升和下降沿、脉冲宽度可调的特点。
传统的高压脉冲驱动电源主要有两类：第一类是基于模块化Marx电路和脉冲叠加原理实现的重频纳秒脉冲源，具备千伏级幅值、纳秒级前沿和10kHz级重复频率的脉冲输出能力。但由于该技术路线下，输出脉冲幅值与Marx电路级数和脉冲叠加路数直接相关，一旦设计定型后，输出脉冲幅值调节范围有限，其次，其输出脉冲宽度无法任意调节，100kHz级重复频率的脉冲输出也较难实现。第二类为基于MOSFET或IGBT等开关器件串并联的脉冲驱动电源，虽然能够解决部分脉冲电源需求，但不能同时满足幅值可调、高重复频率(100kHz级)、快前沿、脉冲宽度可调等多项技术要求；且现有基于MOSFET或IGBT的纳秒脉冲电源也难以在高压脉冲输出的同时保持较高工作频率。
发明内容
为了克服现有技术中上述高压脉冲电源存在的缺陷,本发明提供一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统和操作方法，能够实现高重频纳秒脉冲输出，最高工作频率可达500kHz，并且能够对自身工作状态实时监控，具有良好的可靠性。
本发明采用的技术方案如下：
一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，包括安全状态判断单元、信号解析与重成形单元、脉冲变压器、高压脉冲成形单元、高压直流电源、储能单元、温度监测单元。
其中安全状态判断单元与信号解析与重成形单元、脉冲变压器、高压脉冲成形单元依次相连形成第一高压脉冲发生支路；同时安全状态判断单元通过高压直流电源、储能单元与高压脉冲成形单元相连形成第二电压电流监测支路；另外安全状态判断单元还通过温度监测单元与高压脉冲成形单元相连形成第三温度监测支路。第一高压脉冲发生支路、第二电压电流监测支路、第三温度监测支路的共同作用生成的高压脉冲输出与容性负载的输入相连，形成完整的电流回路。
在第二电压电流监测支路中，所述高压直流电源用于将24V直流转化为kV级的高压直流输出，所述储能单元由储能电容和限流电阻构成，主要用于将高压直流电源的高压直流电源储存在电容中，且储能单元还和高压脉冲成形单元直接连接并向高压脉冲成形单元提供足够的电能，从而为驱动电源系统提供高压供电；
同时高压直流电源将驱动电源系统的电流、电压值输出至所述安全状态判断单元，用于对驱动电源系统的实时电流电压进行监测。
在第三温度监测支路中所述温度监测单元用于监测高压脉冲成形单元中的功率器件的实时温度，保证在高重频工作模式下功率器件不至于因温度超限而长期工作状态异常。
在第一高压脉冲发生支路上，所述安全状态判断单元1用于接收外触发信号，并通过第二电压电流监测支路和第三温度监测支路对驱动电源系统当前的电流、电压、温度状态进行判断，并有且仅当所有状态正常时所述安全状态判断单元才响应外触发信号。
所述脉冲变压器分别连接信号解析与重成形单元和高压脉冲成形单元，主要用于将来自信号解析与重成形单元的开门信号ON、关门信号OFF转化为后级高压脉冲成形单元所需的驱动控制信号ON1、OFF1，并将驱动控制信号ON1、OFF1输出至高压脉冲成形单元，从而实现强弱电隔离。所述高压脉冲成形单元用于根据接收的驱动控制信号ON1、OFF1控制最终的高压脉冲输出波形。
所述安全状态判断单元1包括三个比较器(11、12、13)和一个与门逻辑芯片，且三个比较器(11、12、13)的输出信号与外部触发信号B同时连接至与门逻辑芯片的输入，经过与门逻辑芯片处理后的外触发信号C作为安全状态判断单元的信号输出至后级电路。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、与传统充电方法相比，本发明提供的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统方案，能够在保证幅值可调、纳秒前沿、脉冲宽度可调的基础上，实现高重频纳秒脉冲输出，最高工作频率可达500kHz。
2、本发明提供的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统方案虽然结构不复杂，但效果优异，能够提高驱动电源系统的工作稳定性和使用寿命等。
3、本发明提供的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统方案能够实时监测驱动电源系统的工作状态，并及时对驱动电源系统的工作状态进行反馈，在脉冲电源应用领域中具有重要应用。
