專利名稱：全固態(tài)高壓納秒脈沖電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全固態(tài)高壓納秒脈沖電源。
背景技術(shù)：
許多應(yīng)用領(lǐng)域都需要能夠產(chǎn)生高壓脈沖的脈沖電源。強(qiáng)流粒子束加速器、高功率脈沖 激光器、高功率微波、材料表面處理及離子注入、閃光X射線照相、脈沖等離子體放電及 其工業(yè)應(yīng)用等均為需要高壓脈沖的應(yīng)用實(shí)例。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，脈沖電源使用電容器、電感 器等進(jìn)行儲(chǔ)能，使用級(jí)聯(lián)的方法或脈沖變壓器等進(jìn)行升壓，使用觸發(fā)管和閘流管等進(jìn)行開(kāi) 關(guān)控制。
通常采用Marx發(fā)生器的原理而形成上述類(lèi)型的脈沖電源。Marx發(fā)生器是一種通過(guò)對(duì) 一組電容器并聯(lián)充電然后對(duì)這些電容器串聯(lián)放電而產(chǎn)生高壓脈沖的電路。圖l所示為典型 Marx發(fā)生器的實(shí)例。
當(dāng)對(duì)電容器104充分充電后，通常會(huì)給第一級(jí)球隙施加觸發(fā)脈沖電壓，使得第一級(jí)球 隙發(fā)生擊穿，這樣兩個(gè)電容器有效串聯(lián)起來(lái)導(dǎo)致下一級(jí)球隙擊穿。很快，所有球隙擊穿， 于是電容器104串聯(lián)連接并將高壓脈沖傳遞給負(fù)載108。通常采用變壓器對(duì)電容器104充 電。在有些實(shí)施例中，用電感代替起充電限流和放電隔離作用的電阻102。球隙可以用其 他氣體開(kāi)關(guān)替代，如旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，吹氣開(kāi)關(guān)，閘流管或贗火花開(kāi)關(guān)等。
傳統(tǒng)的Manc發(fā)生器通常使用氣體開(kāi)關(guān)，雖然能夠提供相當(dāng)高的峰值電壓和峰值電流、 較快的開(kāi)關(guān)速度，但是在重復(fù)頻率、穩(wěn)定性和壽命方面都有很大局限，整個(gè)系統(tǒng)的效率也 很低。此外，由于采用工頻充電裝置和較大的限流電阻或電感，使Marx發(fā)生器在輸出電 壓達(dá)到數(shù)百千伏時(shí)有非常大的體積和重量，并且存在較大的接地寄生電容。寄生電容會(huì)增 加電壓脈沖的上升/下降時(shí)間。為了滿足高電壓要求，通常采用變壓器油進(jìn)行絕緣，這就使 維護(hù)工作變得復(fù)雜。
隨著近幾十年來(lái)電力電子半導(dǎo)體固態(tài)開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展和逐步成熟，國(guó)內(nèi)外的很多研究
人員開(kāi)始研制采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)作為主開(kāi)關(guān)的高壓脈沖發(fā)生器。上世紀(jì)九十年代末期就有許
多學(xué)者提出各種半導(dǎo)體丌關(guān)直接串聯(lián)技術(shù)的潛在解決方案，并且進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。但十 多年過(guò)去了仍沒(méi)取得突破性進(jìn)展，半導(dǎo)體直接串聯(lián)技術(shù)還未能廣泛應(yīng)用于商業(yè)電源中。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)直接串聯(lián)技術(shù)的難點(diǎn)在于各個(gè)開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通或關(guān)斷瞬間的瞬態(tài)均壓?jiǎn)栴}，由于這 個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決，制約了其實(shí)際應(yīng)用。
也有研究人員以半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)替代傳統(tǒng)Marx發(fā)生器中的氣態(tài)開(kāi)關(guān)，構(gòu)建出一種新型的Marx 發(fā)生器。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的應(yīng)用克服了傳統(tǒng)Marx電路在重復(fù)頻率、穩(wěn)定性和壽命方面的一些缺 點(diǎn)，并且不存在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)直接串聯(lián)使用時(shí)存在的瞬態(tài)均壓?jiǎn)栴}。但是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān) 速度、通流能力和耐受電壓水平等方面與氣態(tài)開(kāi)關(guān)相比還有較大差距，因此并不能很好地 取代傳統(tǒng)Marx在大部分領(lǐng)域中的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、壽命長(zhǎng)、故障率低、脈沖寬度和幅值易于調(diào)整、 上升沿小于一百納秒的全固態(tài)高壓脈沖電源。
