CN203554404U - 一种高压光导开关同步触发器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及脉冲激光控制领域，尤其是涉及实现多个光导开关同步触发的高压光导开关同步触发器。本实用新型针对现有技术存在的问题，利用大功率脉冲激光二极管产生的μJ量级的激光脉冲实现多路光导开关的高精度同步触发，系统结构简单，成本相对低廉，这将会使光导开关的应用更加可靠、方便，推动光导开关的发展。本装置包括至少一路高压光导开关同步触发电路，所述高压光导开关同步触发电路包括脉冲成形电路、MOSFET驱动电路、激光驱动电路，所述触发信号输入至脉冲成形电路输入端，脉冲成形电路输出端、MOSFET驱动电路、激光驱动电路依次连接，激光驱动电路输出端输出脉冲激光信号。本装置应用于光导开关驱动领域。

Description

一种高压光导开关同步触发器

技术领域

本实用新型涉及脉冲激光控制领域，尤其是涉及实现多个光导开关同步触发的高压光导开关同步触发器。

背景技术

光导开关是利用激光脉冲与光导半导体（如GaAs、SiC等）相结合形成的一种新型固体开关，与传统开关相比具有开关速度快、传输功率大、同步精度高、触发抖动小等优良的特性，在医用介质壁加速器、高功率微波、超短超快电脉冲、闪光照相等众多领域有着良好的应用前景。但诸如医用介质壁加速器、闪光照相等许多精密物理实验是以高同步性的开关系统为前提进行的，因此，光导开关的多路同步触发问题是其能否得到广泛应用的关键因素。

目前，实现光导开关的多路同步触发所普遍采用的方法是，利用高能激光器产生的mJ量级的激光脉冲通过光纤分束后同步触发数十个光导开关。此方法结构复杂，成本高，使得光导开关需要配备昂贵的高能激光器才能使用，且同步触发的光导开关数量非常有限，不符合未来脉冲功率系统的发展趋势。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种高压光导开关同步触发器，用于同时触发多路工作于高压非线性模式下的光导开关，实现多个光导开关的高精度同步触发。本专利利用大功率脉冲激光二极管产生的μJ量级的激光脉冲实现多路光导开关的高精度同步触发，系统结构简单，成本相对低廉，这将会使光导开关的应用更加可靠、方便，推动光导开关的发展。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种高压光导开关同步触发器包括至少一路高压光导开关同步触发电路，所述高压光导开关同步触发电路包括脉冲成形电路、MOSFET驱动电路、激光驱动电路，所述触发信号输入至脉冲成形电路输入端，脉冲成形电路输出端、MOSFET驱动电路、激光驱动电路依次连接，激光驱动电路输出端输出脉冲激光信号。

所述脉冲成形电路包括第一开关管K1、储能传输线T1、负载传输线T2、充电电阻R1、电源VCC，所述第一开关管K1源级，第一开关管漏极K1分别对应与储能传输线T1芯线一端、负载传输线T2芯线一端连接，第一开关管K1栅极接触发信号，所述储能传输线T1芯线另一端通过充电电阻R1与电源VCC正极端连接，负载传输线T2芯线另一端与MOSFET驱动电路连接，所述储能传输线T1屏蔽铜网、负载传输线T2屏蔽铜网、电源VCC负极端共点接地，所述负载传输线T2芯线另一端作为脉冲成形电路输出端。

所述MOSFET驱动电路包括驱动芯片U1、储能电路、限流电阻R7，所述驱动芯片U1输入端与脉冲成形电路输出端连接，驱动芯片U1电源端通过分别通过限流电阻R7、储能电路与电源VCC连接，驱动芯片U1接地端接地，驱动芯片U1输出端与激光驱动电路输入端连接，驱动芯片U1输出端作为MOSFET驱动电路输出端。

所述储能电路包括大电容（C1、C3）和小电容（C2、C4），所述大电容容值为微法量级，小电容为纳法量级。

所述激光驱动电路包括第二开关管K2、储能电容C、等效电感L、可调电阻R5、激光二极管LD，滤波电阻R2，保护电阻R4，取样电阻R6，所述MOSFET驱动电路输出端通过滤波电阻R2与第二开关管K2栅极连接，第二开关管K2源级、取样电阻R6一端共点接地，所述第二开关管K2源级通过保护电阻R4与电源V2正极端连接，电源V2负极端接地，第二开关管K2源级通过电容C、电感L、可调电阻R5与激光二极管负极连接，取样电阻R6另一端与激光二极管正极连接。

