CN114124043A - 一种基于光导开关和ltd电路的脉冲电源及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源及方法，采用高压充电系统和激光二极管触发系统连接高压形成系统，光电同步系统通过电触发信号触发高压充电系统，为每单元光导开关提供导通的高压条件；光电同步系统通过光触发信号触发激光二极管触发系统，激光二极管触发系统产生激光信号照射光导开关，高压形成系统用于输出高压重频纳秒脉冲，利用通过各单元分摊电流压力、各模块电压感应叠加，降低了对光导开关导通电流和耐受电压的要求，使光导开关稳定可靠，显著增加了装置的寿命，能够在高负载阻抗和低负载阻抗上都得到高幅值、快前沿、高重频的电压纳秒脉冲，并且寿命长，可靠性高，结构紧凑，体积小，重量轻。

Description

一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源及方法

技术领域

本发明属于脉冲功率放电和脉冲激光同步控制领域，具体涉及一种基于 光导开关和LTD电路的脉冲电源及方法。

背景技术

脉冲功率技术的本质是将能量在时间和空间尺度上进行压缩,以得到高 功率输出和高能量密度。自20世纪七十年代直线型变压器(Linear Transformer Driver，简称LTD)技术首次在俄罗斯Modul装置上实现应用 以来，LTD技术由于具有模块化、结构紧凑、设计灵活、能量传输效率高等 优点被普遍认为是一种有潜力实现重复频率运行的驱动源。在2007年国际脉 冲功率会议上，美国圣地亚国家实验室的负责人M.K.Matzen更是将LTD称为下一代脉冲功率技术。LTD脉冲功率技术中开关起着重要的作用，不仅决 定了脉冲功率装置的输出特性，在某种程度上甚至是脉冲功率系统成败的关 键。目前已研制成功的LTD主要采用气体开关，因体积大、电极烧蚀、使用 寿命不长、维护起来相对复杂，多以单次运行为主；江伟华等人率先将全固 态开关应用到LTD中，极大的提高了装置的紧凑型和重频性，但单个 MOSFET开关的功率容量小，为得到目标电压需以增大MOSFET数量为代 价，与此同时又带来了棘手的开关同步触发问题。综上LTD应用主要的瓶颈 在于开关的自身性能以及精确同步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源及方 法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，包括光电同步系统、高压充 电系统、激光二极管触发系统和高压形成系统，所述的光电同步系统用于通 过电触发信号控制高压充电系统对高压形成系统(4)中的储能器件充电；高 压充电系统和激光二极管触发系统均连接于高压形成系统，为每单元光导开 关提供导通的高压条件和光触发条件；光电同步系统用于通过光触发信号触 发激光二极管触发系统，激光二极管触发系统产生激光信号照射光导开关， 高压形成系统用于输出高压重频纳秒脉冲。