本發(fā)明提出的全固態(tài)高壓納秒脈沖電源分成如下兩部分串聯(lián)升壓電路和脈沖壓縮電 路。其中，串聯(lián)升壓電路由一系列電壓?jiǎn)卧?lián)連接組成，實(shí)現(xiàn)升壓功能。每個(gè)電壓?jiǎn)卧?包括與可以接通和關(guān)斷的開(kāi)關(guān)(諸如各類(lèi)半導(dǎo)體丌關(guān))連接的電容器； 一系列電壓?jiǎn)卧?電容器形成一個(gè)電容器組；采用上述開(kāi)關(guān)中的一部分(稱為充電開(kāi)關(guān))對(duì)電容器并聯(lián)充電， 另一部分(稱為放電開(kāi)關(guān))使電容器串聯(lián)放電；脈沖壓縮電路由中間儲(chǔ)能電容(或者是銳 化電容)和磁丌關(guān)(也就是可飽和電抗器)以串聯(lián)連接的方式構(gòu)成，可以進(jìn)一歩減小串聯(lián) 升壓電路輸出的電壓脈沖的上升時(shí)間，起到脈沖壓縮的效果。
在串聯(lián)升壓電路工作時(shí)，如果處于充電狀態(tài)，放電開(kāi)關(guān)全部關(guān)斷，充電開(kāi)關(guān)全部接通， 為各個(gè)電壓?jiǎn)卧碾娙萜魈峁┏潆婋娏?。如果處于放電狀態(tài)，放電開(kāi)關(guān)全部接通，充電開(kāi) 關(guān)全部關(guān)斷，已經(jīng)充滿電的各個(gè)電壓?jiǎn)卧碾娙萜鞔?lián)起來(lái)輸出電壓脈沖。這樣的優(yōu)勢(shì)在 于，可以在不使用電感器、電阻器的情況下對(duì)電容器充電，減小了系統(tǒng)體積，從而減少了 與傳統(tǒng)Marx發(fā)生器相關(guān)的某些寄生電容。
通過(guò)與每個(gè)電壓?jiǎn)卧噙B接的二極管，可以形成電容器充電電流的通路，并且可以在 某一個(gè)放電開(kāi)關(guān)失效的情況下旁路相應(yīng)的電壓?jiǎn)卧?，使系統(tǒng)仍然能夠輸出峰值降低的電壓 脈沖。當(dāng)電容器正在充電或者己充好電時(shí)，位于連續(xù)電容器之間的放電開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài) 以防止放電。當(dāng)放電開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電容器串聯(lián)連接并放電。在放電期間，充電開(kāi)關(guān)關(guān)斷。 為了對(duì)電容器再次充電，放電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)并且充電丌關(guān)重新接通。
串聯(lián)升壓電路輸出的電壓脈沖傳遞到脈沖壓縮電路的中間儲(chǔ)能電容(或者是銳化電 容)上面，也就是對(duì)中間儲(chǔ)能電容(或者是銳化電容)充電。中間儲(chǔ)能電容的容量等于 Marx發(fā)生器各單元電容串聯(lián)之后的等效電容，它存儲(chǔ)Marx發(fā)生器中的全部能量；銳化電 容的容量遠(yuǎn)小于Manc發(fā)生器的等效電容，因此只存儲(chǔ)部分能量。當(dāng)充電進(jìn)行到某一時(shí)刻，與中間儲(chǔ)能電容(或者是銳化電容)連接的可飽和電抗器由不飽狀態(tài)和變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，從
而完成了磁開(kāi)關(guān)從斷開(kāi)到接通的轉(zhuǎn)變。然后中間儲(chǔ)能電容(或者是銳化電容)通過(guò)已經(jīng)接
通的磁開(kāi)關(guān)對(duì)負(fù)載放電。中間儲(chǔ)能電容釋放掉存儲(chǔ)的全部能量，銳化電容則和Marx發(fā)生
器一起對(duì)負(fù)載放電。在前一種情況下，系統(tǒng)輸出電壓脈沖的寬度由脈沖壓縮電路和負(fù)載特
性共同決定；在后一種情況下，脈沖壓縮電路決定電壓脈沖的上升沿，Marx電路決定電壓
脈沖的持續(xù)時(shí)間。在恰當(dāng)設(shè)計(jì)的情況下，磁開(kāi)關(guān)的開(kāi)通速度與相同電壓等級(jí)串聯(lián)使用的半
導(dǎo)體開(kāi)關(guān)相比快很多，因此可以縮短甜述串聯(lián)升壓電路輸出的電壓脈沖的上升時(shí)間，從幾
