專利名稱：全固態(tài)重復(fù)頻率納秒脈沖源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于脈沖功率源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到陡前沿重復(fù)頻率納秒脈沖電源。
背景技術(shù)：
脈沖功率技術(shù)由國(guó)防技術(shù)需要而產(chǎn)生，并在其推動(dòng)下取得長(zhǎng)足進(jìn)步，廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)，等離子體技術(shù)，電磁炮等研究領(lǐng)域。近年來，隨著脈沖功率技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， 逐步被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、環(huán)境保護(hù) 、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，具體應(yīng)用包括體外沖擊波碎石，污水處理、食品保鮮、納米材料研制、材料表面處理等。以上所有應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，都需要一個(gè)關(guān)鍵的前提高性能的脈沖功率源。當(dāng)前，世界各主要國(guó)家都投入大量的人力物力進(jìn)行脈沖功率相關(guān)裝置的研制，直至目前為止，高功率脈沖技術(shù)的發(fā)展基本呈現(xiàn)一種功率競(jìng)爭(zhēng)的特點(diǎn)，裝置功率一個(gè)比一個(gè)大，相應(yīng)的裝置體積也很龐大，成本昂貴，讓很多的民事單位和科研機(jī)構(gòu)望而卻步。而隨著脈沖功率技術(shù)在民用工業(yè)各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)重復(fù)頻率納秒脈沖電源提出有別于大型脈沖功率裝置的新要求，即輕便小型、價(jià)格低廉、長(zhǎng)壽命和高可靠性。目前脈沖功率電源的主要有幾種實(shí)現(xiàn)方式，Marx發(fā)生器、Blumlein傳輸線、氣體開關(guān)陡化、磁開關(guān)陡化等。但是各種方案均有其難以避免的缺陷=Marx發(fā)生器及Blumlein 傳輸線，重復(fù)頻率都很難超高IkHz ；而使用氣體開關(guān)陡化，其穩(wěn)定性及使用壽命都有很大局限；僅使用單級(jí)磁開關(guān)進(jìn)行脈沖陡化，輸出電壓上升沿極限值一般為40 50ns，半高寬 80 100ns。如果想使用磁開關(guān)實(shí)現(xiàn)更快前沿的高壓輸出，必須采用其他的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)適合民事工業(yè)應(yīng)用和科研機(jī)構(gòu)使用的小型脈沖功率源，拋卻因國(guó)防利益而難以購(gòu)得的半導(dǎo)體斷路開關(guān)SOS (Semiconductor Open Switch簡(jiǎn)稱SOS)元器件，而使用極易獲得的快恢復(fù)二極管代替SOS元器件使用，將磁開關(guān)技術(shù)和快恢復(fù)二極管進(jìn)行結(jié)合，利用快恢復(fù)二極管的SOS效應(yīng)，研制出一套重復(fù)頻率納秒脈沖源，輸出脈沖上升沿可以達(dá)到IOns以內(nèi)，半高寬可達(dá)30ns以內(nèi)，重復(fù)頻率可達(dá)5kHz。本發(fā)明中的脈沖源所采用的元器件均可在電子市場(chǎng)上購(gòu)得，而且價(jià)格低廉。