CN108183623A - 一种高压快沿脉冲源 - Google Patents

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郭春辉
张素娟
程坤
常中坤
赵雪纲
程显光
邵飞
崔久鹏
丁长春
王宁
连剑
张云昌
李伟
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Abstract

本发明公开了一种高压快沿脉冲源，一种能够保证稳定的电压可调直流高压输出的脉冲源电路。脉冲源包括：高压产生电路、高压开关、采样电路、控制电路以及触发电路；高压产生电路用于产生恒定的直流高压输入至高压开关；采样电路对高压开关电路的电流进行采样，获得采样信号；控制电路，用于产生设定频率的脉冲输入到触发电路；还用于产生控制信号给高压产生电路，控制信号用于调节高压产生电路的振荡频率；控制电路还用于，接收采样信号，依据采样信号设置控制信号；触发电路依据设定频率的脉冲控制高压开关的通断；高压开关在接通时对直流高压进行输出。

Description

一种高压快沿脉冲源
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种高压快沿脉冲源。
背景技术
高压快沿脉冲源技术是高能脉冲激光器、X射线源等空间科技前沿技术的关键技术。近年来将脉冲激光器等送上外太空成为研究的热点，但是高压快沿脉冲源的重复频率不高(小于2KHz)，输出电压值有限(小于4KV)且不能实现严格精确控制，体积大，装置复杂，限制了其应用范围，很难满足空间设备的要求，成为了激光器等空间技术发展的瓶颈，急需研制出能满足要求的脉冲源。
星上直流供电的伏值通常都比较低，高能脉冲激光器等设备需要伏值特别高的直流电压。这种大变比的升压当前通常采用推挽电路来实现，但是推挽电路的设计比较复杂，成本比较高，由于其初级采用了2个开关管，低压大电流的输入使得电路损耗较大。为实现高升压比而采用的升压变压器会产生漏感，由此带来了损耗，次级还需加装滤波电感，进一步提高了成本。并且用传统boost升压电路来实现，高升压比不可避免，变换器变换效率较低。
高压快脉冲源的技术基础的核心是高压快开关，其中固体器件开关具有速度快、晃动小等优点，正逐步取代电真空器件成为主流。而在由固体器件构成的快脉冲源中，一般采用雪崩晶体管设计，输出脉冲可达到高幅度与快前沿，但由于器件电流驱动能力差，输出脉冲宽度较窄，虽然通过级联可以提高功率，如MARX电路，但提高有限且增加了电路的复杂性，降低了电路可靠性，不能适应外太空复杂的空间环境。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高压快沿脉冲源，是一种能够保证稳定的电压可调直流高压输出的脉冲源电路，其结构简单可靠性高，能够适应太空复杂空间环境。
本发明技术方案为：一种高压快沿脉冲源，包括：高压产生电路、高压开关、采样电路、控制电路以及触发电路。
高压产生电路用于产生恒定的直流高压输入至高压开关。
采样电路对高压开关电路的电流进行采样，获得采样信号。
控制电路，用于产生设定频率的脉冲输入到触发电路；还用于产生控制信号给高压产生电路，控制信号用于调节高压产生电路的振荡频率；控制电路还用于，接收采样信号，依据采样信号设置控制信号。
触发电路依据设定频率的脉冲控制高压开关的通断。
高压开关在接通时对直流高压进行输出。
进一步地，高压产生电路包括开关电源和倍压整流boost电路。
boost电路包括输入电容C1、输出电容C2、耦合电感、第一二极管D1、第二二极管D2以及金属氧化物半导体场效应管MOSFET T1。
耦合电感由初级电感L1和次级电感L2顺次绕在同一个磁芯上构成。
MOSFET的漏极接在L1和L2之间，MOSFET的源极和L1之间连接输入电容C1，MOSFET的源极和L2之间连接输出电容C2，源极和漏极之间连接D1，D1的方向为由源极至漏极；
L2和C1之间连接D2，D2的方向为由L2至C1。
开关电源并联在C1的两端作为输入电压；C2的两端电压为输出电压，C2的两端并联一个输出电阻。
进一步地，输入电压为Ui，输出电压为Uo，L1的匝数为n1，L2的匝数为n2，匝数比为N＝n2/n1。
则配置T1的占空比D为：
进一步地，高压开关采用N沟道的MOSFET。
进一步地，触发电路为单稳态触发器。
有益效果：
1、本发明以控制电路控制的开关电源输出电压可调直流高压，控制电路同时用于以设定频率的脉冲输入到触发电路，通过触发电路控制高压开关的通断，对高压开关进行采样，并根据采样值来控制开关电源的输出电压，从而保证稳定的电压可调直流高压输出。本发明电路组成结构简单，电路可靠性强，能够适应太空复杂的空间环境。
2、本发明提供的高压快沿脉冲源，本发明的高压生成电路采用耦合电感的boost电路实现高升压比，通过适当的选择耦合电感的匝比来降低占空比，与传统的高压生成电路相比，其占空比低，升压比高，在输入电压大小不变的情况下能够实现高升压比的高压输出；且通过选择耦合电感的匝比来实现对占空比的调整，实现了对输出电压的精确控制。
3、本发明提供的高压快沿脉冲源，其高压开关采用N沟道的MOSFET，其开关速度快，损耗小，自恢复时间短，能够实现高重复频率的高压输出。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的高压快沿脉冲源的结构组成框图。
图2为本发明实施例所提供的倍压整流boost电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
