一种基于固态开关的高压脉冲发生器的制作方法

1.本发明涉及高压脉冲发生器领域，具体涉及一种基于固态开关的高压脉冲发生器。


背景技术：

2.高压脉冲是指脉冲电压在几百伏到几万伏，脉冲宽度在微妙级或毫秒级的脉冲电压，一般由高压脉冲发生器产生，用于需要高电压脉冲的应用，如脉冲氙灯的触发、高压静电发生器、激光器驱动电源、粒子加速等。
3.传统的高压脉冲发生器以气体开关或闸流管作为开关器件，受限于器件原因，输出脉冲频率普遍在1hz以下；且输出脉冲瞬间，产生的电磁干扰较强，对辅助电源、触发及控制单元的抗干扰性要求较高且整体功耗大。高压固态开关相较于传统开关具有开通速度快、工作频率高、控制方式简单、电磁干扰小等优点，但与传统开关相比对于过压、过流更加敏感，开通速度达到纳秒级电压等级高的固态开关功耗高且稳定性差，不利于装置长期可靠的使用。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.本发明的目的是提供一种基于固态开关的高压脉冲发生器，通过设置两个脉冲输出子单元，利用高压固态开关同步驱动使两个脉冲输出子单元输出叠加，实现了纳秒级脉冲输出的同时提高脉冲发生器整体的输出频率，同时通过将电压分配到两个脉冲输出子单元，降低了对固态开关的电压等级需求也降低了发生器内部的绝缘等级及功耗，提高了发生器的稳定性。
6.(二)技术方案
7.为解决上述问题，本发明提供一种基于固态开关的高压脉冲发生器，包括高压充电单元、储能单元、同步触发单元及脉冲输出单元，所述储能单元包括第一储能子单元和第二储能子单元，所述脉冲输出单元包括第一脉冲输出子单元和第二脉冲输出子单元，所述第一脉冲输出子单元通过高压固态开关q1进行开关，所述第二脉冲输出子单元通过高压固态开关q2进行开关，所述高压充电单元用于给所述一储能子单元和第二储能子单元充电，所述第一储能子单元用于给所述第一脉冲输出子单元提供脉冲电压u1，所述第二储能子单元用于给所述第二脉冲输出子单元提供脉冲电压u2，所述同步触发单元用于同时触发所述高压固态开关q1和高压固态开关q2，当所述高压固态开关q1和高压固态开关q2同时导通时，所述脉冲输出单元输出的脉冲电压值为脉冲电压u1与脉冲电压u2的电压值之和。
8.具体地，所述第一储能子单元包括串联的防反硅堆d1和储能电容c1，所述第二储能子单元包括串联的防反硅堆d2和储能电容c2，所述高压充电单元的正极分别与防反硅堆d1和防反硅堆d2连接，所述高压充电单元的负极接地。
9.具体地，所述第一脉冲输出子单元包括串联的高压固态开关q1和负载r1，所述第
二脉冲输出子单元包括串联的高压固态开关q2和负载r2，所述高压充电单元的正极分别与防反硅堆d1的第一端和防反硅堆d2的第一端连接，防反硅堆d1的第二端与储能电容c1的输入端连接，储能电容c1的输出端接地，防反硅堆d2的第二端与储能电容c2的输入端连接，储能电容c2的输出端与所述脉冲输出单元输出端负极连接，高压固态开关q1的第一端与储能电容c1的输入端连接，第二端与负载r1的第一端连接，负载r1的第一端作为所述脉冲输出单元输出端正极，负载r1的第二端接地，高压固态开关q2的第一端与储能电容c2的输入端连接，第二端与负载r2的第一端连接，负载r2的第一端接地，负载r2第二端作为所述脉冲输出单元输出端负极。
10.具体地，所述高压充电单元包括高压电源模块和限流电阻，所述限流电阻第一端与所述高压电源模块的正极连接，所述限流电阻第二端分别与防反硅堆d1的第一端和防反硅堆d2的第一端连接，所述高压电源模块的负极接地。
