CN105048855A - 一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其主要由直流电源、脉冲发生电路、驱动电路和触发电路组成，脉冲发生电路包括Blumlein型脉冲形成线、MOSFET和负载，脉冲形成线包括第一和第二传输线，第一和第二传输线为同轴线，并通过BNC或SMA接口与脉冲发生电路的电路板连接，MOSFET通过源极和漏极连接在第一传输线一端的内导体与外导体之间，直流电源与第一传输线该端的内导体连接，触发电路通过驱动电路与MOSFET的栅极连接，本发明采用双传输线型Blumlein型脉冲形成线，并采用MOSFET作为高速开关，可以实现高频纳秒级脉冲输出，并且电源输出阻抗和脉宽可调。

Description

一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源
技术领域
本发明涉及模拟电子及电力电子领域,特别是涉及一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源。
背景技术
Blumlein型脉冲形成线的概念是A.D.Blumlein于1948年提出的，又称双形成线。相对于单形成线，它可以获得幅值等于充电电压的脉冲，而单形成线只能获得幅值等于充电电压一半的脉冲。Blumlein型脉冲形成线分为双传输线型(如图1A所示)和紧凑型(如图1B所示)两种。现有技术的Blumlein型脉冲形成线电源多采用紧凑型Blumlein型脉冲形成线，例如公开号CN102931948的专利，公开了一种气体开关与紧凑型Blumlein传型脉冲形成线的高压亚纳秒脉冲源。该脉冲源采用气体开关和特殊设计的紧凑型Blumlein型脉冲形成线产生了300kV亚纳秒级脉冲。由于该设计采用气体开关，所以放电脉冲频率不会很高，另外形成线的长度和阻抗不可调，这也是紧凑型Blumlein型脉冲形成线的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，而提供一种新型结构的脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，所要解决的技术问题是使其采用双传输线型Blumlein型脉冲形成线，并采用金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET)作为高速开关，形成脉冲电源，通过采用BNC或SMA作为形成线与脉冲发生电路的电路板的接口，改变脉冲发生电路中形成线的长度实现脉冲电源输出脉宽任意可调，通过并联多根Blumlein型脉冲形成线实现脉冲电源输出阻抗可调，通过MOSFET多个串联实现纳秒级脉冲输出。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其包括：直流电源、脉冲发生电路、驱动电路及触发电路；所述脉冲发生电路包括：Blumlein型脉冲形成线、MOSFET及负载，所述Blumlein型脉冲形成线包括第一传输线及第二传输线，所述第一传输线与所述第二传输线为同轴线，且所述第一传输线一端的内导体与所述第二传输线一端的内导体连接，所述负载连接在所述第二传输线该端的外导体与接地点之间，所述MOSFET通过源极及漏极连接在所述第一传输线另一端的内导体与外导体之间；所述直流电源与所述第一传输线另一端的内导体连接，所述触发电路的输入端与信号发生器连接，所述触发电路的输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述驱动电路的输出端与所述MOSFET的栅极连接；其中所述第一传输线与所述第二传输线的两端是分别通过BNC或SMA接口与脉冲发生电路的电路板连接，从而与所述电路板上的所述MOSFET及所述负载连接形成所述脉冲发生电路。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其中所述脉冲发生电路还包括限流电阻，所述限流电阻连接在所述直流电源与所述第一传输线另一端的内导体之间。
前述的一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其中在所述第一传输线另一端的内导体与外导体之间连接有多个串联的MOSFET。
