CN114301326A - 一种基于断路半导体开关的脉冲发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于断路半导体开关的脉冲发生器；包括一个LC型泵浦电路和两级DSRD开关堆体，所述LC型泵浦电路中包括有一个直流电源、一个前级开关、两个电容和三个电感，所述直流电源的输入端为电源端V0，所述前级开关为开关K，两个所述电容分别为电容C1和电容C2，三个所述电感分别为电感L1、电感L2和电感L3；两级所述DSRD开关堆体包括有DSRD1半导体开关和DSRD2半导体开关；本发明采用LC振荡电路提供驱动DSRD的泵浦电流；前级开关工作在零电流关断条件下，不存在开关大电流关断导致开关损坏问题，并且降低了对开关同步控制的要求；采用两级DSRD级联方式，降低了第二级DSRD所需泵浦电流的上升时间，从而提高输出脉冲电压的上升速率。
Description
技术领域
本发明属于脉冲发生器技术领域，具体涉及一种基于断路半导体开关的脉冲发生器。
背景技术
高压快前沿脉冲在超宽带雷达、等离子体产生、材料表面改性及生物医学研究等方面具有广泛的应用前景。传统的基于火花隙开关的快脉冲发生器虽然具有功率大的特点，但是由于受到开关电极烧蚀及绝缘气体恢复的影响，此类发生器重频通常在百Hz以内，并且很难实现长时间稳定运行；基于磁开关技术脉冲发生器虽然可实现数十kHz的重频运行，但其输出脉冲前沿通常较长，很难实现纳秒级前沿脉冲输出；随着功率半导体技术的发展，半导体开关在功率容量上有了很大的提升，其中基于等离子体层换流理论的断路半导体开关(DSRD)具有纳秒级的电流切断速度、数千伏的耐压等级及数MHz的运行能力，并且串并联方便，使得基于此类开关的电感储能型脉冲发生器具备高电压、快前沿及高重频的特点，逐步成为研究热点。
目前，基于DSRD的脉冲发生器主要有几种拓扑结构。专利《一种基于DSRD的高压快脉冲电源》(CN 208241573 U)一文中介绍了一种采用多级感应叠加电路驱动DSRD的电路，该结构可靠性高、抗干扰能力强，采用模块化设计理念有利于功率拓展和电路检修调试。该结构需要采用磁芯及脉冲变压器实现DSRD的驱动，体积重量不具有优势，并且在长时间运行情况下变压器和磁芯的温升会导致工作点的变化，从而影响输出买成波形的一致性。
专利《一种新型的DSRD脉冲功率电路》(CN 111416522 B)一文介绍了一种输出脉冲参数调节灵活的DSRD脉冲产生电路，该结构以电感和电容为初始储能元件，通过调节充电电压或电感储能来改变输出脉冲峰值，通过饱和变压器和磁开关的组合，在较低的工作电压下可以实现较高峰值的脉冲输出，从而降低对前级开关性能的要求。该结构采用两组前级可控开关，不利于结构的简化，并且在大电流关断条件下可能会导致开关的损坏，不利于高重频的应用，另外，同第一种结构类似，在长时间运行情况下饱和变压器和磁开关的温升也会影响输出脉冲的稳定性。
专利《一种亚纳秒高压脉冲产生电路》(CN 109004918 A)介绍了一种结构更为简单的DSRD脉冲发生电路，该电路只需一个电压源和一组前级开关，并且不需要变压器和磁芯，使得系统体积更为紧凑。根据该电路的工作原理，DSRD的反向泵浦电流需要前级开关的硬关断来提供，这增加了对前级开关同步控制的要求，另外与第二种结构类似，大电流关断可能会导致开关损坏，不利于高压高重频的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，包括一个LC型泵浦电路和两级DSRD开关堆体，所述LC型泵浦电路中包括有一个直流电源、一个前级开关、两个电容和三个电感，所述直流电源的输入端为电源端V0，所述前级开关为开关K，两个所述电容分别为电容C1和电容C2，三个所述电感分别为电感L1、电感L2和电感L3；
两级所述DSRD开关堆体包括有DSRD1半导体开关和DSRD2半导体开关。
优选的，所述电源端V0的后端电性连接所述电容C1，所述电容C1的后端电性连接所述电容C2，所述电容C2的后端电性连接所述电感L2，所述电感L2的后端电性连接所述电感L3。
优选的，所述开关K电性连接在所述电容C1的前端，所述电感L1电性连接在所述电容C2的前端，所述DSRD1半导体开关和DSRD2半导体开关分别电性连接在所述电感L3的两端。
优选的，所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关的另一端电性连接，所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关均并联连接。