百納秒甚至數(shù)微秒降到一百納秒以內(nèi)。另外，磁開(kāi)關(guān)較高的通流能力和耐受電壓水平也彌
補(bǔ)了單純依靠半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)輸出電壓脈沖的不足。
通過(guò)控制串聯(lián)升壓電路中某個(gè)或某幾個(gè)電壓?jiǎn)卧墓ぷ鳡顟B(tài)可以調(diào)整輸出電壓脈沖
的幅值，并且經(jīng)脈沖壓縮電路壓縮后電壓脈沖的上升時(shí)間不會(huì)受到較大影響。也就是說(shuō)，
可以使一個(gè)或者多個(gè)電壓?jiǎn)卧还ぷ鳎瑥亩诓挥绊懏a(chǎn)生電壓脈沖能力的情況下改變電壓
脈沖的幅值。同時(shí)，某個(gè)或某幾個(gè)單元的失效不會(huì)阻止脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖。
當(dāng)脈沖壓縮電路的電容是銳化電容時(shí)，改變Manc發(fā)生器中半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間可
以調(diào)整輸出電壓脈沖的寬度。
由于上述技術(shù)方案的采用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢(shì)
省去了傳統(tǒng)Marx脈沖發(fā)生器中通用的電抗器、電阻器，代之以半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。這
種方法減小了系統(tǒng)體積，減少了寄生電容的影響。
系統(tǒng)體積的減小，使得可以串聯(lián)更多的電壓?jiǎn)卧虼丝梢允褂秒妷狠^低的直流充電
電源對(duì)脈沖發(fā)生器充電從而產(chǎn)生較大電壓脈沖。
相對(duì)于傳統(tǒng)Marx發(fā)生器，采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的發(fā)生器壽命更長(zhǎng)、工作頻率更高。
系統(tǒng)內(nèi)某個(gè)或某幾個(gè)電壓?jiǎn)卧氖Р粫?huì)阻止脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖。
系統(tǒng)在輸出級(jí)有脈沖壓縮電路，以磁開(kāi)關(guān)壓縮半導(dǎo)體Marx發(fā)生器的輸出脈沖。磁開(kāi)
關(guān)的開(kāi)通速度與相同電壓等級(jí)串聯(lián)使用的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)相比快很多，因此可以縮短半導(dǎo)體
Marx電路輸出的電壓脈沖的上升時(shí)間，從幾百納秒甚至數(shù)微秒降到一百納秒以內(nèi)。
磁開(kāi)關(guān)具有較強(qiáng)的通流能力和較高的耐受電壓等級(jí)，彌補(bǔ)了單純依靠半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)輸出
電壓脈沖的不足。另外，磁開(kāi)關(guān)基本免維護(hù)，故障率極低。
通過(guò)控制系統(tǒng)中半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以方便地改變輸出電壓脈沖的幅值和脈寬。
圖1為典型Marx發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)；其中100—Marx發(fā)生器；102—充電電阻；104—電容器；106—球隙；108—負(fù)載； IIO—充電電壓。
圖2為全固態(tài)高壓納秒脈沖電源的總體結(jié)構(gòu)框其中200—脈沖電源系統(tǒng)；202—開(kāi)關(guān)電容器組；204—脈沖壓縮電路；206--負(fù)載； 208—開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器；210—控制信號(hào)；212—電壓?jiǎn)卧?14—半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)；216—中間儲(chǔ)能 電容；218—磁開(kāi)關(guān)。
圖3為全固態(tài)高壓納秒脈沖電源的實(shí)施方式框其中300—脈沖電源系統(tǒng)；302—直流電源；304、 306和308—開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)；310、 312 和314—充電開(kāi)關(guān)；316、 318和320—開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)；322、 324和326—放電開(kāi)關(guān)；328和330— 充電電流回路；332、 334和336—電容器；338、 340和342—二極管；344—中間儲(chǔ)能電 容(或者是銳化電容)；346—磁開(kāi)關(guān)；348—負(fù)載。