进一步的，光电同步系统内设有延时模块，用于实现电触发信号与光触 发信号之间的时间间隔。

进一步的，所述激光二极管触发系统包括LD驱动电路模块和LD模块， LD驱动电路模块用于将光触发信号转换为驱动信号进而使LD模块中激光 二极管发射激光。

进一步的，高压形成系统包括X级串联的LTD模块，X≥1，每一级LTD 模块的输出电压在副边依次串联叠加。

进一步的，高压形成系统的每一级LTD模块包括Y个基于光导开关的 单元，Y≥1。

进一步的，基于光导开关的单元包括光导开关和储能器件。

进一步的，LTD模块的每一个基于光导开关的单元都包含有相同的N级 基于光导开关的Marx电路，每级Marx电路连接一个光导开关和储能器件。

进一步的，所述激光二极管触发系统中的LD驱动电路模块和LD模块 与高压形成系统中的基于光导开关的单元的数量相同。

进一步的，电脉冲信号和光触发信号的重复频率、脉宽、幅值、相位可 调。

一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源的脉冲控制方法，包括以下步 骤：

根据光导开关偏置电压上升时间设定光电同步系统输出电触发信号和光 触发信号的间隔时间，然后利用光电同步系统分别利用电触发信号和光触发 信号触发高压充电系统与激光二极管触发系统，高压充电系统对高压形成系 统中的储能单元充电，提供光导开关所需的高压条件；各激光二极管触发单 元发出激光照射其对应的高压形成系统单元中的光导开关，提供其导通所需 的光源条件，高压形成系统根据接收到的光触发信号导通电流，在原边产生 的脉冲通过电磁感应耦合到副边进行串联叠加输出快前沿重复频率高压纳秒 脉冲。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，采用高压充电系统和 激光二极管触发系统连接高压形成系统，利用光电同步系统通过电触发信号 触发高压充电系统，为每单元光导开关提供导通的高压条件；光电同步系统 用于输出光触发信号触发激光二极管触发系统，激光二极管触发系统产生激 光信号照射光导开关，高压形成系统用于输出高压重频纳秒脉冲，采用这种 控制方式可以大大增加整体脉冲源的寿命，并且相较于激光器触发系统，采 用激光二极管触发系统，整体系统变得小型化、紧凑化，便于携带与实际应用，也大大地降低了其成本和运营中的维护价格。通过各单元分摊电流压力、 各模块电压感应叠加，降低了对光导开关导通电流和耐受电压的要求，使光 导开关稳定可靠，显著增加了装置的寿命，能够在高负载阻抗和低负载阻抗 上都得到高幅值、快前沿、高重频的电压纳秒脉冲，并且寿命长，可靠性高， 结构紧凑，体积小，重量轻；本发明采用的光导开关，其响应速度快、时间 抖动小、击穿电压高、重复频率高、光电隔离、抗干扰能力强，相对于之前 的半导体开关，耐压更高(10kV以上对半导体开关的1kV)。

进一步的，采用LTD单元分摊电流压力、各模块电压感应叠加，降低了 对光导开关导通电流和耐受电压的要求，使光导开关稳定可靠，显著增加了 装置的寿命，并且多单元并联降低了结构电感，可以使输出脉冲的前沿更快。

进一步的，LTD通过每一模块的磁芯实现电压的感应叠加，使整个装置 的电压化整为零，每一模块的LTD电路的电压较低，对绝缘的要求降低。

进一步的，将Marx电路与LTD电路相结合，相比于独立Marx电路， 可以使每一模块的LTD电路中每个单元的光导开关承受的电流变为原来的 1/Y(Y≥1)，既可以应用在高负载阻抗的场合，也可以应用在低负载阻抗的场 合。

附图说明

图1为本发明实施例中电路原理框图。

图2为本发明实施例中的高压形成系统示意图。

图3为本发明实施例中实施例的平台示意图。

图4(a)为本发明实施例的激光二极管触发系统和高压形成系统的俯视 图。

图4(b)为本发明实施例的高压形成系统的LTD模块1的高压形成单元 41中的2级基于光导开关的Marx电路示意图。

图中，1、光电同步系统；2、高压充电系统；3、激光二极管触发系统； 4、高压形成系统；41、LTD模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，包括光电同步 系统1、高压充电系统2、激光二极管触发系统3和高压形成系统4，所述的 光电同步系统1通过控制电路利用电触发信号控制触发高压充电系统2，高 压充电系统2与高压形成系统4连接为每单元光导开关提供导通的高压条件； 经过一定延迟后光电同步系统1再输出光触发信号触发激光二极管触发系统 3，激光二极管触发系统3产生激光信号照射光导开关，提供其导通所需的光 触发条件；高压形成系统4中的各级LTD模块的各个单元中的基于光导开关 的Marx电路同时导通，各模块原边产生的脉冲通过电磁感应耦合到副边依 次串联叠加输出高压重频纳秒脉冲。

所述光电同步系统1用于输出重复频率、脉宽、幅值、相位可调的电脉 冲信号和光触发信号；光电同步系统1输出的电触发信号与光触发信号之间 有时间间隔，此时间间隔量由光导开关偏置电压上升时间来设定；光电同步 系统1内设有延时模块，用于实现电触发信号与光触发信号之间的时间间隔， 由此可以大大提升光导开关的寿命。

所述激光二极管触发系统3包括LD驱动电路模块和LD模块，LD驱动 电路模块用于将光触发信号转换为驱动信号进而使LD模块中激光二极管发 射激光，为高压形成系统4中的光导开关提供导通所需的光源条件。

所述高压形成系统4由X(X≥1)级LTD模块串联组成，每一级LTD模 块等效成1：1的变压器，每一级LTD模块的输出电压在副边依次串联叠加， 在副边的第一级的上端和最后一级的下端输出X(X≥1)倍一级LTD模块的 输出电压。

所述高压形成系统4的每一级LTD模块包括Y个基于光导开关的单元， Y≥1，Y(Y≥1)个基于光导开关的单元并联向单级LTD的原边输出，因 此每个基于光导开关的单元承受实际负载上的电流的1/Y(Y≥1)。相比与独 立单元电路，将脉冲电源的脉冲电流通流容量提高了Y(Y≥1)倍，大大增 加了光导开关的寿命。

所述高压形成系统4中基于光导开关的单元包括光导开关和储能器件， 用于实现储能和基于光导开关的脉冲放电。

所述高压形成系统4的每一级LTD模块的每一个基于光导开关的单元都 包含有相同的N级基于光导开关的Marx电路，每级Marx电路连接一个光 导开关和储能器件，每个单元相比与单极Marx电路，将每单元的输出电压 提高了N(N≥1)倍。