所述激光驱动电路还包括分压电阻R3，所述分压电阻R3跨接在第二开关管K2栅极与第二开关管K2源极之间。

一种高压光导开关同步触发器还包括二极管D，所述二极管D与激光二极管LD反向并联。

一种高压光导开关同步触发器还包括处理器，所述高压光导开关同步触发电路还包括延时电路，所述延时电路输入端与脉冲成形电路输出端连接，延时电路输出端与MOSFET驱动电路输入端连接，处理器与延时电路控制端连接。  

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是:

1）         采用该专利技术，不但能够使触发光导开关的多路脉冲激光之间的延迟时间差和抖动都达到亚ns量级，实现多路光导开关同步触发的目的，而且由于每一路用于触发的脉冲激光都由一个独立模块产生，各路脉冲激光之间相互独立，触发路数将不会受到限制。

2）         实现利用高功率脉冲激光二极管产生的脉冲激光触发光导开关，体积小，重量轻，成本相对低廉；模块化的设计使能驱动的光导开关的数量不受限制，且便于维护和更换。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本装置电路框图。

图2是脉冲成形电路原理框图。

图3是MOSFET驱动电路原理框图。

图4是激光驱动电路原理框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一、    专利相关

开关（MOSFET）、储能传输线（T1）、负载传输线（T2）、充电电阻R1（起到限流作用）、电源（VCC）、第一开关管K1、第二开关管K2，储能电容C、等效电感L、激光二极管LD（即高功率脉冲激光二极管LD，Laser Diode），滤波电阻R2，保护电阻R4，分压电阻R3、可调电阻R5、取样电阻R6，限流电阻R7。电源VCC可调节电压值，一般在5V-10V，电源V2电压可以调节，一般为20V-300V，V2越大，流过LD的电流越强，输出的脉冲激光就越强。

二、    工作原理

如图1所示，在每个高压光导开关同步触发电路开始端设置脉冲成形电路，将触发信号转换成5V-10V可调方波脉冲（可以根据需要通过VCC进行调节），经过延时电路后，输入到MOSFET驱动电路，驱动MOSFET导通，储能电容对激光二极管放电，激光二极管LD产生脉冲激光，用于驱动光导开关。多个模块之间通过延时电路的调节实现亚ns同步，从而实现多个光导开关的高精度同步触发。

三、    各个器件介绍

1、         脉冲成形电路

原理进行设计。包括第一开关管K1、储能传输线、负载传输线、充电电阻R1、电源VCC。

T1为储能传输线，T2为负载传输线，T1、T2均使用50Ω标准同轴电缆；开关管由初始触发脉冲直接输入到脉冲成形电路后触发；脉冲宽度可由T1的长度进行调整，幅度可由电源VCC进行调整。T1、T2传输线由芯线和屏蔽铜网组成。

具体工作过程是：当开关管K1栅极没有接通触发信号时，开关管K1不导通时，T1储能；当开关K1栅极输入触发信号，开关管K1漏极与开关管K1源级导通，则储能传输线T1通过开关管K1对负载传输线T2放电，在T2上形成所需的矩形脉冲，该矩形脉冲通过T2传输到MOSFET驱动电路。脉冲成形电路输出脉冲宽度可由T1长度进行调整。幅度可由电源VCC进行调整，其中R1是充电时的限流电阻，一般为kΩ量级。

2、         延时电路

通过延时芯片DS1023实现，延时芯片的延时参考值通过处理器输出，延时精度可达到0.25ns；或者通过定时器加开关，当定时器延时时间到，开关导通，使得脉冲形成电路输出的脉冲输入到MOSFET驱动电路中，其中延时时间可由定时器进行调节。

3、         MOSFET驱动电路

如图3所示，包括驱动芯片U1、储能电路。所述储能电路包括大电容和小电容，大电容为微法量级，小电容为纳法量级。储能电容的作用是为驱动芯片进行储能的，还可以对开关芯片进行时间微调。