优选的，所述电感L3的一端电性连接隔直电容Cd，所述隔直电容Cd的一端电性连接有负载电阻R，所述负载电阻R的另一端与所述DSRD2半导体开关的一端电性连接。
优选的，所述负载电阻R与所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关均并联连接，所述所述负载电阻R与所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关的一端电性接地。
优选的，所述前级开关在零电流关断条件下，所述开关K的门极不提供关断信号。
优选的，所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关之间通过所述电感L3电性连接，所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关同级同向电性连接，所述DSRD1半导体开关实现高压快脉冲输出，所述DSRD2半导体开关进一步提高输出脉冲电压上升速率。
优选的，所述电源端V0给所述电容C1充电，当所述开关K导通后所述电容C1放电，此时电路系统中形成四条放电回路，四条放电回路分别为C1-K-L1-C1、C1-K-DSRD1-L2-C2-C1、C1-K-DSRD2-L3-L2-C2-C1和C1-K-R-Cd-L3-L2-C2-C1，其中放电回路C1-K-DSRD1-L2-C2-C1和放电回路C1-K-DSRD2-L3-L2-C2-C1分别开启所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关的正向电流注入过程，由于所述DSRD2半导体开关相当于短路，并且所述隔直电容Cd的电容量很小，所以放电回路C1-K-R-Cd-L3-L2-C2-C1的电流较小。
优选的，所述C2充电完成后开始放电，其中放电回路C2-L2-DSRD1-L1-C2和放电回路C2-L2-DSRD1-K-C1-C2开启所述DSRD1半导体开关的反向电流抽取过程，放电回路C2-L2-L3-DSRD2-L1-C2和放电回路C2-L2-L3-DSRD2-K-C1-C2开启所述DSRD2半导体开关的反向电流抽取过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明创造性地设计了一种基于断路半导体开关(DSRD)的电感储能型脉冲发生器，与现有技术相比主要有以下几个优点：采用LC振荡电路提供驱动DSRD的泵浦电流，电路结构简单，只需要一个直流电源；LC振荡电路工作电流大，并且不存在饱和脉冲变压器因温升导致的长时间工作不稳定的问题；前级开关工作在零电流关断条件下，不存在开关大电流关断导致开关损坏的问题，并且降低了对开关同步控制的要求；采用两级DSRD级联的方式，进一步降低了第二级DSRD的所需泵浦电流的上升时间，从而提高输出脉冲电压的上升速率。该电路结构简单，电容、电感等元件参数调节方便，并且可通过DSRD的串并联来满足不同应用的需求。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，包括一个LC型泵浦电路和两级DSRD开关堆体，所述LC型泵浦电路中包括有一个直流电源、一个前级开关、两个电容和三个电感，所述直流电源的输入端为电源端V0，所述前级开关为开关K，两个所述电容分别为电容C1和电容C2，三个所述电感分别为电感L1、电感L2和电感L3；
两级所述DSRD开关堆体包括有DSRD1半导体开关和DSRD2半导体开关。
为了实现对系统的进行有效的供电运行，本实施例中，优选的，所述电源端V0的后端电性连接所述电容C1，所述电容C1的后端电性连接所述电容C2，所述电容C2的后端电性连接所述电感L2，所述电感L2的后端电性连接所述电感L3。
为了实现对系统进行有效的回路电性连接，本实施例中，优选的，所述开关K电性连接在所述电容C1的前端，所述电感L1电性连接在所述电容C2的前端，所述DSRD1半导体开关和DSRD2半导体开关分别电性连接在所述电感L3的两端。
为了实现并联形成回路，本实施例中，优选的，所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关的另一端电性连接，所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关均并联连接。
为了实现对电路系统进行安全防护，本实施例中，优选的，所述电感L3的一端电性连接隔直电容Cd，所述隔直电容Cd的一端电性连接有负载电阻R，所述负载电阻R的另一端与所述DSRD2半导体开关的一端电性连接。