圖4為產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖的全固態(tài)高壓納秒脈沖電源的實(shí)施方式框圖； 其中400—脈沖電源系統(tǒng)；402—直流電源；404、 406和408—開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)；410、 412 和414一充電開(kāi)關(guān)；416、 418和420—開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)；422、 424和426—放電開(kāi)關(guān);428、 430 和432—電容器；434、 436和438—二極管；440—中間儲(chǔ)能電容(或者是銳化電容)；442— 磁開(kāi)關(guān)；444—負(fù)載；446、 448和450—電壓?jiǎn)卧?br>
圖5為產(chǎn)生正電壓脈沖的全固態(tài)高壓納秒脈沖電源的實(shí)施方式框圖； 其中500—脈沖電源系統(tǒng)；502—直流電源；504、 506和508—開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)；510、 512 和514—充電開(kāi)關(guān)；516、 518和520—開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng);522、 524和526—放電開(kāi)關(guān);528、 530 和532—電容器；534、 536和538—二極管；540—中間儲(chǔ)能電容(或者是銳化電容)；542— 磁開(kāi)關(guān)；544—負(fù)載。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電壓脈沖的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明可以控制電壓脈沖的幅值，電壓 脈沖的持續(xù)時(shí)間，并且使輸出電壓的上升沿小于一百納秒。
本發(fā)明的實(shí)施方式中包括一系列具有串聯(lián)的電容器和開(kāi)關(guān)的電壓?jiǎn)卧?，以及用?lái)壓縮 脈沖的中間儲(chǔ)能電容器(或者是銳化電容器)和磁開(kāi)關(guān)。在每個(gè)電壓?jiǎn)卧械某潆婇_(kāi)關(guān)為 通過(guò)二極管施加的充電電流提供通路。這種電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于不必采用傳統(tǒng)脈沖發(fā)生器 中通用的電抗器、電阻器和工頻充電電源，同時(shí)能夠輸出具有快速上升沿的電壓脈沖。此 外，系統(tǒng)體積的減小降低了與這里所述的系統(tǒng)和方法相關(guān)的接地寄生電容，這使得可以串 聯(lián)更多的電壓?jiǎn)卧?br>
圖2示出用于產(chǎn)生并向負(fù)載傳輸高壓脈沖的脈沖發(fā)生器或者系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。具體地，脈沖電流200產(chǎn)生并向負(fù)載206傳輸高壓脈沖。在系統(tǒng)200中，開(kāi)關(guān)電容器 組202由多個(gè)電壓?jiǎn)卧?12通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)214以并聯(lián)(充電時(shí))或者串聯(lián)(放電時(shí))的 方式連接。電壓?jiǎn)卧?12用于儲(chǔ)存?zhèn)鬟f給脈沖壓縮電路204的電壓脈沖。脈沖壓縮電路204 由中間儲(chǔ)能電容(或者是銳化電容)216和磁丌關(guān)218串聯(lián)構(gòu)成。
電壓?jiǎn)卧?12通常與通過(guò)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器208控制的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)214連接。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān) 驅(qū)動(dòng)器208的控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器208打開(kāi)/關(guān)閉半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)214。