驱动芯片的作用是为开关管K2提供合适的驱动脉冲，使开关管K2导通，驱动芯片输入端（第二管脚）接脉冲成形电路电路输出的信号（与脉冲成形电路输出端连接），驱动芯片输出端（第五管脚）与激光驱动电路连接，驱动芯片电源端（第一管脚、第三管脚）分别通过限流电阻R7、储能电路与电源VCC连接，驱动芯片接地端（第四管脚、第六管脚）接地。

4、         激光驱动电路

如图4所示，当开关管K2栅极触发脉冲还未达到时，开关管K2处于截止状态，电源V2通过保护电阻R4、储能电容C、可调电阻R5、和取样电阻R6为储能电容C充电，最大充电电压为+V2。在触发脉冲通过滤波电阻R2到达开关管K2栅极时，开关管K2导通，储能电容C上储存的电荷通过开关管K2、地、取样电阻R6和激光二极管LD，为激光二极管LD提供一个前沿快而峰值大的驱动电流，驱动激光二极管LD输出前沿快而峰值功率高的激光脉冲。L为电路的等效电感，可调电阻R5用于调节输出脉冲前沿。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。 

Claims (8)

1.一种高压光导开关同步触发器，其特征在于包括至少一路高压光导开关同步触发电路，所述高压光导开关同步触发电路包括脉冲成形电路、MOSFET驱动电路、激光驱动电路，所述触发信号输入至脉冲成形电路输入端，脉冲成形电路输出端、MOSFET驱动电路、激光驱动电路依次连接，激光驱动电路输出端输出脉冲激光信号。

2.根据权利要求1所述的一种高压光导开关同步触发器，其特征在于所述脉冲成形电路包括第一开关管、储能传输线、负载传输线、充电电阻、电源VCC，所述第一开关管源级，第一开关管漏极分别对应与储能传输线芯线一端、负载传输线芯线一端连接，第一开关管栅极接触发信号，所述储能传输线芯线另一端通过充电电阻与电源VCC正极端连接，负载传输线芯线另一端与MOSFET驱动电路连接，所述储能传输线屏蔽铜网、负载传输线屏蔽铜网、电源VCC负极端共点接地，所述负载传输线芯线另一端作为脉冲成形电路输出端。

3.根据权利要求1所述的一种高压光导开关同步触发器，其特征在于所述MOSFET驱动电路包括驱动芯片、储能电路、限流电阻，所述驱动芯片输入端与脉冲成形电路输出端连接，驱动芯片电源端分别通过限流电阻、储能电路与电源VCC连接，驱动芯片接地端接地，驱动芯片输出端与激光驱动电路输入端连接，驱动芯片输出端作为MOSFET驱动电路输出端。

4.根据权利要求3所述的一种高压光导开关同步触发器，其特征在于所述储能电路包括大电容和小电容，所述大电容容值为微法量级，小电容为纳法量级。

5.根据权利要求1所述的一种高压光导开关同步触发器，其特征在于所述激光驱动电路包括第二开关管、储能电容、等效电感、可调电阻、激光二极管，滤波电阻，保护电阻，取样电阻，所述MOSFET驱动电路输出端通过滤波电阻与第二开关管栅极连接，第二开关管源级、取样电阻一端共点接地，所述第二开关管源级通过保护电阻与电源正极端连接，电源负极端接地，第二开关管源级通过电容、电感、可调电阻与激光二极管负极连接，取样电阻另一端与激光二极管正极连接。

6.根据权利要求5所述的一种高压光导开关同步触发器，其特征在于所述激光驱动电路还包括分压电阻，所述分压电阻跨接在第二开关管栅极与第二开关管源极之间。

7.根据权利要求5所述的一种高压光导开关同步触发器，其特征在于所述激光驱动电路还包括二极管，所述二极管与激光二极管反向并联。

8.根据权利要求1至5之一所述的一种高压光导开关同步触发器，其特征在于还包括处理器，所述高压光导开关同步触发电路还包括延时电路，所述延时电路输入端与脉冲成形电路输出端连接，延时电路输出端与MOSFET驱动电路输入端连接，处理器与延时电路控制端连接。

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