CN203219262U - 一种高压脉冲发生电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种高压脉冲发生电路，包括依次相接的触发脉冲输入电路、Marx首级连接电路、Marx级联电路和高压脉冲输出电路，以电源模块，Marx级联电路由k级级联连接的Marx电路构成，第i级Marx电路由折返二极管BODi1，电容Ci1，以及电阻Ri1和Ri2组成，折返二极管BODi1的阴极与电阻Ri1的一端和电容Ci1的一端相接，折返二极管BODi1的阳极与Marx首级连接电路或前一级Marx电路的输出端相接，电阻Ri1的另一端与电源模块的输出端VCC相接，电容Ci1的另一端通过电阻Ri2接地。本实用新型设计合理，体积小，工作可靠性高，抗干扰能力强，控制简易且可靠性高，便于推广使用。

Description

一种高压脉冲发生电路
技术领域
本实用新型属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种高压脉冲发生电路。
背景技术
在电力系统、地球探测及生物医学等领域经常需要高压脉冲发生装置来产生满足要求的高压脉冲或高压脉冲串来进行相关的实验。这些领域所需的脉冲电压往往在几十至几KV之间，所需输出电流相对较小，通常是以传统的Marx脉冲发生器来产生。
但传统的Marx脉冲发生器以空气放电球隙作为产生脉冲电压的控制开关，虽然可获得较大功率的高压脉冲，但其体积大，参数不易调节、抗干扰能力差，不适合应用于需求小功率高压脉冲的场合。为此，出现了采用如IGBT、雪崩三极管等可控电力电子器件替代空气放电球隙作为Marx脉冲发生器的控制开关，但这些可控器件的触发控制电路较复杂，增加了脉冲发生器的体积和控制难度。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高压脉冲发生电路，其结构简单，设计合理，实现方便，体积小，工作可靠性高，抗干扰能力强，控制简易且可靠性高，实用性强，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种高压脉冲发生电路，其特征在于：包括依次相接的触发脉冲输入电路、Marx首级连接电路、Marx级联电路和高压脉冲输出电路，以及为触发脉冲输入电路和Marx级联电路提供基准电压的电源模块，所述Marx级联电路由k级级联连接的Marx电路构成，第i级Marx电路由折返二极管BODi1，电容Ci1，以及电阻Ri1和Ri2组成，所述折返二极管BODi1的阴极与电阻Ri1的一端和电容Ci1的一端相接，所述折返二极管BODi1的阳极为第i级Marx电路的输入端且与Marx首级连接电路或前一级Marx电路的输出端相接，所述电阻Ri1的另一端与电源模块的输出端VCC相接，所述电容Ci1的另一端为第i级Marx电路的输出端且通过电阻Ri2接地；其中，i=1～k，k为自然数。
上述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述触发脉冲输入电路由折返二极管BOD0，IGBT功率开关管Q1，电容C5，以及电阻R0、R10和R11组成，所述电阻R0的一端与电源模块的输出端VCC相接，所述电阻R0的另一端与折返二极管BOD0的阴极相接，所述折返二极管BOD0的阳极与IGBT功率开关管Q1的集电极和电阻R10的一端相接，所述IGBT功率开关管Q1的栅极和电阻R11的一端均与触发信号Vi的正极Vi+相接，所述电阻R10的另一端通过电容C5接地，所述IGBT功率开关管Q1的发射极、电阻R11的另一端和触发信号Vi的负极Vi-均接地，所述电阻R0与折返二极管BOD0的连接端为所述触发脉冲输入电路的输出端。
上述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述IGBT功率开关管Q1的型号为IHW20N120R3。
上述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述折返二极管BOD0的型号为IXBOD1-06。
上述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述Marx首级连接电路由电容C1和电阻R1组成，所述电容C1的一端为所述Marx首级连接电路的输入端，所述电容C1的另一端为所述Marx首级连接电路的输出端且通过电阻R1接地。