为了保持系统的稳定运行，保持电路系统的安全性能，本实施例中，优选的，所述负载电阻R与所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关均并联连接，所述所述负载电阻R与所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关的一端电性接地。
为了实现对系统进行有效的控制调节，本实施例中，优选的，所述前级开关在零电流关断条件下，所述开关K的门极不提供关断信号。
为了实现对系统进行有效的实现脉冲输出控制调节，本实施例中，优选的，所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关之间通过所述电感L3电性连接，所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关同级同向电性连接，所述DSRD1半导体开关实现高压快脉冲输出，所述DSRD2半导体开关进一步提高输出脉冲电压上升速率。
为了实现对系统回路进行有效的电流输入和回流控制，本实施例中，优选的，所述电源端V0给所述电容C1充电，当所述开关K导通后所述电容C1放电，此时电路系统中形成四条放电回路，四条放电回路分别为C1-K-L1-C1、C1-K-DSRD1-L2-C2-C1、C1-K-DSRD2-L3-L2-C2-C1和C1-K-R-Cd-L3-L2-C2-C1，其中放电回路C1-K-DSRD1-L2-C2-C1和放电回路C1-K-DSRD2-L3-L2-C2-C1分别开启所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关的正向电流注入过程，由于所述DSRD2半导体开关相当于短路，并且所述隔直电容Cd的电容量很小，所以放电回路C1-K-R-Cd-L3-L2-C2-C1的电流较小。
为了实现对控制回路导通控制，本实施例中，优选的，所述C2充电完成后开始放电，其中放电回路C2-L2-DSRD1-L1-C2和放电回路C2-L2-DSRD1-K-C1-C2开启所述DSRD1半导体开关的反向电流抽取过程，放电回路C2-L2-L3-DSRD2-L1-C2和放电回路C2-L2-L3-DSRD2-K-C1-C2开启所述DSRD2半导体开关的反向电流抽取过程，由于前期正向电流的注入，在反向电流抽取阶段的初期所述DSRD2半导体开关相当于短路，因此所述电容C2的放电电流主要流经所述DSRD1半导体开关；当反向电流达到峰值附近所述DSRD1半导体开关关断，此时电流迅速流向处于短路状态的所述DSRD2半导体开关。
本发明的工作原理及使用流程：起始时刻电源端V0给电容C1充电，当开关K导通后电容C1放电，本电路系统共有四组放电回路C1-K-L1-C1、C1-K-DSRD1-L2-C2-C1、C1-K-DSRD2-L3-L2-C2-C1、C1-K-R-Cd-L3-L2-C2-C1，其中放电回路C1-K-DSRD1-L2-C2-C1和放电回路C1-K-DSRD2-L3-L2-C2-C1分别开启DSRD1半导体开关和DSRD2半导体开关的正向电流注入过程，由于该过程DSRD2半导体开关相当于短路，并且隔直电容Cd的电容量很小，所以放电回路C1-K-R-Cd-L3-L2-C2-C1的电流可以忽略；当电容C2充电完成后开始放电，其中放电回路C2-L2-DSRD1-L1-C2和放电回路C2-L2-DSRD1-K-C1-C2开启DSRD1半导体开关的反向电流抽取过程，同样四组放电回路中的放电回路C2-L2-L3-DSRD2-L1-C2和放电回路C2-L2-L3-DSRD2-K-C1-C2开启DSRD2半导体开关的反向电流抽取过程，由于前期正向电流的注入，在反向电流抽取阶段的初期DSRD2半导体开关相当于短路，因此电容C2的放电电流主要流经DSRD1半导体开关；当反向电流达到峰值附近DSRD1半导体开关关断，此时电流迅速流向处于短路状态的DSRD2半导体开关，反向抽取电流的上升速率很大程度上决定了DSRD2半导体开关输出脉冲的快慢，由于DSRD2半导体开关的关断时间通常为ns级，因此DSRD1半导体开关的关断为DSRD2半导体开关提供了迅速增长的反向抽取电流，同样当DSRD2半导体开关关断时，流经DSRD2半导体开关的反向电流流向负载电阻R，从而实现高压快前沿脉冲输出。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，包括一个LC型泵浦电路和两级DSRD开关堆体，其特征在于：所述LC型泵浦电路中包括有一个直流电源、一个前级开关、两个电容和三个电感，所述直流电源的输入端为电源端V0，所述前级开关为开关K，两个所述电容分别为电容C1和电容C2，三个所述电感分别为电感L1、电感L2和电感L3；