所述激光二极管触发系统3中的LD驱动电路模块和LD模块与高压形 成系统4中的基于光导开关的单元的数量同为X×Y×N(X≥1，Y≥1，N≥1)个。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合基于光 导开关的2模块4单元2级Marx回路的LTD脉冲电源，对本发明的技术方 案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。

如图2、图3所示，光电同步系统中由555定时器构成的多谐振荡电路 产生初始控制脉冲，调节外围电路的电容和可变电阻，实现重频在1Hz～1 kHz间可调。多谐振荡电路产生的初始控制脉冲分为两路，一路经过脉宽调 制和电流放大后直接输出，即“电触发信号”，为了使充电时光导开关到达峰 值电压的时刻和LD发出激光的时刻同步，另一路要经过两个74LS192计数 器级联构成的延时模块后再输出，称为“光触发信号”；

电触发信号到达所述高压充电系统，同时所述系统外部输入直流电压， 通过回扫变压器将输入交流电在原边变为脉冲，并通过自耦变压器耦合到副 边产生高压，其幅值为+V_CC，经相同距离传输到达高压形成系统的LTD模块， 沿圆周方向分别传输1/4圆周到达高压形成系统的两个LTD模块的A、C 两点，再各自分别沿圆周方向传输1/8圆周与高压形成系统的LTD模块的 1～4高压形成单元中各Marx充电回路的两个并联电容储能装置C₁、C₂相连，将其分别充电至+V_CC，并为此时2级Marx回路中尚未导通的2个光导开关 提供其导通所需的高压条件；

经过一定延迟后光电同步系统输出光触发信号(控制信号)经等长距离 后分别到达激光二极管触发系统中的模块，光触发信号沿圆周方向分别传输 1/4圆周到达激光二极管触发系统中的来两个LTD模块的M、P两点，再 分别沿圆周方向传输1/8圆周到达激光二极管触发系统中的两个LTD模块 的1～4触发单元，经过脉冲整形、电流信号放大等操作将整形后的触发信号 传输到各激光二极管触发单元的2个LD电路中，LD同时发出激光照射到径向内侧所对应的高压形成系统的LTD模块的1～4高压形成单元2级Marx回 路中的2个光导开关，提供其导通所需的光源条件，在和高压条件的共同作 用下，高压形成系统的两个LTD模块的高压形成1～4单元各Marx回路中的 光导开关同时导通；

高压形成系统的LTD模块1和高压形成系统的LTD模块2中高压形成 1～4单元的2级Marx放电回路中第一级光导开关PCSS₁完全导通，因此电 容C₁左极板电位由+V_CC近似变为零，由于电容极板两端电势差不能突变， 故右极板电位变为-V_CC，且PCSS₂此时也处于完全导通状态，即电容C₂左极 板电位由+V_CC近似变为-V_CC，故高压形成1～4单元的Marx回路均输出-2V_CC。 高压形成系统1的4个高压形成单元并联在原边产生幅值约为2V_CC的负脉冲，通过磁芯的电磁感应耦合到副边，与此同时高压形成系统2的4个高压形成 单元并联产生的幅值约为2V_CC的负脉冲也通过磁芯耦合到副边，两脉冲在副 边进行串联叠加，最终在负载上输出约为4V_CC快前沿重复频率高压纳秒负脉 冲。

一种基于上述脉冲电源的高压脉冲控制方法，包括以下步骤：

S1，光电同步系统1作为控制电路，通过电触发信号(控制信号)触发 高压充电系统2，所述高压充电系统2与高压形成系统4相连，用于为各光 导开关的导通提供高压条件；触发前，高压充电系统对储能器件充电，提供 光导开关导通所需的高压条件。

S2，经过一定延迟后光电同步系统1再通过光触发信号(控制信号)通 过等长线路到达各激光二极管触发系统3；

S3，各激光二极管触发单元发出激光照射其对应的高压形成系统4单元 中的光导开关，提供其导通所需的光源条件；

S4，高压形成系统4中的各级LTD模块的各个单元中的基于光导开关的 Marx电路同时导通，在原边产生的脉冲通过电磁感应耦合到副边进行串联叠 加输出快前沿重复频率高压纳秒脉冲。

本发明采用的一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，工作稳定，可 靠性高，寿命长。光导开关导通时由于耐受电流的限制在较高输出功率下的 寿命与实际应用仍有很大的距离，LTD通过各单元分摊电流压力、各模块电 压感应叠加，降低了对光导开关导通电流和耐受电压的要求，使光导开关稳 定可靠，显著增加了装置的寿命；与此同时，长时间处于高压状态光导开关 的寿命会明显缩短，相反如果未到达电压峰值就开始工作会降低脉冲源的输 出功率，因此让光电同步系统(1)输出“电触发信号”后，经过一定的延时后 再输出“光触发信号”，此延时的时间量应由PCSS偏置电压上升时间来设定， 由延时模块来具体实现。双管齐下，使所述基于光导开关的LTD电路的脉冲 电源的寿命有了质的飞越；