上述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述k的取值为2～13。
上述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述折返二极管BODi1的型号为IXBOD1-10。
上述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述高压脉冲输出电路由电阻Ro1和Ro2构成，所述电阻Ro1的一端与第k级Marx电路的输出端相接且为所述高压脉冲输出电路的高压脉冲信号Vo的正极输出端Vo+，所述电阻Ro1的另一端与所述电阻Ro2的一端相接，所述电阻Ro2的另一端接地且为所述高压脉冲输出电路的高压脉冲信号Vo的负极输出端Vo-。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、本实用新型电路结构简单，设计合理，实现方便。
2、本实用新型采用折返二极管BOD代替传统Marx电路中的空气放电球隙，折返二极管BOD是一种新型不控型电力电子器件，目前主要用于晶闸管门极电路的保护，具有高压小电流的特点，在正向压降超过其击穿电压后，BOD的正向电流会急剧上升，所承受的正向压降也急剧下降；当正向电流小于一定值时，BOD又恢复对正向电压的阻断能力，具有类似于空气放电球隙的特性，可用于中小功率高压脉冲发生电路中，减小电路的体积、简化电路的控制；因此，本实用新型在减小了体积、提高了可靠性的同时，保证了高压脉冲发生电路控制的简易性，保证了控制的可靠性。
3、本实用新型通过调整充放电电阻和储能电容的参数，可实现对输出高压脉冲陡度和宽度的调整，实现峰值电压为2800V、拖尾最小时间为微秒级的高压尖峰脉冲。
4、本实用新型的抗干扰能力强，实用性强，特别适合中小功率的高压小电流脉冲需求场合，便于推广使用。
综上所述，本实用新型结构简单，设计合理，实现方便，体积小，工作可靠性高，抗干扰能力强，控制简易且可靠性高，实用性强，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型的电路原理框图。
图2为本实用新型的电路原理图。
附图标记说明:
1—触发脉冲输入电路；2—Marx首级连接电路；3—Marx级联电路；
4—高压脉冲输出电路；5—电源模块。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实用新型包括依次相接的触发脉冲输入电路1、Marx首级连接电路2、Marx级联电路3和高压脉冲输出电路4，以及为触发脉冲输入电路1和Marx级联电路3提供基准电压的电源模块5，所述Marx级联电路3由k级级联连接的Marx电路构成，第i级Marx电路由折返二极管BODi1，电容Ci1，以及电阻Ri1和Ri2组成，所述折返二极管BODi1的阴极与电阻Ri1的一端和电容Ci1的一端相接，所述折返二极管BODi1的阳极为第i级Marx电路的输入端且与Marx首级连接电路2或前一级Marx电路的输出端相接，所述电阻Ri1的另一端与电源模块5的输出端VCC相接，所述电容Ci1的另一端为第i级Marx电路的输出端且通过电阻Ri2接地；其中，i=1～k，k为自然数。
如图2所示，本实施例中，所述触发脉冲输入电路1由折返二极管BOD0，IGBT功率开关管Q1，电容C5，以及电阻R0、R10和R11组成，所述电阻R0的一端与电源模块5的输出端VCC相接，所述电阻R0的另一端与折返二极管BOD0的阴极相接，所述折返二极管BOD0的阳极与IGBT功率开关管Q1的集电极和电阻R10的一端相接，所述IGBT功率开关管Q1的栅极和电阻R11的一端均与触发信号Vi的正极Vi+相接，所述电阻R10的另一端通过电容C5接地，所述IGBT功率开关管Q1的发射极、电阻R11的另一端和触发信号Vi的负极Vi-均接地，所述电阻R0与折返二极管BOD0的连接端为所述触发脉冲输入电路1的输出端。本实施例中，所述IGBT功率开关管Q1的型号为IHW20N120R3。所述折返二极管BOD0的型号为IXBOD1-06。触发脉冲输入电路1为整个高压脉冲发生电路的首级触发电路，触发脉冲输入电路1根据外部输入的触发信号Vi控制IGBT功率开关管Q1的开通与关断，从而控制折返二极管BOD0的导通与关断，进而控制Marx级联电路3中的第1级Marx电路的放电回路的导通与关断。电阻R0、R10和R11以及电容C5均起保护作用。