附图说明
图1为本发明提供的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统结构示意图。
图2为图1所述电源系统的安全状态判断单元内部逻辑示意图。
图中各符号说明如下：安全状态判断单元1、信号解析与重成形单元2、脉冲变压器3、高压脉冲成形单元4、高压直流电源5、储能单元6、温度监测单元7，11、12、13为比较器，14为与门逻辑芯片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
实施例1为如图1所示的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，该系统包括安全状态判断单元1、信号解析与重成形单元2、脉冲变压器3、高压脉冲成形单元4、高压直流电源5、储能单元6、温度监测单元7。
其中安全状态判断单元1与信号解析与重成形单元2、脉冲变压器3、高压脉冲成形单元4依次相连形成第一高压脉冲发生支路；同时安全状态判断单元1通过高压直流电源5、储能单元6与高压脉冲成形单元4相连形成第二电压电流监测支路；另外安全状态判断单元1还通过温度监测单元7与高压脉冲成形单元4相连形成第三温度监测支路。第一高压脉冲发生支路、第二电压电流监测支路、第三温度监测支路的共同作用生成的高压脉冲输出与容性负载的输入相连，形成完整的电流回路。
在一个实施例中该容性负载为普克尔盒，也可以为其他容性开关，具体负载结构可以根据实际应用场景进行选择和设置。
在第二电压电流监测支路中，所述高压直流电源5用于将24V直流转化为kV级的高压直流输出，从而为驱动电源提供高压供电；由于驱动电源的高重频输出需求，高压直流电源5设计功率应满足最高工作频率时的供电需要，并考虑须考虑一定降额系数。
在一个实施例中所述高压直流电源5设计的额定功率为250W，能够充足覆盖工作频率内的功能需求。
同时高压直流电源5将驱动电源系统的电流、电压值输出至所述安全状态判断单元1，用于对驱动电源系统的电流、电压进行监测，从而能够实时向安全状态判断单元1反馈电压电流信号状态。
所述储能单元6由储能电容和限流电阻构成，主要用于将高压直流电源5的高压直流电源储存在电容中，保证高重频工作模式下的电源系统幅值的平稳。且储能单元6还和高压脉冲成形单元4直接连接并向高压脉冲成形单元4提供足够的电能。
在第三温度监测支路中所述温度监测单元7用于监测高压脉冲成形单元4中的MOSFET等功率器件，保证在高重频工作模式下功率器件不至于因温度超限而长期工作状态异常甚至损毁。
在第一高压脉冲发生支路上，所述安全状态判断单元1用于接收外触发信号，并通过第二电压电流监测支路和第三温度监测支路对驱动电源系统当前的电流、电压、温度状态进行判断，并有且仅当所有状态正常时所述安全状态判断单元1才响应外触发信号。
所述信号解析与成形单元2接收来自所述安全状态判断单元1响应的外触发信号，并对外触发信号进行解析分析，重新为后级输出解析后的开门信号(ON)、关门信号(OFF)。
所述脉冲变压器3分别连接信号解析与重成形单元2和高压脉冲成形单元4，主要用于将来自信号解析与重成形单元2的开门信号(ON)、关门信号(OFF)转化为后级高压脉冲成形单元4所需的驱动控制信号ON1、OFF1，并将驱动控制信号ON1、OFF1输出至高压脉冲成形单元4，从而实现强弱电隔离。
所述高压脉冲成形单元4主要由MOSFET开关组、阻尼电阻等构成，是驱动电源系统的关键单元，用于直接控制最终的高压脉冲输出波形。
实施例2
本实施例提供了一种上述安全状态判断单元1的内部逻辑结构，如图2所示。该安全状态判断单元1包括三个比较器11、12、13，且三个比较器11、12、13的输出信号与外部触发信号B同时连接至与门逻辑芯片14的输入。经过与门逻辑芯片14处理后的外触发信号C作为安全状态判断单元1的信号输出至后级电路。
在实际工作中该利安全状态判断单元1利用三个比较器11、12、13将电压、电流、温度信号分别同设置好的阈值信号(阈值信号1、阈值信号2、阈值信号3)进行比较，产生状态判断信号A1、A2、A3，状态正常时信号输出为高平‘1’，状态超限则信号输出为低电平‘0’。外触发信号到达驱动电源系统后，安全状态判断单元1通过‘与门’逻辑芯片14将外触发信号B及状态判断信号A1、A2、A3作‘与’运算，其输出信号即为能够正常响应的外触发信号C。当A1、A2、A3任一信号为超限低电平‘0’信号时，则驱动电源系统不响应外触发信号，并发出告警提示。该内部逻辑结构设计能够使驱动电源系统具备过压、过流、过温保护功能。
