CN101534071A

CN101534071A - 全固态高压纳秒脉冲电源

Info

Publication number: CN101534071A
Application number: CN200910049032A
Authority: CN
Inventors: 刘克富; 邱剑; 王冬冬
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: CN101534071B

Abstract

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种全固态高压纳秒脉冲电源。该电源分成如下两部分：串联升压电路和脉冲压缩电路；串联升压电路由一系列电压单元串联连接组成，实现升压功能；每个电压单元有一与可以接通和关断的开关连接的电容器，一系列电压单元的电容器形成一个电容器组；上述开关中的一部分为充电开关，对电容器并联充电，另一部分为放电开关，使电容器串联放电；脉冲压缩电路由储能电容或是锐化电容，和磁开关以串联方式连接。本发明减小***体积，从而能串联更多电压单元，使用电压较低的直流充电电源对脉冲发生器充电；采用的开关器件发生器寿命更长、频率更高；使用的磁开关缩短Marx电路输出的电压脉冲的上升时间，且免维护，低故障率。

Description

全固态高压纳秒脉冲电源

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种全固态高压纳秒脉冲电源。

背景技术

许多应用领域都需要能够产生高压脉冲的脉冲电源。强流粒子束加速器、高功率脉冲激光器、高功率微波、材料表面处理及离子注入、闪光X射线照相、脉冲等离子体放电及其工业应用等均为需要高压脉冲的应用实例。在传统***中，脉冲电源使用电容器、电感器等进行储能，使用级联的方法或脉冲变压器等进行升压，使用触发管和闸流管等进行开关控制。

通常采用Marx发生器的原理而形成上述类型的脉冲电源。Marx发生器是一种通过对一组电容器并联充电然后对这些电容器串联放电而产生高压脉冲的电路。图1所示为典型Marx发生器的实例。

当对电容器104充分充电后，通常会给第一级球隙施加触发脉冲电压，使得第一级球隙发生击穿，这样两个电容器有效串联起来导致下一级球隙击穿。很快，所有球隙击穿，于是电容器104串联连接并将高压脉冲传递给负载108。通常采用变压器对电容器104充电。在有些实施例中，用电感代替起充电限流和放电隔离作用的电阻102。球隙可以用其他气体开关替代，如旋转开关，吹气开关，闸流管或赝火花开关等。

传统的Marx发生器通常使用气体开关，虽然能够提供相当高的峰值电压和峰值电流、较快的开关速度，但是在重复频率、稳定性和寿命方面都有很大局限，整个***的效率也很低。此外，由于采用工频充电装置和较大的限流电阻或电感，使Marx发生器在输出电压达到数百千伏时有非常大的体积和重量，并且存在较大的接地寄生电容。寄生电容会增加电压脉冲的上升/下降时间。为了满足高电压要求，通常采用变压器油进行绝缘，这就使维护工作变得复杂。

随着近几十年来电力电子半导体固态开关器件的发展和逐步成熟，国内外的很多研究人员开始研制采用半导体开关作为主开关的高压脉冲发生器。上世纪九十年代末期就有许多学者提出各种半导体开关直接串联技术的潜在解决方案，并且进行了大量的实验。但十多年过去了仍没取得突破性进展，半导体直接串联技术还未能广泛应用于商业电源中。半导体开关直接串联技术的难点在于各个开关管在开通或关断瞬间的瞬态均压问题，由于这个问题一直没有得到很好的解决，制约了其实际应用。

也有研究人员以半导体开关替代传统Marx发生器中的气态开关，构建出一种新型的Marx发生器。半导体开关的应用克服了传统Marx电路在重复频率、稳定性和寿命方面的一些缺点，并且不存在半导体开关直接串联使用时存在的瞬态均压问题。但是半导体开关在开关速度、通流能力和耐受电压水平等方面与气态开关相比还有较大差距，因此并不能很好地取代传统Marx在大部分领域中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、寿命长、故障率低、脉冲宽度和幅值易于调整、上升沿小于一百纳秒的全固态高压脉冲电源。

本发明提出的全固态高压纳秒脉冲电源分成如下两部分：串联升压电路和脉冲压缩电路。其中，串联升压电路由一系列电压单元串联连接组成，实现升压功能。每个电压单元包括与可以接通和关断的开关(诸如各类半导体开关)连接的电容器；一系列电压单元的电容器形成一个电容器组；采用上述开关中的一部分(称为充电开关)对电容器并联充电，另一部分(称为放电开关)使电容器串联放电；脉冲压缩电路由中间储能电容(或者是锐化电容)和磁开关(也就是可饱和电抗器)以串联连接的方式构成，可以进一步减小串联升压电路输出的电压脉冲的上升时间，起到脉冲压缩的效果。