前述的一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其中在所述脉冲发生电路中并联有两根以上所述Blumlein型脉冲形成线，其中两根以上所述第一传输线的内导体及外导体分别并联，两根以上所述第二传输线的内导体及外导体分别并联，并且在两根以上并联的所述第一传输线的内导体与两根以上并联的所述第二传输线的内导体连接的一端，两根以上并联的所述第一传输线的外导体与两根以上并联的所述第二传输线的外导体连接。
前述的一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其中所述的
前述的一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其中所述驱动电路包括：光耦合器、DC-DC变换器及MOSFET驱动芯片，所述光耦合器的输入端与所述触发电路的输出端连接，所述光耦合器的输出端与所述MOSFET驱动芯片的输入端连接，所述MOSFET驱动芯片的输出端与所述MOSFET的栅极连接，所述MOSFET驱动芯片通过所述DC-DC变换器与电源连接。
前述的一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其中所述光耦合器采用HCPL316，所述MOSFET驱动芯片采用IXDN430。
前述的一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其中所述触发电路包括555芯片及单稳触发芯片，所述555芯片的1引脚接地，2引脚与所述信号发生器连接，3引脚与所述单稳触发芯片连接，5引脚接通过第一电容接地，6引脚通过第二电容接地，7引脚通过第一电阻与电源连接，4引脚接与8引脚分别与电源连接，所述单稳触发芯片的输出端与所述驱动电路的输入端连接。
前述的一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其中所述单稳触发芯片采用74HC123，所述74HC123的1引脚、4引脚及6引脚接地，2引脚与所述555芯片的3引脚连接，3引脚通过第二电阻与电源连接，5引脚与所述驱动电路的输入端连接，7引脚通过第三电容接地，8引脚与电源连接，并通过第三电阻及所述第三电容接地。
借由上述技术方案，本发明一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源至少具有下列优点及有益效果：本发明相比于现有的Blumlein型脉冲形成线电源，可以输出更高频率纳秒级脉冲，并且其电源输出阻抗可调，输出脉宽可调。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1A是采用双传输线型Blumlein型脉冲形成线的脉冲发生电路的示意图。
图1B是采用紧凑型Blumlein型脉冲形成线的脉冲发生电路的示意图。
图2是本发明脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源的组成结构示意图。
图3A是本发明脉冲发生电路的一较佳实施例的原理图。
图3B是本发明脉冲发生电路的另一较佳实施例的原理图。
图4A是图3A的脉冲发生电路的PCB电路板的示意图。
图4B是图3B的脉冲发生电路的PCB电路板的示意图。
图5是本发明驱动电路的一较佳实施例的示意图。
图6是本发明触发电路的一较佳实施例的示意图。
图7是本发明脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源输出的纳秒级脉冲的波形图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
本发明是利用MOSFET快开关与双传输线型Blumlein型脉冲形成线形成纳秒脉冲电源。请参阅图2及图3A所示，图2是本发明脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源的组成结构示意图。图3A是本发明脉冲发生电路的一较佳实施例的原理图。本发明脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源主要由直流电源1、脉冲发生电路2、驱动电路3和触发电路4组成。由信号发生器5外触发输出脉冲信号。其中脉冲发生电路2主要由Blumlein型脉冲形成线、MOSFET和负载RL组成，Blumlein型脉冲形成线包括第一传输线T1和第二传输线T2，第一传输线T1与第二传输线T2为同轴线，第一传输线T1一端的内导体与第二传输线T2一端的内导体连接，负载RL连接在第二传输线T2该端的外导体与接地点之间，MOSFET通过源极及漏极连接在第一传输线T1另一端的内导体与外导体之间。