请参考图1，图1示出了本发明实施例所提供的高压快沿脉冲源的组成框图。本发明实施例提供的一种高压快沿脉冲源，包括：高压产生电路、高压开关、采样电路、控制电路以及触发电路。
高压产生电路用于产生恒定的直流高压输入至高压开关。
采样电路对高压开关电路的电流进行采样，获得采样信号。
控制电路，用于产生设定频率的脉冲输入到触发电路；还用于产生控制信号给高压产生电路，控制信号用于调节高压产生电路的振荡频率；控制电路还用于，接收采样信号，依据采样信号设置控制信号。其中设定频率的脉冲其频率根据需要产生的输出高压脉冲进行设定。本发明实施例中，控制电路可以采用脉冲宽度调制PWM产生芯片以及单稳态输出芯片实现。
触发电路依据上述设定频率的脉冲控制高压开关的通断。本发明实施例中，根据输出高压脉冲的要求，高压开关的导通时间需在5ns以内，使得高压输出能产生满足要求的快速脉冲沿。本发明实施例中可以采用单稳态触发器，对输入的触发信号整形，触发信号是外界控制器产生的一定频率的脉冲，需经电平转换。
高压开关在接通时对直流高压进行输出。本发明中利用N沟道MOSFET功率场效应管作为高压开关，其开关速度快，损耗小，自恢复时间短，能够实现高重复频率的电压输出。
本发明以控制电路控制的开关电源输出电压可调直流高压，控制电路同时用于以设定频率的脉冲输入到触发电路，通过触发电路控制高压开关的通断，对高压开关进行采样，并根据采样值来控制开关电源的输出电压，从而保证稳定的电压可调直流高压输出。本发明可实现1.6KV-4.2KV的电压可调直流高压。
请参考图2，图2示出了本发明实施例所提供的倍压整流boost电路结构图。
高压产生电路包括开关电源和倍压整流boost电路；
boost电路包括输入电容C1、输出电容C2、耦合电感、第一二极管D1、第二二极管D2以及金属氧化物半导体场效应管MOSFET T1；
耦合电感由初级电感L1和次级电感L2顺次绕在同一个磁芯上构成；
MOSFET的漏极接在L1和L2之间，MOSFET的源极和L1之间连接输入电容C1，MOSFET的源极和L2之间连接输出电容C2，源极和漏极之间连接D1，D1的方向为由源极至漏极；
L2和C1之间连接D2，D2的方向为由L2至C1。
开关电源并联在C1的两端作为输入电压；C2的两端电压为输出电压，C2的两端并联一个输出电阻。
在一个开关周期内，该电路有两个基本工作模态。模态1：T1导通，工作电流流过初级电感L1和开关管T1。在这一阶段，L1充电，存储能量。由图中的同名端知L2上感应的电压UL2为正，因此二极管D2反向截止，负载由输出电容C2提供能量以维持输出电压。
模态2：T1关断，工作电流流过电感L1、电感L2和二极管D2以及输出电容C2。此时电感L1中的部分能量在T1关断瞬间转移到电感L2，然后L1，L2和直流输入电源共同经boost二极管D2向C2及负载提供能量。
定义占空比D和匝比N分别为：
式中：Ton为T1导通的时间，同时也是D2关断的时间；Toff为T1关断的时间，同时也是D2导通的时间。
由工作模态的分析，在电感L1、L2上应用每匝伏秒积平衡得：
由式(1)，(2)解得：
式(3)就是附图2电路的占空比计算公式，在已知输入输出电压指标的情况下，可以选择合适的耦合电感匝比，从而配置占空比，这与传统的Boost电路相比，占空比的选择多了一个N的控制，电路设计更加灵活。
本发明采用耦合电感的boost电路实现高升压比，通过适当的选择耦合电感的匝比来降低占空比，实现了对输出电压的精确控制；且避免了传统的boost电路占空比不宜太大的限制，通过输入、输出电压设置以及电感匝数比设置，实现了输出电压的范围的提升，该电路控制简单可靠，没有复杂的偏磁控制。降低开关管应力，提高效率。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高压快沿脉冲源，其特征在于，所述脉冲源包括：高压产生电路、高压开关、采样电路、控制电路以及触发电路；
所述高压产生电路用于产生恒定的直流高压输入至所述高压开关；
所述采样电路对所述高压开关电路的电流进行采样，获得采样信号；
所述控制电路，用于产生设定频率的脉冲输入到所述触发电路；还用于产生控制信号给所述高压产生电路，所述控制信号用于调节所述高压产生电路的振荡频率；所述控制电路还用于，接收所述采样信号，依据所述采样信号设置所述控制信号；
所述触发电路依据所述设定频率的脉冲控制所述高压开关的通断；
所述高压开关在接通时对所述直流高压进行输出。
2.如权利要求1所述的高压快沿脉冲源，其特征在于，所述高压产生电路包括开关电源和倍压整流boost电路；
所述boost电路包括输入电容C1、输出电容C2、耦合电感、第一二极管D1、第二二极管D2以及金属氧化物半导体场效应管MOSFET T1；
所述耦合电感由初级电感L1和次级电感L2顺次绕在同一个磁芯上构成；
所述MOSFET的漏极接在L1和L2之间，MOSFET的源极和L1之间连接输入电容C1，MOSFET的源极和L2之间连接输出电容C2，源极和漏极之间连接D1，D1的方向为由源极至漏极；
L2和C1之间连接D2，D2的方向为由L2至C1；
所述开关电源并联在所述C1的两端作为输入电压；所述C2的两端电压为输出电压，C2的两端并联一个输出电阻。
3.如权利要求2所述的高压快沿脉冲源，其特征在于，所述输入电压为Ui，所述输出电压为Uo，所述L1的匝数为n1，所述L2的匝数为n2，匝数比为N＝n2/n1；
则配置所述T1的占空比D为：
4.如权利要求1～3所述的高压快沿脉冲源，其特征在于，所述高压开关采用N沟道的MOSFET。
5.如权利要求1～3所述的高压快沿脉冲源，其特征在于，所述触发电路为单稳态触发器。
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