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下本發(fā)明所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括包括原邊儲(chǔ)能電容Ctl、半導(dǎo)體器件IGBT、可飽和脈變PT、第一副邊儲(chǔ)能電容C1、第二副邊儲(chǔ)能電容C2、前級(jí)磁開關(guān)MS1、后級(jí)磁開關(guān)MS2、后級(jí)儲(chǔ)能電容C3、具有SOS效應(yīng)的快恢復(fù)二極管D-sos、電阻負(fù)載Rx、串聯(lián)電感L ；通過磁開關(guān)和快恢復(fù)二極管D-sos的配合，產(chǎn)生陡前沿高壓脈沖；調(diào)壓器輸出交流電壓通過整流橋整流產(chǎn)生直流高壓，以此作為直流電壓源，直流電壓源通過串聯(lián)電感L和快恢復(fù)二極管D-sos的串聯(lián)對(duì)原邊儲(chǔ)能電容Ctl充電；原邊儲(chǔ)能電容Ctl在半導(dǎo)體器件IGBT的控制下，通過脈沖變壓器將能量傳遞至第一副邊儲(chǔ)能電容C1和第二副邊儲(chǔ)能電容C2，其中第一副邊儲(chǔ)能電容C1直接并聯(lián)在可飽和脈變PT副邊，第二副邊儲(chǔ)能電容C2經(jīng)前后級(jí)磁開關(guān)串聯(lián)后并聯(lián)在可飽和脈變PT副邊；后級(jí)磁開關(guān)MS2與后級(jí)儲(chǔ)能電容仏串聯(lián)后與負(fù)載電阻和快恢復(fù)二極管D-SOS并聯(lián)。直流電源通過電感L1和二極管D1對(duì)原邊儲(chǔ)能電容Ctl充電，此時(shí)由于二極管的反向截止作用，通過振蕩原變儲(chǔ)能電容Ctl上電壓幾乎可以達(dá)到直流電源的二倍，達(dá)到了升壓的效果。原邊儲(chǔ)能電容Ctl通過脈變對(duì)電容C1和C2并聯(lián)充電；能量傳遞完畢后脈變PT飽和， 此時(shí)脈變副邊相當(dāng)于小電感，電容C1電壓通過飽和脈變副邊振蕩，當(dāng)電壓翻轉(zhuǎn)時(shí)，前級(jí)磁開關(guān)MSl飽和；此時(shí)電容C1和C2串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)倍壓，通過快恢復(fù)二極管D-SOS對(duì)后級(jí)儲(chǔ)能電容C3充電，此時(shí)快恢復(fù)二極管D-SOS流過正向泵浦電流；充電完畢后，后級(jí)磁開關(guān)MS2飽和，電容C3通過飽和磁開關(guān)MS2對(duì)快恢復(fù)二極管D-SOS上進(jìn)行反向泵浦；快恢復(fù)二極管由于SOS效應(yīng)，快速截?cái)喾聪螂娏鳎谪?fù)載Rx上得到陡前沿高壓脈沖。經(jīng)研究，所選用二極管D-SOS的反向恢復(fù)時(shí)間參數(shù)，對(duì)輸出脈沖的上升沿、電壓幅值均有影響，故本發(fā)明中選用各種反向恢復(fù)時(shí)間不同的二極管可以得到各種不同參數(shù)的電壓輸出，以此實(shí)現(xiàn)脈沖源的參數(shù)調(diào)節(jié)。在使用同種二極管的條件下，輸出脈沖的上升沿和半高寬等參數(shù)與D-SOS的正向泵浦電流時(shí)間和大小相關(guān)，而正向泵浦電流與回路參數(shù)尤其是電感有很大關(guān)聯(lián)，本發(fā)明將后級(jí)儲(chǔ)能電容串聯(lián)電感對(duì)二極管充電，通過改變電感的量值可以調(diào)節(jié)脈沖輸出的上升沿和半高寬。本發(fā)明中，選用10 μ H，20 μ H，40 μ H三個(gè)感量不同的電感器件，通過其不同的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以得到多組不同的電感值。由于以上技術(shù)方案的采用，本發(fā)明有以下優(yōu)勢(shì)1、成本低廉，性能優(yōu)越，便于生產(chǎn)，易于推廣。SOS器件首先由俄羅斯發(fā)明，由于其本身所具有的國(guó)防意義，一般小型裝置中采用此器件基本是不可能的，而二極管作為常見半導(dǎo)體器件，非常容易購(gòu)得。本發(fā)明中，提出在小型脈沖源中使用快恢復(fù)二極管代替SOS使用，這樣就極大的降低了脈沖源的生產(chǎn)成本，而脈沖上升沿上幾近和SOS相媲美的優(yōu)越性能，可以極好地滿足大部分民用工業(yè)使用和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)研究需求。2、參數(shù)可調(diào)，易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明中，提出兩種調(diào)節(jié)電源參數(shù)的方法，使用此方法可以實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)高壓脈沖的輸出，方便科學(xué)研究使用。而且，此兩種方法的實(shí)現(xiàn)均無技術(shù)門檻，非常容易實(shí)現(xiàn)。