同步高精度、重复频率高、结构紧凑化、成本低。相较于传统LTD、Marx 电路采用气体开关(体积大、重频低)和MOSFET(同步触发系统复杂)， 光导开关具有耐压高、开关速度快等显著优势，但触发光能量大，设备复杂， 本发明设计了模块化立体对称结构的激光二极管触发系统(3)高同步驱动 LD代替了体积庞大的激光器，使系统变得小型化、紧凑化，便于携带与实 际应用，也大大地降低了其成本和运营中的维护价格；

电压幅值高，脉冲前沿短。传统的全固态LTD、Marx电路多采用MOSFET， 单个开关击穿电压约为1kV，需多个MOSFET串并联才可达到目标高压， 但单个光导开关击穿电压可达10kV甚至更高，配合以各单元Marx回路各级 电压叠加以及LTD多模块串联，电压幅值显著提升；光导开关更是拥有ps 量级的开关速度，整个装置也十分紧凑，结构电感小，极大地缩短了脉冲前 沿；绝缘要求低，容易实现高电压输出。LTD通过每一模块的磁芯实现电压的感应叠加，使整个装置的电压化整为零，每一模块的LTD电路的电压较低， 对绝缘的要求降低；

负载适用范围广。将Marx电路与LTD电路相结合，相比于独立Marx 电路，可以使每一模块的LTD电路中每个单元的光导开关承受的电流变为原 来的1/Y(Y≥1)，既可以应用在高负载阻抗的场合，也可以应用在低负载阻 抗的场合。

以上内容是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明而已，并 不用于限制本发明，对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，所做的任何简单的推演、替换、修改、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，其特征在于，包括光电同步系统(1)、高压充电系统(2)、激光二极管触发系统(3)和高压形成系统(4)，所述的光电同步系统(1)用于通过电触发信号控制高压充电系统(2)对高压形成系统(4)中的储能器件充电；高压充电系统(2)和激光二极管触发系统(3)均连接于高压形成系统(4)，为每单元光导开关提供导通的高压条件和光触发条件；光电同步系统(1)用于通过光触发信号触发激光二极管触发系统(3)，激光二极管触发系统(3)产生激光信号照射光导开关，高压形成系统(4)用于输出高压重频纳秒脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，其特征在于，光电同步系统(1)内设有延时模块，用于实现电触发信号与光触发信号之间的时间间隔。

3.根据权利要求1所述的一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，其特征在于，所述激光二极管触发系统(3)包括LD驱动电路模块和LD模块，LD驱动电路模块用于将光触发信号转换为驱动信号进而使LD模块中激光二极管发射激光。

4.根据权利要求1所述的一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，其特征在于，高压形成系统(4)包括X级串联的LTD模块，X≥1，每一级LTD模块的输出电压在副边依次串联叠加。

5.根据权利要求4所述的一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，其特征在于，高压形成系统(4)的每一级LTD模块包括Y个基于光导开关的单元，Y≥1。

6.根据权利要求5所述的一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，其特征在于，基于光导开关的单元包括光导开关和储能器件。

7.根据权利要求5所述的一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，其特征在于，LTD模块的每一个基于光导开关的单元都包含有相同的N级基于光导开关的Marx电路，每级Marx电路连接一个光导开关和储能器件。

8.根据权利要求5所述的一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，其特征在于，所述激光二极管触发系统(3)中的LD驱动电路模块和LD模块与高压形成系统(4)中的基于光导开关的单元的数量相同。

9.根据权利要求1所述的一种基于光导开关和LTD电路的脉冲电源，其特征在于，电脉冲信号和光触发信号的重复频率、脉宽、幅值、相位可调。

10.一种用于权利要求1所述的脉冲电源的脉冲控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据光导开关偏置电压上升时间设定光电同步系统输出电触发信号和光触发信号的间隔时间，然后利用光电同步系统分别利用电触发信号和光触发信号触发高压充电系统与激光二极管触发系统，高压充电系统对高压形成系统中的储能单元充电，提供光导开关所需的高压条件；各激光二极管触发单元发出激光照射其对应的高压形成系统单元中的光导开关，提供其导通所需的光源条件，高压形成系统根据接收到的光触发信号导通电流，在原边产生的脉冲通过电磁感应耦合到副边进行串联叠加输出快前沿重复频率高压纳秒脉冲。

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