如图2所示，本实施例中，所述Marx首级连接电路2由电容C1和电阻R1组成，所述电容C1的一端为所述Marx首级连接电路2的输入端，所述电容C1的另一端为所述Marx首级连接电路2的输出端且通过电阻R1接地。Marx首级连接电路2用于连接触发脉冲输入电路1和Marx级联电路3中的第1级Marx电路，电容C1为储能电容，电阻R1为放电电阻，在有触发信号Vi输入时，Marx首级连接电路2中的电容C1通过电阻R1和触发脉冲输入电路1组成的回路放电，为第1级Marx电路提供放电回路；在没有触发信号Vi输入时，Marx首级连接电路2阻断第1级Marx电路放电。
本实施例中，所述k的取值为2～13，即所述Marx级联电路3由2～13级级联连接的Marx电路构成。所述折返二极管BODi1的型号为IXBOD1-10。具体实施时，构成第1级Marx电路的折返二极管BOD11的阳极与Marx首级连接电路2的输出端相接，构成2级Marx电路的折返二极管BOD21的阳极与第1级Marx电路的输出端（即电容C11的另一端）相接，构成3级Marx电路的折返二极管BOD31的阳极与第2级Marx电路的输出端（即电容C21的另一端）相接，以此类推。第i级Marx电路中，电容Ci1为储能电容，电阻Ri1为充电电阻，电阻Ri2为放电电阻。在没有触发信号Vi输入时，各级Marx电路由电源模块5通过本级的充电电阻和放电电阻为本级的储能电容充电；在有触发信号Vi输入时，本级的储能电容通过本级的放电电阻和前一级Marx电路的放电支路形成的放电回路放电，为本级折返二极管提供击穿电压，从而为下一级Marx电路提供放电支路。
如图2所示，本实施例中，所述高压脉冲输出电路4由电阻Ro1和Ro2构成，所述电阻Ro1的一端与第k级Marx电路的输出端相接且为所述高压脉冲输出电路4的高压脉冲信号Vo的正极输出端Vo+，所述电阻Ro1的另一端与所述电阻Ro2的一端相接，所述电阻Ro2的另一端接地且为所述高压脉冲输出电路4的高压脉冲信号Vo的负极输出端Vo-。高压脉冲输出电路4接在最后一级Marx电路的输出端与地之间，由输出电阻Ro1和Ro2组成，用于改善高压脉冲发生电路的带载能力。
本实用新型输入一路幅值为VCC的基准电压和一路高压可控开关器件控制信号Vi，输出一路高压小电流脉冲信号Vo。以所述Marx级联电路3为由3级级联连接的Marx电路构成为例，电源模块5的输出端VCC输出的电压为800V；触发脉冲输入电路1中，电阻R0选用20KΩ、5W的无感电阻，电阻R11选用20KΩ、5W的无感电阻，电阻R10选用1KΩ、
Figure BDA00003128488000061
的电阻，电容C5选用104的瓷片电容，折返二极管BOD0选用IXBOD1-06，IGBT功率开关管Q1选用IHW20N120R3；Marx首级连接电路2中，电容C1选用1.2KV、10nF的高压无感电容，电阻R1选用10kΩ、5W的无感电阻；Marx级联电路3中每级的折返二极管均选用IXBOD1-10，每级的充电电阻均选用20KΩ、5W的无感电阻，每级的储能电容均选用1.2KV、10nF的高压无感电容，每级的放电电阻均选用10kΩ、5W的无感电阻；高压脉冲输出电路4中的电阻Ro1和Ro2均选用10KΩ、5W的无感电阻。
在触发信号Vi为0时，在电源模块5提供的800V基准电压作用下，电容C1通过电阻R0和电阻R1充电至800V，第i（i=1,2,3）级Marx电路中电容Ci1通过电阻Ri1和Ri2充电至800V，此时，高压脉冲输出电路4输出的高压脉冲信号Vo为零。
在触发信号Vi为+15V时，IGBT功率开关管Q1导通，折返二极管BOD0承受800V的电压被击穿，使得电容C1左端的瞬间电位接近于零，电容C1右端的电位瞬间突变为-800V，第1级Marx电路中的折返二极管BOD11瞬间承受1600V电压而被击穿，进而使得电容C11左端的瞬间电位接近于零，与第1级Marx电路的工作原理相同，第2级Marx电路中的折返二极管BOD21、第3级Marx电路中的折返二极管BOD31将依次承受2400V电压和3200V电压而被分别击穿，从而形成级联放电电路，由于器件损耗，使得系统最终输出Vo为高压尖峰脉冲，完成一次高压脉冲产生过程。