圖1是基于快恢復(fù)二極管的重復(fù)頻率納秒脈沖源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，Ctl是原邊儲(chǔ)能電容，PT為可飽和脈變，C1和C2是副邊儲(chǔ)能電容，MSl為前級(jí)磁開關(guān)，MS2為后級(jí)磁開關(guān)，C3是后級(jí)儲(chǔ)能電容，D-sos是具有SOS效應(yīng)的快恢復(fù)二極管，Rx 為電阻負(fù)載。圖2是通過串聯(lián)電感調(diào)節(jié)上升沿時(shí)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中L1S所串聯(lián)電感。圖3是電源高壓脈沖輸出波形圖。圖4是使用不同反向恢復(fù)時(shí)間的二極管時(shí)的輸出波形圖。圖5是串聯(lián)大小不等的電感時(shí)的高壓脈沖輸出波形圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種重復(fù)頻率納秒脈沖源技術(shù)，下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說明。圖3是本發(fā)明依照?qǐng)D1中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研制脈沖源，輸出的高壓脈沖波形圖。脈沖峰值42. 4kV，上升沿9ns，半高寬22ns。圖4是在相同的充電電壓條件下，使用反向恢復(fù)時(shí)間參數(shù)不同的二極管，輸出的高壓脈沖波形圖。其中圖4(a)、(b)、(c)中所使用二極管的分別命名以型號(hào)A、B、C，則相關(guān)參數(shù)如下表1所示。表 1
型號(hào)反向恢復(fù)時(shí)間t 電壓峰值Up上升沿trA50ns29. 6kV9nsB80ns27. 2kV13nsC150ns22kV29ns表1表明，選用不同參數(shù)的二極管在相同的充電電壓下，隨著二極管反向恢復(fù)時(shí)間的增大，輸出電壓峰值下降，上升沿變緩。通過調(diào)換二極管可以達(dá)到脈沖調(diào)節(jié)的效果，如果需要將脈沖前沿變緩，需要調(diào)換反向恢復(fù)時(shí)間更長(zhǎng)的二極管，反之亦然。圖5為在相同的充電電壓下使用型號(hào)A 二極管，而串聯(lián)不同電感值時(shí)，輸出的高壓脈沖波形圖。其中圖5(a)、(b)、(c)中所示情況分別命名以La、Lb、L。，則其相關(guān)參數(shù)如下表 2所示。表2
型號(hào)串聯(lián)電感L電壓峰值Up上升沿tr半尚寬K10 μ H28. 4kV18ns70nsLb20 μ H26kV34ns108nsLc40 μ H19.2kV50ns167ns表2表明，在相同的充電電壓條件下，通過調(diào)整串聯(lián)電感量，可以達(dá)到調(diào)節(jié)脈沖上升沿、半高寬和電壓峰值的效果。隨著串聯(lián)電感量值的增大，電壓峰值下降，上升沿時(shí)間和半高寬時(shí)間均變長(zhǎng)。為了將脈沖前沿變緩，需要串聯(lián)更大電感，反之亦然。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種全固態(tài)重復(fù)頻率納秒脈沖源，其特征在于包括原邊儲(chǔ)能電容Ctl、半導(dǎo)體器件 IGBT、可飽和脈變PT、第一副邊儲(chǔ)能電容C1、第二副邊儲(chǔ)能電容C2、前級(jí)磁開關(guān)MS1、后級(jí)磁開關(guān)MS2、后級(jí)儲(chǔ)能電容C3、具有SOS效應(yīng)的快恢復(fù)二極管D-sos、電阻負(fù)載Rx、串聯(lián)電感L ； 