在串联升压电路工作时，如果处于充电状态，放电开关全部关断，充电开关全部接通，为各个电压单元的电容器提供充电电流。如果处于放电状态，放电开关全部接通，充电开关全部关断，已经充满电的各个电压单元的电容器串联起来输出电压脉冲。这样的优势在于，可以在不使用电感器、电阻器的情况下对电容器充电，减小了***体积，从而减少了与传统Marx发生器相关的某些寄生电容。

通过与每个电压单元相连接的二极管，可以形成电容器充电电流的通路，并且可以在某一个放电开关失效的情况下旁路相应的电压单元，使***仍然能够输出峰值降低的电压脉冲。当电容器正在充电或者已充好电时，位于连续电容器之间的放电开关处于关断状态以防止放电。当放电开关接通时，电容器串联连接并放电。在放电期间，充电开关关断。为了对电容器再次充电，放电开关断开并且充电开关重新接通。

串联升压电路输出的电压脉冲传递到脉冲压缩电路的中间储能电容(或者是锐化电容)上面，也就是对中间储能电容(或者是锐化电容)充电。中间储能电容的容量等于Marx发生器各单元电容串联之后的等效电容，它存储Marx发生器中的全部能量；锐化电容的容量远小于Marx发生器的等效电容，因此只存储部分能量。当充电进行到某一时刻，与中间储能电容(或者是锐化电容)连接的可饱和电抗器由不饱状态和变为饱和状态，从而完成了磁开关从断开到接通的转变。然后中间储能电容(或者是锐化电容)通过已经接通的磁开关对负载放电。中间储能电容释放掉存储的全部能量，锐化电容则和Marx发生器一起对负载放电。在前一种情况下，***输出电压脉冲的宽度由脉冲压缩电路和负载特性共同决定；在后一种情况下，脉冲压缩电路决定电压脉冲的上升沿，Marx电路决定电压脉冲的持续时间。在恰当设计的情况下，磁开关的开通速度与相同电压等级串联使用的半导体开关相比快很多，因此可以缩短前述串联升压电路输出的电压脉冲的上升时间，从几百纳秒甚至数微秒降到一百纳秒以内。另外，磁开关较高的通流能力和耐受电压水平也弥补了单纯依靠半导体开关输出电压脉冲的不足。

通过控制串联升压电路中某个或某几个电压单元的工作状态可以调整输出电压脉冲的幅值，并且经脉冲压缩电路压缩后电压脉冲的上升时间不会受到较大影响。也就是说，可以使一个或者多个电压单元不工作，从而在不影响产生电压脉冲能力的情况下改变电压脉冲的幅值。同时，某个或某几个单元的失效不会阻止脉冲发生器产生脉冲。

当脉冲压缩电路的电容是锐化电容时，改变Marx发生器中半导体开关的导通时间可以调整输出电压脉冲的宽度。

由于上述技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有以下优势：

省去了传统Marx脉冲发生器中通用的电抗器、电阻器，代之以半导体开关器件。这种方法减小了***体积，减少了寄生电容的影响。

***体积的减小，使得可以串联更多的电压单元，因此可以使用电压较低的直流充电电源对脉冲发生器充电从而产生较大电压脉冲。

相对于传统Marx发生器，采用半导体开关器件的发生器寿命更长、工作频率更高。

***内某个或某几个电压单元的失效不会阻止脉冲发生器产生脉冲。

***在输出级有脉冲压缩电路，以磁开关压缩半导体Marx发生器的输出脉冲。磁开关的开通速度与相同电压等级串联使用的半导体开关相比快很多，因此可以缩短半导体Marx电路输出的电压脉冲的上升时间，从几百纳秒甚至数微秒降到一百纳秒以内。

磁开关具有较强的通流能力和较高的耐受电压等级，弥补了单纯依靠半导体开关输出电压脉冲的不足。另外，磁开关基本免维护，故障率极低。

通过控制***中半导体开关的导通与关断，可以方便地改变输出电压脉冲的幅值和脉宽。

附图说明

图1为典型Marx发生器的电路结构；

其中：100—Marx发生器；102—充电电阻；104—电容器；106—球隙；108—负载；110—充电电压。

图2为全固态高压纳秒脉冲电源的总体结构框图；

其中：200—脉冲电源***；202—开关电容器组；204—脉冲压缩电路；206—负载；208—开关驱动器；210—控制信号；212—电压单元；214—半导体开关；216—中间储能电容；218—磁开关。