由于整个高压脉冲发生电路中各个储能电容的储能有限，在瞬间放电过程后期，由于电流下降到电路中各个折返二极管的阀值电流以下时，各个折返二极管依次恢复电压阻断能力，从而断开各级放电回路，使各级恢复至初始充电过程。等到各个储能电容充电饱和时可进行第二次高压脉冲产生过程。
采用本实用新型所述的高压脉冲发生电路，可通过选用不同参数的充放电电阻和储能电容，实现峰值电压为2800V、拖尾最小时间为微秒级的高压尖峰脉冲。整个电路体积小，可靠性高，配置简单，控制灵活，扩展了Marx电路的应用范围。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高压脉冲发生电路，其特征在于：包括依次相接的触发脉冲输入电路（1）、Marx首级连接电路（2）、Marx级联电路（3）和高压脉冲输出电路（4），以及为触发脉冲输入电路（1）和Marx级联电路（3）提供基准电压的电源模块（5），所述Marx级联电路（3）由k级级联连接的Marx电路构成，第i级Marx电路由折返二极管BODi1，电容Ci1，以及电阻Ri1和Ri2组成，所述折返二极管BODi1的阴极与电阻Ri1的一端和电容Ci1的一端相接，所述折返二极管BODi1的阳极为第i级Marx电路的输入端且与Marx首级连接电路（2）或前一级Marx电路的输出端相接，所述电阻Ri1的另一端与电源模块（5）的输出端VCC相接，所述电容Ci1的另一端为第i级Marx电路的输出端且通过电阻Ri2接地；其中，i=1～k，k为自然数。
2.按照权利要求1所述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述触发脉冲输入电路（1）由折返二极管BOD0，IGBT功率开关管Q1，电容C5，以及电阻R0、R10和R11组成，所述电阻R0的一端与电源模块（5）的输出端VCC相接，所述电阻R0的另一端与折返二极管BOD0的阴极相接，所述折返二极管BOD0的阳极与IGBT功率开关管Q1的集电极和电阻R10的一端相接，所述IGBT功率开关管Q1的栅极和电阻R11的一端均与触发信号Vi的正极Vi+相接，所述电阻R10的另一端通过电容C5接地，所述IGBT功率开关管Q1的发射极、电阻R11的另一端和触发信号Vi的负极Vi-均接地，所述电阻R0与折返二极管BOD0的连接端为所述触发脉冲输入电路（1）的输出端。
3.按照权利要求2所述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述IGBT功率开关管Q1的型号为IHW20N120R3。
4.按照权利要求2所述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述折返二极管BOD0的型号为IXBOD1-06。
5.按照权利要求1所述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述Marx首级连接电路（2）由电容C1和电阻R1组成，所述电容C1的一端为所述Marx首级连接电路（2）的输入端，所述电容C1的另一端为所述Marx首级连接电路（2）的输出端且通过电阻R1接地。
6.按照权利要求1所述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述k的取值为2～13。
7.按照权利要求1所述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述折返二极管BODi1的型号为IXBOD1-10。
8.按照权利要求1所述的一种高压脉冲发生电路，其特征在于：所述高压脉冲输出电路（4）由电阻Ro1和Ro2构成，所述电阻Ro1的一端与第k级Marx电路的输出端相接且为所述高压脉冲输出电路（4）的高压脉冲信号Vo的正极输出端Vo+，所述电阻Ro1的另一端与所述电阻Ro2的一端相接，所述电阻Ro2的另一端接地且为所述高压脉冲输出电路（4）的高压脉冲信号Vo的负极输出端Vo-。
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