直流电源1与第一传输线T1另一端的内导体连接，触发电路4的输入端与信号发生器5连接，触发电路4的输出端与驱动电路3的输入端连接，驱动电路3的输出端与MOSFET的栅极连接。如图2A所示，脉冲发生电路2还包括限流电阻R0，限流电阻R0连接在直流电源1与第一传输线T1另一端的内导体之间。在脉冲发生电路2的第一传输线T1另一端的内导体与外导体之间连接有多个串联的MOSFET。直流电源1经过限流电阻R0给Blumlein型脉冲形成线的第一传输线T1和第一传输线T2充电到设定电压，MOSFET在几十纳秒内快速导通，通过Blumlein型脉冲形成线在负载RL上得到纳秒级具有一定宽度的上升脉冲，在形成脉冲后，直流电源1还来不及再给第一传输线T1和第一传输线T2充电。
请参阅图4A所示，是图3A的脉冲发生电路的PCB电路板的示意图。Blumlein型脉冲形成线的第一传输线T1和第二传输线T2的两端分别为BNC或SMA接口，在脉冲发生电路的电路板上对应焊接有BNC或SMA接口，Blumlein型脉冲形成线的第一传输线T1和第二传输线T2分别通过BNC或SMA接口与脉冲发生电路的电路板连接，从而与电路板上的MOSFET及负载RL连接形成脉冲发生电路2。由于脉冲宽度是由第一传输线T1和第一传输线T2的长度决定，BNC或SMA接口可以使第一传输线T1和第一传输线T2从电路板上方便的拆卸下来，当希望改变输出脉冲宽度时，通过更换其他长度的第一传输线T1和第二传输线T2，可以实现脉冲电源输出脉宽任意可调。其中接口J5为脉冲发生电路2与直流电源1的接口。
请参阅图3B所示，是本发明脉冲发生电路的另一较佳实施例的原理图。本实施例与图3A实施例的区别在于：在脉冲发生电路2中并联有两根Blumlein型脉冲形成线，其中两根Blumlein型脉冲形成线的两根第一传输线T1_1、T1_2的内导体及外导体分别并联，两根第二传输线T2_1、T2_2的内导体及外导体分别并联，并且在两根并联的第一传输线T1_1、T1_2的内导体与两根并联的第二传输线T2_1、T2_2的内导体连接的一端，两根并联的第一传输线T1_1、T1_2的外导体与两根并联的第二传输线T2_1、T2_2的外导体连接，这样可以降低脉冲电源的输出阻抗。例如：在图3A的实施例中，第一传输线T1和第二传输线T2的阻抗分别为50Ω，则电源输出阻抗为100Ω；在图3B的实施例中，Blumlein型脉冲形成线为两根并联，所以阻抗为25Ω，则电源输出阻抗为50Ω。图4B是图3B的脉冲发生电路的PCB电路板的示意图。本发明通过在脉冲发生电路2中并联两根以上Blumlein型脉冲形成线，可以实现脉冲电源输出阻抗可调。
请参阅图5所示，是本发明驱动电路的一较佳实施例的示意图。本发明的驱动电路3可以主要由光耦合器31、DC-DC变换器32和MOSFET驱动芯片33组成，其中光耦合器31的输入端与触发电路4的输出端连接，光耦合器31的输出端与MOSFET驱动芯片33的输入端连接，MOSFET驱动芯片33的输出端与MOSFET的栅极连接，MOSFET驱动芯片33通过DC-DC变换器32与电源连接。在本实例中，光耦合器31采用HCPL316、MOSFET驱动芯片33采用IXDN430。脉冲触发信号通过触发电路4输入到驱动电路3，通过光耦合器31隔离，MOSFET驱动芯片33产生驱动信号，MOSFET驱动芯片33通过DC-DC变换器32被隔离供电。
请参阅图6所示，是本发明触发电路的一较佳实施例的示意图。本发明的触发电路4可以主要由555芯片41和单稳触发芯片42组成，由555芯片41用来限制触发信号的输入频率，由单稳触发芯片42用来限制驱动信号脉宽。其中555芯片41的1引脚接地，2引脚与信号发生器5连接，3引脚与单稳触发芯片42连接，5引脚接通过第一电容C1接地，6引脚通过第二电容C2接地，7引脚通过第一电阻R1与电源连接，4引脚接与8引脚分别与电源连接，单稳触发芯片42的输出端与驱动电路3的输入端连接。本发明的单稳触发芯片42可以采用74HC123，其中74HC123的1引脚、4引脚及6引脚接地，2引脚与555芯片41的3引脚连接，3引脚通过第二电阻R2与电源连接，5引脚与驱动电路3的输入端连接，7引脚通过第三电容C3接地，8引脚与电源连接，并通过第三电阻R3及第三电容C3接地。
请参阅图7所示，是本发明脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源输出的纳秒级脉冲的波形图。在本发明的一具体实例中，脉冲电源采用的MOSFET开关速度为20ns，由于Blumlein型脉冲形成线对脉冲的锐化作用，输出脉冲下降沿小于5ns，脉宽在0-40ns可调，输出阻抗为100Ω和50Ω可调，输出脉冲峰值电压在0-800V，通过脉冲变压器放大也可得到更高的输出电压，目前通过特殊的脉冲变压器设计，峰值电压加倍，可以达到1.6kV。