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)214的狀 態(tài)決定電壓?jiǎn)卧?12充電還是向脈沖壓縮電路204放電。在具體實(shí)施中，這樣的結(jié)構(gòu)減少 了寄生電容的影響從而可以串聯(lián)更多的電壓爭(zhēng)元。由于可以串聯(lián)更多的電壓?jiǎn)卧?，因此?以使用較低的直流電壓對(duì)電壓?jiǎn)卧?12充電從而產(chǎn)生較大電壓脈沖。中間儲(chǔ)能電容(或者 是銳化電容)216將電壓?jiǎn)卧?12串聯(lián)放電時(shí)傳遞的全部或部分能量暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，經(jīng)過(guò) 磁開(kāi)關(guān)218的壓縮，傳遞到負(fù)載206。在具體實(shí)施中，這種方法彌補(bǔ)了使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)作 放電開(kāi)關(guān)時(shí)輸出的高壓脈沖上升沿較慢、電流較小的缺陷。
在系統(tǒng)200的實(shí)施方式中，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)214的狀態(tài)對(duì)電壓?jiǎn)卧M(jìn)行并聯(lián)充電并使電 壓?jiǎn)卧?lián)放電。系統(tǒng)200的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于一個(gè)或者多個(gè)電壓?jiǎn)卧?12以及半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)214 中的放電開(kāi)關(guān)失效的情況下，不會(huì)阻止該系統(tǒng)向負(fù)載206傳輸高壓脈沖。由于磁丌關(guān)的特 性，可以使系統(tǒng)在輸出電壓降低的情況下，仍然保持與額定電壓輸出時(shí)近似的脈沖上升沿。 系統(tǒng)200傳輸正電壓脈沖或者傳輸負(fù)電壓脈沖。
圖3示出高壓脈沖發(fā)生器的實(shí)施方式。該實(shí)施方式中包括三個(gè)電壓?jiǎn)卧?，但是如上?述，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，可以包括更多或更少級(jí)。
在對(duì)電容器332、 334和336充電時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)308、 306和304的控制信號(hào)，充 電開(kāi)關(guān)310、 312和314處于接通狀態(tài)；通過(guò)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)320、 318和316的控制信號(hào)，放電 開(kāi)關(guān)322、 324和326處于關(guān)斷狀態(tài)。通路328表示來(lái)自直流電源302的對(duì)電容器336進(jìn) 行充電的電流通路。同時(shí)，直流電源302通過(guò)通路330傳輸電流以對(duì)電容器334進(jìn)行充電。 對(duì)電容器332充電的電流流經(jīng)充電開(kāi)關(guān)314、 312和310以及二極管342、 340和338。 二 極管342、 340和338將放電期間產(chǎn)生的高壓脈沖與電源隔離開(kāi)。同時(shí)，所述二極管允許 脈沖繞過(guò)任意失效的電壓?jiǎn)卧?br>
在電容器放電期間，通過(guò)施加相應(yīng)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)，使充電開(kāi)關(guān)310、 312和314處于關(guān) 斷狀態(tài)而放電開(kāi)關(guān)322、 324和326處于接通狀態(tài)。這樣，各個(gè)電壓?jiǎn)卧?lián)連接對(duì)脈沖 壓縮電路中的中間儲(chǔ)能電容(或者是銳化電容)344充電。電容器344充電完成后，磁開(kāi) 關(guān)346飽和導(dǎo)通，電容器344對(duì)負(fù)載348放電，形成高壓脈沖。
磁開(kāi)關(guān)346應(yīng)用在這里，不僅具有開(kāi)關(guān)速度快、通流能力強(qiáng)和耐受電壓高等優(yōu)點(diǎn)，還能夠?qū)崿F(xiàn)高重復(fù)頻率(大于1000 Hz)和長(zhǎng)壽命運(yùn)行(穩(wěn)定產(chǎn)生超過(guò)10的10次方個(gè)脈沖)。