实施例3
本实施例提供一种基于前述任一驱动电源系统的操作方法，所述操作方法包括：
1)启动所述驱动电源系统，通过安全状态判断单元1持续对高压直流电源5的电压、电流信号与温度监测单元7的温度信号进行监测，并根据监测结果决定是否响应外部触发信号。
所述安全状态判断单元1利用比较器(11、12、13)将电压、电流、温度信号分别同设置好的阈值信号(阈值信号1、阈值信号2、阈值信号3)进行比较，产生对应的状态判断信号A1、A2、A3，若状态正常状态判断信号输出为高电平‘1’，若状态超限则状态判断信号输出为低电平‘0’。
另一方面外触发信号由外部控制设备提供，且该外触发信号的脉宽和频率决定驱动电源系统最终输出脉冲的脉宽和频率，因此所述驱动电源系统脉冲宽度可调。
当外触发信号到达驱动电源系统后，安全状态判断单元1通过‘与门’逻辑芯片14将外触发信号B及状态判断信号A1、A2、A3作‘与’运算，其输出信号即为能够正常响应的外触发信号C。当A1、A2、A3中任一输出为超限低电平‘0’信号，则驱动电源系统不响应外触发信号，并发出告警提示。
2)由安全状态判断单元1响应后的触发信号C传输到信号解析与重成形单元2，并分别依据触发信号的上升、下降沿产生开门信号ON和关门信号OFF。所述脉冲变压器3将接收到的开门信号ON、关门信号OFF转化为后级所需的驱动控制信号ON1、OFF1。
该脉冲变压器3主要是为了实现前后级电路间的强弱电隔离，保证驱动电源可靠性，合理的脉冲变压器设计能够最大限度降低信号转化造成的失真。
3)所述高压脉冲成形单元4接收到驱动控制信号ON1、OFF1后，通过控制MOSFET器件组的分时导通实现高压快脉冲的输出。
在一个实施例中所述高压脉冲成形单元4主要由MOSFET开关组、阻尼电阻等构成，本发明实施例设计中的MOSFET开关采用SiC器件，利用SiC器件优异的高温性能，是实现100kHz级工作频率的基础。传统Si材料MOSFET器件导通内阻RDS(on)一般都在欧姆级，而SiC材料MOSFET器件通常能够达到毫欧姆级，采用SiC器件能够明显降低导通损耗，从而提高系统效率。
详细设计中MOSFET器件组采用多级串联模式，并有均压设计。驱动控制信号ON1、OFF1通过控制MOSFET器件组的分时导通实现高压快脉冲的输出。而阻尼电阻起到限流、能量吸收、阻抗匹配功能，优化输出波形过冲的现象。
4)所述高压脉冲成形单元4通过两芯输出接口连接容性负载普克尔盒，从而形成完整的电流回路，所述两芯输出接口分别为高压脉冲(+)、高压脉冲(-)。
实施例4
本实施例用于所述驱动电源系统的热管理模式进行详细说明。通过充分散热设计实现良好的热管理，是保证高重频脉冲输出的基本保障。
一方面由于驱动电源系统中充电限流电阻、脉冲变压器3、MOSFET、阻尼电阻等均为功率器件，本发明实施例提供了两种散热设计，一是使用叠层铝制散热片配合风扇将热排除，二是利用水冷管道进行散热，可适应不同的应用场合。由于MOSFET为高压器件，因此本发明实施例采用绝缘性能与导热性能均优良的氮化铝作为MOSFET与铝制散热片之间的间隔材料。
另一方面为保证关键器件工作温度不突破设置温度阈值极限，本发明实施例设计有温度监测单元7用于实时监测驱动电源系统的温度。一旦系统温度超过设定阈值则暂时停止响应外触发信号，温度正常后可恢复工作。该温度监测设计方案可保证高重频工作模式下，功率器件不至于因温度超限而长期工作状态异常甚至损毁，提高驱动电源系统的工作稳定性和使用寿命。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，其特征在于，所述驱动电源系统包括安全状态判断单元(1)、信号解析与重成形单元(2)、脉冲变压器(3)、高压脉冲成形单元(4)、高压直流电源(5)、储能单元(6)、温度监测单元(7)；