本发明将双形成线的概念用在低压和高频的脉冲电源，可以输出符合指标的脉冲信号，并且成本大大降低。同时该类型的脉冲电源可以应用在光电器件驱动，电磁加载，肿瘤消融，生物细胞实验等方面。所以本发明不仅具有创新性同时还具有很好适用性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其特征在于其包括：直流电源、脉冲发生电路、驱动电路及触发电路；所述脉冲发生电路包括：Blumlein型脉冲形成线、MOSFET及负载，所述Blumlein型脉冲形成线包括第一传输线及第二传输线，所述第一传输线与所述第二传输线为同轴线，且所述第一传输线一端的内导体与所述第二传输线一端的内导体连接，所述负载连接在所述第二传输线该端的外导体与接地点之间，所述MOSFET通过源极及漏极连接在所述第一传输线另一端的内导体与外导体之间；所述直流电源与所述第一传输线另一端的内导体连接，所述触发电路的输入端与信号发生器连接，所述触发电路的输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述驱动电路的输出端与所述MOSFET的栅极连接；其中所述第一传输线与所述第二传输线的两端是分别通过BNC或SMA接口与脉冲发生电路的电路板连接，从而与所述电路板上的所述MOSFET及所述负载连接形成所述脉冲发生电路。
2.根据权利要求1所述的脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其特征在于其中所述脉冲发生电路还包括限流电阻，所述限流电阻连接在所述直流电源与所述第一传输线另一端的内导体之间。
3.根据权利要求1所述的脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其特征在于其中在所述第一传输线另一端的内导体与外导体之间连接有多个串联的MOSFET。
4.根据权利要求1所述的脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其特征在于其中在所述脉冲发生电路中并联有两根以上所述Blumlein型脉冲形成线，其中两根以上所述第一传输线的内导体及外导体分别并联，两根以上所述第二传输线的内导体及外导体分别并联，并且在两根以上并联的所述第一传输线的内导体与两根以上并联的所述第二传输线的内导体连接的一端，两根以上并联的所述第一传输线的外导体与两根以上并联的所述第二传输线的外导体连接。
5.根据权利要求1所述的脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其特征在于其中所述驱动电路包括：光耦合器、DC-DC变换器及MOSFET驱动芯片，所述光耦合器的输入端与所述触发电路的输出端连接，所述光耦合器的输出端与所述MOSFET驱动芯片的输入端连接，所述MOSFET驱动芯片的输出端与所述MOSFET的栅极连接，所述MOSFET驱动芯片通过所述DC-DC变换器与电源连接。
6.根据权利要求5所述的脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其特征在于其中所述光耦合器采用HCPL316，所述MOSFET驱动芯片采用IXDN430。
7.根据权利要求1所述的脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其特征在于其中所述触发电路包括555芯片及单稳触发芯片，所述555芯片的1引脚接地，2引脚与所述信号发生器连接，3引脚与所述单稳触发芯片连接，5引脚接通过第一电容接地，6引脚通过第二电容接地，7引脚通过第一电阻与电源连接，4引脚接与8引脚分别与电源连接，所述单稳触发芯片的输出端与所述驱动电路的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的脉宽和输出阻抗可调的纳秒脉冲电源，其特征在于其中所述单稳触发芯片采用74HC123，所述74HC123的1引脚、4引脚及6引脚接地，2引脚与所述555芯片的3引脚连接，3引脚通过第二电阻与电源连接，5引脚与所述驱动电路的输入端连接，7引脚通过第三电容接地，8引脚与电源连接，并通过第三电阻及所述第三电容接地。
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