图3为全固态高压纳秒脉冲电源的实施方式框图；

其中：300—脉冲电源***；302—直流电源；304、306和308—开关驱动；310、312和314—充电开关；316、318和320—开关驱动；322、324和326—放电开关；328和330—充电电流回路；332、334和336—电容器；338、340和342—二极管；344—中间储能电容(或者是锐化电容)；346—磁开关；348—负载。

图4为产生负电压脉冲的全固态高压纳秒脉冲电源的实施方式框图；

其中：400—脉冲电源***；402—直流电源；404、406和408—开关驱动；410、412和414—充电开关；416、418和420—开关驱动；422、424和426—放电开关；428、430和432—电容器；434、436和438—二极管；440—中间储能电容(或者是锐化电容)；442—磁开关；444—负载；446、448和450—电压单元。

图5为产生正电压脉冲的全固态高压纳秒脉冲电源的实施方式框图；

其中：500—脉冲电源***；502—直流电源；504、506和508—开关驱动；510、512和514—充电开关；516、518和520—开关驱动；522、524和526—放电开关；528、530和532—电容器；534、536和538—二极管；540—中间储能电容(或者是锐化电容)；542—磁开关；544—负载。

具体实施方式

本发明涉及用于产生电压脉冲的***和方法。本发明可以控制电压脉冲的幅值，电压脉冲的持续时间，并且使输出电压的上升沿小于一百纳秒。

本发明的实施方式中包括一系列具有串联的电容器和开关的电压单元，以及用来压缩脉冲的中间储能电容器(或者是锐化电容器)和磁开关。在每个电压单元中的充电开关为通过二极管施加的充电电流提供通路。这种电路结构的优势在于不必采用传统脉冲发生器中通用的电抗器、电阻器和工频充电电源，同时能够输出具有快速上升沿的电压脉冲。此外，***体积的减小降低了与这里所述的***和方法相关的接地寄生电容，这使得可以串联更多的电压单元。

图2示出用于产生并向负载传输高压脉冲的脉冲发生器或者***的总体结构框图。

具体地，脉冲电流200产生并向负载206传输高压脉冲。在***200中，开关电容器组202由多个电压单元212通过半导体开关214以并联(充电时)或者串联(放电时)的方式连接。电压单元212用于储存传递给脉冲压缩电路204的电压脉冲。脉冲压缩电路204由中间储能电容(或者是锐化电容)216和磁开关218串联构成。

电压单元212通常与通过开关驱动器208控制的半导体开关214连接。通过调节开关驱动器208的控制信号，开关驱动器208打开/关闭半导体开关214。半导体开关214的状态决定电压单元212充电还是向脉冲压缩电路204放电。在具体实施中，这样的结构减少了寄生电容的影响从而可以串联更多的电压单元。由于可以串联更多的电压单元，因此可以使用较低的直流电压对电压单元212充电从而产生较大电压脉冲。中间储能电容(或者是锐化电容)216将电压单元212串联放电时传递的全部或部分能量暂时储存起来，经过磁开关218的压缩，传递到负载206。在具体实施中，这种方法弥补了使用半导体开关作放电开关时输出的高压脉冲上升沿较慢、电流较小的缺陷。

在***200的实施方式中，通过控制开关214的状态对电压单元进行并联充电并使电压单元串联放电。***200的一个优点在于一个或者多个电压单元212以及半导体开关214中的放电开关失效的情况下，不会阻止该***向负载206传输高压脉冲。由于磁开关的特性，可以使***在输出电压降低的情况下，仍然保持与额定电压输出时近似的脉冲上升沿。***200传输正电压脉冲或者传输负电压脉冲。

图3示出高压脉冲发生器的实施方式。该实施方式中包括三个电压单元，但是如上所述，熟悉本领域的技术人员应该认识到，可以包括更多或更少级。

在对电容器332、334和336充电时，通过开关驱动308、306和304的控制信号，充电开关310、312和314处于接通状态；通过开关驱动320、318和316的控制信号，放电开关322、324和326处于关断状态。通路328表示来自直流电源302的对电容器336进行充电的电流通路。同时，直流电源302通过通路330传输电流以对电容器334进行充电。对电容器332充电的电流流经充电开关314、312和310以及二极管342、340和338。二极管342、340和338将放电期间产生的高压脉冲与电源隔离开。同时，所述二极管允许脉冲绕过任意失效的电压单元。

在电容器放电期间，通过施加相应的开关驱动，使充电开关310、312和314处于关断状态而放电开关322、324和326处于接通状态。这样，各个电压单元串联连接对脉冲压缩电路中的中间储能电容(或者是锐化电容)344充电。电容器344充电完成后，磁开关346饱和导通，电容器344对负载348放电，形成高压脉冲。