两级所述DSRD开关堆体包括有DSRD1半导体开关和DSRD2半导体开关。
2.根据权利要求1所述的一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，其特征在于：所述电源端V0的后端电性连接所述电容C1，所述电容C1的后端电性连接所述电容C2，所述电容C2的后端电性连接所述电感L2，所述电感L2的后端电性连接所述电感L3。
3.根据权利要求2所述的一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，其特征在于：所述开关K电性连接在所述电容C1的前端，所述电感L1电性连接在所述电容C2的前端，所述DSRD1半导体开关和DSRD2半导体开关分别电性连接在所述电感L3的两端。
4.根据权利要求3所述的一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，其特征在于：所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关的另一端电性连接，所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关均并联连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，其特征在于：所述电感L3的一端电性连接隔直电容Cd，所述隔直电容Cd的一端电性连接有负载电阻R，所述负载电阻R的另一端与所述DSRD2半导体开关的一端电性连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，其特征在于：所述负载电阻R与所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关均并联连接，所述所述负载电阻R与所述开关K、所述电感L1、所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关的一端电性接地。
7.根据权利要求1所述的一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，其特征在于：所述前级开关在零电流关断条件下，所述开关K的门极不提供关断信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，其特征在于：所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关之间通过所述电感L3电性连接，所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关同级同向电性连接，所述DSRD1半导体开关实现高压快脉冲输出，所述DSRD2半导体开关进一步提高输出脉冲电压上升速率。
9.根据权利要求5所述的一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，其特征在于：所述电源端V0给所述电容C1充电，当所述开关K导通后所述电容C1放电，此时电路系统中形成四条放电回路，四条放电回路分别为C1-K-L1-C1、C1-K-DSRD1-L2-C2-C1、C1-K-DSRD2-L3-L2-C2-C1和C1-K-R-Cd-L3-L2-C2-C1，其中放电回路C1-K-DSRD1-L2-C2-C1和放电回路C1-K-DSRD2-L3-L2-C2-C1分别开启所述DSRD1半导体开关和所述DSRD2半导体开关的正向电流注入过程，由于所述DSRD2半导体开关相当于短路，并且所述隔直电容Cd的电容量很小，所以放电回路C1-K-R-Cd-L3-L2-C2-C1的电流较小。
10.根据权利要求9所述的一种基于断路半导体开关的脉冲发生器，其特征在于：所述C2充电完成后开始放电，其中放电回路C2-L2-DSRD1-L1-C2和放电回路C2-L2-DSRD1-K-C1-C2开启所述DSRD1半导体开关的反向电流抽取过程，放电回路C2-L2-L3-DSRD2-L1-C2和放电回路C2-L2-L3-DSRD2-K-C1-C2开启所述DSRD2半导体开关的反向电流抽取过程。
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