圖4表示出包含多個(gè)電壓?jiǎn)卧?也稱之為級(jí)或部分)的脈沖發(fā)生器的方框圖。圖4所 示的脈沖發(fā)生器的實(shí)施方式用來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖。該實(shí)施方式中包括三個(gè)電壓?jiǎn)卧?，但?如上所述，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，可以包括更多或者更少級(jí)。圖4示出采用 通過(guò)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)404、 406和408控制的充電開(kāi)關(guān)414、 412和410以及通過(guò)控制丌關(guān)416、 418和420控制的放電開(kāi)關(guān)426、 424和422以如上所述方式連接的電壓?jiǎn)卧?50、 448和 446,圖4還示出了中間儲(chǔ)能電容(或者是銳化電容)440和磁開(kāi)關(guān)442。
在該實(shí)施方式中，開(kāi)關(guān)410、 412和414以及開(kāi)關(guān)422、 424和426可以是本領(lǐng)域中公 知的任意類(lèi)型的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。普通晶閘管(SCR)、雙極結(jié)型電力三極管(BJT)、功率場(chǎng) 效應(yīng)管(Power MOSFET)、絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、靜 電感應(yīng)晶閘管(SITH)、門(mén)極關(guān)斷品閘管(GTO)等均為這里可用的丌關(guān)的實(shí)施例。每個(gè) 電壓?jiǎn)卧ㄓ糜诳刂瞥潆婇_(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)和控制放電開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)。例如，電壓?jiǎn)卧?446包括用于控制放電開(kāi)關(guān)426的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)416。在該實(shí)施例中，通過(guò)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)416控制 放電開(kāi)關(guān)426的柵極。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)404控制充電開(kāi)關(guān)414的柵極。
直流電源402通過(guò)充電開(kāi)關(guān)410、 412和414以及二極管434、 436和438對(duì)電容器 432、 430和428進(jìn)行充電。以該方式充電可以不必使用傳統(tǒng)Marx發(fā)生器中通用的電感器、 電阻器或者隔離型電源。開(kāi)關(guān)可以通過(guò)諸如光纖耦合、變壓器耦合進(jìn)行觸發(fā)。
由二極管434、 436和438串聯(lián)構(gòu)成的二極管鏈可以在特定電壓?jiǎn)卧拈_(kāi)關(guān)無(wú)法接通 或者存在延遲的情況下提供繞過(guò)該特定電壓?jiǎn)卧碾娏魍?，確保仍有電壓脈沖輸出。
在制作磁開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)選擇磁滯回線矩形特性好、飽和磁通較大、軟磁特性好以及高頻 損耗小的磁芯材料。通常有鐵氧體、非晶態(tài)合金和納米晶合金這幾種材料可供使用
圖5示出脈沖發(fā)生器的另一種實(shí)施方式。圖5類(lèi)似于圖4所示的脈沖發(fā)生器，二者存 在的區(qū)別在于圖5的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生正脈沖而圖4的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)脈沖。圖5在電路 結(jié)構(gòu)上與圖4相比，改變了充電電源的極性，改變了充電丌關(guān)、放電開(kāi)關(guān)以及二極管鏈的 方向。
權(quán)利要求
1. 一種全固態(tài)高壓納秒脈沖電源，其特征在于分成如下兩部分串聯(lián)升壓電路和脈沖壓縮電路；其中，串聯(lián)升壓電路由一系列電壓?jiǎn)卧?lián)連接組成，實(shí)現(xiàn)升壓功能；每個(gè)電壓?jiǎn)卧幸慌c可以接通和關(guān)斷的開(kāi)關(guān)連接的電容器，一系列電壓?jiǎn)卧碾娙萜餍纬梢粋€(gè)電容器組；上述開(kāi)關(guān)中的一部分稱為充電開(kāi)關(guān)，對(duì)電容器并聯(lián)充電，另一部分稱為放電開(kāi)關(guān)，使電容器串聯(lián)放電；脈沖壓縮電路由中間儲(chǔ)能電容或者是銳化電容，和磁開(kāi)關(guān)以串聯(lián)連接的方式構(gòu)成；在串聯(lián)升壓電路工作時(shí)，如果處于充電狀態(tài)，放電開(kāi)關(guān)全部關(guān)斷，充電開(kāi)關(guān)全部接通，為各個(gè)電壓?jiǎn)卧碾娙萜魈峁┏潆婋娏?