磁开关346应用在这里，不仅具有开关速度快、通流能力强和耐受电压高等优点，还能够实现高重复频率(大于1000Hz)和长寿命运行(稳定产生超过10的10次方个脉冲)。

图4表示出包含多个电压单元(也称之为级或部分)的脉冲发生器的方框图。图4所示的脉冲发生器的实施方式用来产生负电压脉冲。该实施方式中包括三个电压单元，但是如上所述，熟悉本领域的技术人员应该认识到，可以包括更多或者更少级。图4示出采用通过开关驱动404、406和408控制的充电开关414、412和410以及通过控制开关416、418和420控制的放电开关426、424和422以如上所述方式连接的电压单元450、448和446，图4还示出了中间储能电容(或者是锐化电容)440和磁开关442。

在该实施方式中，开关410、412和414以及开关422、424和426可以是本领域中公知的任意类型的半导体开关。普通晶闸管(SCR)、双极结型电力三极管(BJT)、功率场效应管(Power MOSFET)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITH)、门极关断晶闸管(GTO)等均为这里可用的开关的实施例。每个电压单元包括用于控制充电开关的开关驱动和控制放电开关的开关驱动。例如，电压单元446包括用于控制放电开关426的开关驱动416。在该实施例中，通过开关驱动416控制放电开关426的栅极。开关驱动404控制充电开关414的栅极。

直流电源402通过充电开关410、412和414以及二极管434、436和438对电容器432、430和428进行充电。以该方式充电可以不必使用传统Marx发生器中通用的电感器、电阻器或者隔离型电源。开关可以通过诸如光纤耦合、变压器耦合进行触发。

由二极管434、436和438串联构成的二极管链可以在特定电压单元的开关无法接通或者存在延迟的情况下提供绕过该特定电压单元的电流通路，确保仍有电压脉冲输出。

在制作磁开关时，应选择磁滞回线矩形特性好、饱和磁通较大、软磁特性好以及高频损耗小的磁芯材料。通常有铁氧体、非晶态合金和纳米晶合金这几种材料可供使用

图5示出脉冲发生器的另一种实施方式。图5类似于图4所示的脉冲发生器，二者存在的区别在于图5的脉冲发生器产生正脉冲而图4的脉冲发生器产生负脉冲。图5在电路结构上与图4相比，改变了充电电源的极性，改变了充电开关、放电开关以及二极管链的方向。

Claims

1.一种全固态高压纳秒脉冲电源，其特征在于分成如下两部分：串联升压电路和脉冲压缩电路；其中，串联升压电路由一系列电压单元串联连接组成，实现升压功能；每个电压单元有一与可以接通和关断的开关连接的电容器，一系列电压单元的电容器形成一个电容器组；上述开关中的一部分称为充电开关，对电容器并联充电，另一部分称为放电开关，使电容器串联放电；脉冲压缩电路由中间储能电容或者是锐化电容，和磁开关以串联连接的方式构成；

在串联升压电路工作时，如果处于充电状态，放电开关全部关断，充电开关全部接通，为各个电压单元的电容器提供充电电流；如果处于放电状态，放电开关全部接通，充电开关全部关断，已经充满电的各个电压单元的电容器串联起来输出电压脉冲；

与每个电压单元相连接的二极管，形成电容器充电电流的通路，并且在某一个放电开关失效的情况下旁路相应的电压单元，使***仍然能够输出峰值降低的电压脉冲；当电容器正在充电或者已充好电时，位于连续电容器之间的放电开关处于关断状态以防止放电；当放电开关接通时，电容器串联连接并放电；在放电期间，充电开关关断；为了对电容器再次充电，放电开关断开并且充电开关重新接通；

串联升压电路输出的电压脉冲传递到脉冲压缩电路的中间储能电容上面，对中间储能电容充电；中间储能电容通过已经接通的磁开关对负载放电。

2.根据权利要求1所述的全固态高压纳秒脉冲电源，其特征在于开关电容器组(202)由多个电压单元(212)通过半导体开关(214)以并联)或者串联的方式连接；电压单元(212)用于储存传递给脉冲压缩电路(204)的电压脉冲；脉冲压缩电路(204)由中间储能电容或者是锐化电容(216)和磁开关(218)串联构成；

电压单元(212)与通过开关驱动器(208)控制的半导体开关(214)连接；调节开关驱动器(208)的控制信号，开关驱动器(208)打开或关闭半导体开关(214)；半导体开关(214)的状态决定电压单元(212)充电还是向脉冲压缩电路(204)放电。