11.具体地，所述防反硅堆d1和防反硅堆d2均由超快速恢复二极管组成。
12.在另一可选实施例中，所述同步触发单元用于单独触发所述高压固态开关q1或高压固态开关q2。
13.具体地，所述同步触发单元包括依次连接的光触发信号单元、光电转换单元、信号转换单元和功率放大单元，所述光触发信号单元用于发射光触发信号，所述光电转换单元用于将光触发信号转换为电信号，所述信号转换单元用于整定所述电信号的宽度和前沿，所述功率放大单元用于对整定后的电信号进行放大得到触发信号。
14.(三)有益效果
15.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
16.本发明通过设置两个脉冲输出子单元，利用高压固态开关同步驱动使两个脉冲输出子单元输出叠加，实现了纳秒级脉冲输出的同时提高脉冲发生器整体的输出频率，同时通过将电压分配到两个脉冲输出子单元，降低了对固态开关的电压等级需求也降低了发生器内部的绝缘等级及功耗，提高了发生器的稳定性。
17.本发明提供的高压脉冲发生器，输出指标与传统高压脉冲发生器相比更优，最高工作频率能达到khz级别，电磁干扰和功耗更低，寿命更长，应用范围更广。
附图说明
18.图1是本发明提供一种基于固态开关的高压脉冲发生器原理图；
19.图2是本发明一具体实施例提供的一种基于固态开关的高压脉冲发生器整机实现示意图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
21.如图1所示，本发明提供一种基于固态开关的高压脉冲发生器，包括高压充电单元、储能单元、同步触发单元及脉冲输出单元，所述储能单元包括第一储能子单元和第二储
能子单元，所述脉冲输出单元包括第一脉冲输出子单元和第二脉冲输出子单元，所述第一脉冲输出子单元通过高压固态开关q1进行开关，所述第二脉冲输出子单元通过高压固态开关q2进行开关，所述高压充电单元用于给所述一储能子单元和第二储能子单元充电，所述第一储能子单元用于给所述第一脉冲输出子单元提供脉冲电压u1，所述第二储能子单元用于给所述第二脉冲输出子单元提供脉冲电压u2，所述同步触发单元用于产生驱动信号1和驱动信号2，以同时触发所述高压固态开关q1和高压固态开关q2，当所述高压固态开关q1和高压固态开关q2同时导通时，所述脉冲输出单元输出的脉冲电压值为脉冲电压u1与脉冲电压u2的电压值之和。
22.具体地，所述脉冲输出单元输出的脉冲电压值为脉冲电压u1与脉冲电压u2的电压值之和是指第一脉冲输出子单元和第二脉冲输出子单元输出的脉冲电压一个如图1中a点对gnd波形，另一个如图1中的b点对gnd波形，即正、负电压叠加形成如图1所示的a点对b点波形。
23.本发明通过设置两个脉冲输出子单元，利用高压固态开关同步驱动使两个脉冲输出子单元输出叠加，实现了纳秒级脉冲输出的同时提高脉冲发生器整体的输出频率，同时通过将电压分配到两个脉冲输出子单元，降低了对固态开关的电压等级需求也降低了发生器内部的绝缘等级及功耗，提高了发生器的稳定性。
24.具体地，所述第一储能子单元包括串联的防反硅堆d1和储能电容c1，所述第二储能子单元包括串联的防反硅堆d2和储能电容c2，所述高压充电单元的正极分别与防反硅堆d1和防反硅堆d2连接，所述高压充电单元的负极接地。
25.通过设置防反硅堆在高压固态开关导通时在正、负脉冲回路之间形成防反抑制，消除正、负脉冲回路之间的相互干扰。