通過磁開關(guān)和快恢復(fù)二極管D-sos的配合，產(chǎn)生陡前沿高壓脈沖；調(diào)壓器輸出交流電壓通過整流橋整流產(chǎn)生直流高壓，以此作為直流電壓源，直流電壓源通過串聯(lián)電感L和快恢復(fù)二極管D-sos的串聯(lián)對(duì)原邊儲(chǔ)能電容Ctl充電；原邊儲(chǔ)能電容Ctl在半導(dǎo)體器件IGBT的控制下，通過脈沖變壓器將能量傳遞至第一副邊儲(chǔ)能電容C1和第二副邊儲(chǔ)能電容C2，其中第一副邊儲(chǔ)能電容C1直接并聯(lián)在可飽和脈變PT副邊，第二副邊儲(chǔ)能電容C2經(jīng)前后級(jí)磁開關(guān)串聯(lián)后并聯(lián)在可飽和脈變PT副邊；后級(jí)磁開關(guān)MS2與后級(jí)儲(chǔ)能電容C3串聯(lián)后與負(fù)載電阻和快恢復(fù)二極管D-sos并聯(lián)。
2.如權(quán)利要求1所述一種全固態(tài)重復(fù)頻率納秒脈沖源，其特征在于直流電源通過電感L1和二極管D1對(duì)原邊儲(chǔ)能電容Ctl充電。
3.如權(quán)利要求1所述一種全固態(tài)重復(fù)頻率納秒脈沖源，其特征在于原邊儲(chǔ)能電容Ctl 通過脈變對(duì)電容C1和C2并聯(lián)充電；能量傳遞完畢后脈變PT飽和，此時(shí)脈變副邊相當(dāng)于小電感，電容C1電壓通過飽和脈變副邊振蕩，當(dāng)電壓翻轉(zhuǎn)時(shí)，前級(jí)磁開關(guān)MSl飽和；此時(shí)電容C1 和C2串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)倍壓，通過快恢復(fù)二極管D-sos對(duì)后級(jí)儲(chǔ)能電容C3充電，此時(shí)快恢復(fù)二極管D-sos流過正向泵浦電流；充電完畢后，后級(jí)磁開關(guān)MS2飽和，電容C3通過飽和磁開關(guān) MS2對(duì)快恢復(fù)二極管D-sos上進(jìn)行反向泵浦；快恢復(fù)二極管由于SOS效應(yīng)，快速截?cái)喾聪螂娏鳎谪?fù)載&上得到陡前沿高壓脈沖。
4.如權(quán)利要求1所述一種全固態(tài)重復(fù)頻率納秒脈沖源，其特征在于選用二極管代替 SOS器件，利用二極管本身的SOS效應(yīng)，就高壓脈沖進(jìn)行陡化。
5.如權(quán)利要求1所述一種全固態(tài)重復(fù)頻率納秒脈沖源，其特征在于電源中布置3個(gè)量值分別為10μ H，20 μ Η，40 μ H的電感元件，通過其不同的串并聯(lián)組合得到多組不同的電感量值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重復(fù)頻率納秒脈沖源，其特征在于通過選用反向恢復(fù)時(shí)間參數(shù)不同的二極管來調(diào)整輸出高壓脈沖參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重復(fù)頻率納秒脈沖源，其特征在于通過調(diào)整電感的量值來調(diào)整輸出高壓脈沖參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全固態(tài)重復(fù)頻率納秒脈沖源，包括原邊儲(chǔ)能電容C0、半導(dǎo)體器件IGBT、可飽和脈變PT、第一副邊儲(chǔ)能電容C1、第二副邊儲(chǔ)能電容C2、前級(jí)磁開關(guān)MS1、后級(jí)磁開關(guān)MS2、后級(jí)儲(chǔ)能電容C3、具有SOS效應(yīng)的快恢復(fù)二極管D-sos、電阻負(fù)載Rx、串聯(lián)電感L；通過磁開關(guān)和快恢復(fù)二極管D-sos的配合，產(chǎn)生陡前沿高壓脈沖。本發(fā)明使用常見的快恢復(fù)二極管代替價(jià)格昂貴SOS器件，其在對(duì)脈沖進(jìn)行陡化效果上同樣表現(xiàn)卓越，價(jià)格低廉的小型脈沖功率電源同樣具有優(yōu)越的性能，可以滿足絕大部分民用工業(yè)和科學(xué)研究工作需要。
文檔編號(hào)H02M3/07GK102158088SQ201110009540
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者任保忠, 何堃, 劉軒東, 龐磊, 張喬根 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)