；如果處于放電狀態(tài)，放電開(kāi)關(guān)全部接通，充電開(kāi)關(guān)全部關(guān)斷，已經(jīng)充滿電的各個(gè)電壓?jiǎn)卧碾娙萜鞔?lián)起來(lái)輸出電壓脈沖；與每個(gè)電壓?jiǎn)卧噙B接的二極管，形成電容器充電電流的通路，并且在某一個(gè)放電開(kāi)關(guān)失效的情況下旁路相應(yīng)的電壓?jiǎn)卧?，使系統(tǒng)仍然能夠輸出峰值降低的電壓脈沖；當(dāng)電容器正在充電或者已充好電時(shí)，位于連續(xù)電容器之間的放電開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)以防止放電；當(dāng)放電開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電容器串聯(lián)連接并放電；在放電期間，充電開(kāi)關(guān)關(guān)斷；為了對(duì)電容器再次充電，放電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)并且充電開(kāi)關(guān)重新接通；串聯(lián)升壓電路輸出的電壓脈沖傳遞到脈沖壓縮電路的中間儲(chǔ)能電容上面，對(duì)中間儲(chǔ)能電容充電；中間儲(chǔ)能電容通過(guò)已經(jīng)接通的磁開(kāi)關(guān)對(duì)負(fù)載放電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)高壓納秒脈沖電源，其特征在于開(kāi)關(guān)電容器組(202) 由多個(gè)電壓?jiǎn)卧?212)通過(guò)半導(dǎo)體丌關(guān)(214)以并聯(lián))或者串聯(lián)的方式連接；電壓?jiǎn)卧?212) 用于儲(chǔ)存?zhèn)鬟f給脈沖壓縮電路(204)的電壓脈沖；脈沖壓縮電路(204)由中間儲(chǔ)能電容或者是 銳化電容(216)和磁開(kāi)關(guān)(218)串聯(lián)構(gòu)成；電壓?jiǎn)卧?212)與通過(guò)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(208)控制的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(214)連接；調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器 (208)的控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器(208)打開(kāi)或關(guān)閉半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(214);半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(214)的狀態(tài) 決定電壓?jiǎn)卧?212)充電還是向脈沖壓縮電路(204)放電。
全文摘要
本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全固態(tài)高壓納秒脈沖電源。該電源分成如下兩部分串聯(lián)升壓電路和脈沖壓縮電路；串聯(lián)升壓電路由一系列電壓?jiǎn)卧?lián)連接組成，實(shí)現(xiàn)升壓功能；每個(gè)電壓?jiǎn)卧幸慌c可以接通和關(guān)斷的開(kāi)關(guān)連接的電容器，一系列電壓?jiǎn)卧碾娙萜餍纬梢粋€(gè)電容器組；上述開(kāi)關(guān)中的一部分為充電開(kāi)關(guān)，對(duì)電容器并聯(lián)充電，另一部分為放電開(kāi)關(guān)，使電容器串聯(lián)放電；脈沖壓縮電路由儲(chǔ)能電容或是銳化電容，和磁開(kāi)關(guān)以串聯(lián)方式連接。本發(fā)明減小系統(tǒng)體積，從而能串聯(lián)更多電壓?jiǎn)卧?，使用電壓較低的直流充電電源對(duì)脈沖發(fā)生器充電；采用的開(kāi)關(guān)器件發(fā)生器壽命更長(zhǎng)、頻率更高；使用的磁開(kāi)關(guān)縮短Marx電路輸出的電壓脈沖的上升時(shí)間，且免維護(hù)，低故障率。
文檔編號(hào)H02M9/00GK101534071SQ20091004903
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者劉克富, 王冬冬, 劍 邱 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)