其中安全状态判断单元(1)与信号解析与重成形单元(2)、脉冲变压器(3)、高压脉冲成形单元(4)依次相连形成第一高压脉冲发生支路；同时安全状态判断单元(1)通过高压直流电源(5)、储能单元(6)与高压脉冲成形单元(4)相连形成第二电压电流监测支路；另外安全状态判断单元(1)还通过温度监测单元(7)与高压脉冲成形单元(4)相连形成第三温度监测支路；第一高压脉冲发生支路、第二电压电流监测支路、第三温度监测支路的共同作用生成的高压脉冲输出与容性负载的输入相连，形成完整的电流回路；
所述信号解析与成形单元(2)接收来自所述安全状态判断单元(1)响应的外触发信号，并对外触发信号进行解析分析，重新为后级输出解析后的开门信号ON、关门信号OFF；
所述脉冲变压器(3)分别连接信号解析与重成形单元(2)和高压脉冲成形单元(4)，主要用于将来自信号解析与重成形单元(2)的开门信号ON、关门信号OFF转化为后级高压脉冲成形单元(4)所需的驱动控制信号ON1、OFF1，并将驱动控制信号ON1、OFF1输出至高压脉冲成形单元(4)，从而实现强弱电隔离；
所述高压脉冲成形单元(4)用于根据接收的驱动控制信号ON1、OFF1控制最终的高压脉冲输出波形；
所述高压脉冲成形单元(4)由MOSFET开关组、阻尼电阻构成，其中MOSFET开关采用SiC器件，MOSFET开关组采用多级串联模式，并有均压设计；驱动控制信号ON1、OFF1通过控制MOSFET开关组的分时导通实现高压快脉冲的输出；
在第三温度监测支路中所述温度监测单元(7)用于监测高压脉冲成形单元(4)中的MOSFET功率器件的实时温度，保证在高重频工作模式下功率器件不因温度超限而长期工作状态异常；同时使用叠层铝制散热片配合风扇将热排除，以及利用水冷管道进行散热。
2.如权利要求1所述的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，其特征在于，所述容性负载为普克尔盒。
3.如权利要求1所述的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，其特征在于，在第二电压电流监测支路中，所述高压直流电源(5)用于将24V直流转化为kV级的高压直流输出，所述储能单元(6)由储能电容和限流电阻构成，主要用于将高压直流电源(5)的高压直流电源储存在电容中，且储能单元(6)还和高压脉冲成形单元(4)直接连接并向高压脉冲成形单元(4)提供足够的电能，从而为驱动电源系统提供高压供电；
同时高压直流电源(5)将驱动电源系统的电流、电压值输出至所述安全状态判断单元(1)，用于对驱动电源系统的实时电流电压进行监测。
4.如权利要求1所述的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，其特征在于，所述安全状态判断单元1包括三个比较器(11、12、13)和一个与门逻辑芯片(14)，且三个比较器(11、12、13)的输出信号与外部触发信号同时连接至与门逻辑芯片(14)的输入，经过与门逻辑芯片(14)处理后的外触发信号作为安全状态判断单元(1)的信号输出至后级电路。
5.一种用于权利要求1-4任一高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统的散热方法，其特征在于，使用叠层铝制散热片配合风扇排除电源系统工作中产生的热量，二或者利用水冷管道对电源系统工作热量进行散热。
6.一种基于权利要求1-4任一高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统的操作方法，其特征在于，所述操作方法包括：
1)启动所述驱动电源系统，通过安全状态判断单元(1)持续对高压直流电源(5)的电压、电流信号与温度监测单元(7)的温度信号进行监测，并根据监测结果决定是否响应外部触发信号；
2)由安全状态判断单元(1)响应后的触发信号传输到信号解析与重成形单元(2)，并分别依据触发信号的上升、下降沿产生开门信号ON和关门信号OFF；所述脉冲变压器(3)将接收到的开门信号ON、关门信号OFF转化为后级所需的驱动控制信号ON1、OFF1；
3)所述高压脉冲成形单元(4)接收到驱动控制信号ON1、OFF1后，通过控制MOSFET器件组的分时导通实现高压快脉冲的输出；
4)所述高压脉冲成形单元(4)通过两芯输出接口连接容性负载普克尔盒，形成完整的电流回路。
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