26.具体地，如图1所示，所述第一脉冲输出子单元包括串联的高压固态开关q1和负载r1，所述第二脉冲输出子单元包括串联的高压固态开关q2和负载r2，所述高压充电单元的正极分别与防反硅堆d1的第一端和防反硅堆d2的第一端连接，防反硅堆d1的第二端与储能电容c1的输入端连接，储能电容c1的输出端接地，防反硅堆d2的第二端与储能电容c2的输入端连接，储能电容c2的输出端与所述脉冲输出单元输出端负极连接，高压固态开关q1的第一端与储能电容c1的输入端连接，第二端与负载r1的第一端连接，负载r1的第一端作为所述脉冲输出单元输出端正极，负载r1的第二端接地，高压固态开关q2的第一端与储能电容c2的输入端连接，第二端与负载r2的第一端连接，负载r2的第一端接地，负载r2第二端作为所述脉冲输出单元输出端负极。
27.具体地，所述高压充电单元包括高压电源模块和限流电阻，所述限流电阻第一端与所述高压电源模块的正极连接，所述限流电阻第二端分别与防反硅堆d1的第一端和防反硅堆d2的第一端连接，所述高压电源模块的负极接地。
28.具体地，所述防反硅堆d1和防反硅堆d2均由超快速恢复二极管组成。
29.在另一可选实施例中，所述同步触发单元用于单独触发所述高压固态开关q1或高压固态开关q2。通过不同的开关组合，可以实现电压、电流等级不同的脉冲输出。
30.具体地，如图1下半部分所示，所述同步触发单元包括依次连接的光触发信号单元、光电转换单元、信号转换单元和功率放大单元，所述光触发信号单元用于发射光触发信号，所述光电转换单元用于将光触发信号转换为电信号，所述信号转换单元用于整定所述
电信号的宽度和前沿，所述功率放大单元用于对整定后的电信号进行放大得到触发信号。
31.该同步触发单元具备同时触发多个高压固态开关同步导通的能力，多路信号无延时。
32.以下为本发明的一个具体实施例：
33.如图1所示是本实施例提供的一种基于固态开关的高压脉冲发生器的实现电路，图2为本实施例提供的脉冲发生器整机的实现框图。
34.图1中上半部分为主回路电路原理。m1为高压电源模块，r0为限流电阻，d1和d2为起防反抑制作用的防反硅堆，m1通过r0分别为储能电容c1和c2充电，在充电过程中，d1和d2处于正向导通状态；q1和q2为2只高压固态开关，本实施例中使用的高压固态开关为成熟产品，基于mos管串并联实现，开通和关断时间能达到50ns以内但电压等级较低；out1和out2为2只高压固态开关的驱动信号；q1和q2通过高压同轴电缆连接至相应的负载r1和r2，其中q1经过负载r1后接地，q2输出直接接地，因此图1中r1一端a点与gnd之间得到一个正向脉冲，r2一端b点与gnd之间得到一个负向脉冲，从而使a点与b点之间的脉冲幅值翻倍，r1和r2相加为最终负载，通过该电路能够在负载端通过正、负叠加的方式得到幅值翻倍的脉冲电压；当2只固态开关导通瞬间，由于d1和d2的反向截止作用，两个回路之间不会产品相互串扰，能有效改善装置电磁兼容环境。如果输出脉冲幅值要求为10kv，考虑到回路损耗，充电回路只需充电5.5kv左右，单回路的输出幅值就能达到5kv，经过叠加后在负载端可以形成幅值10kv的电压脉冲，充电回路的电压等级大大降低。通过本方案设计制造的脉冲发生器装置能够实现充电电压较低时输出幅值较高的脉冲信号，装置整体功耗低，电磁兼容性、可靠性和安全性较高。
35.图1中下半部分为同步触发单元，in为外部触发信号，为降低传输干扰，使用信号为光信号；n1为光电转换单元，将外部触发光信号转换为电信号；n2为信号转换单元，主要是触发信号的宽度和前沿进行整定，脉冲宽度可以通过自带的电位器进行手动调节，经过整定后驱动信号的前沿能达到10ns以内；n3为功率放大单元，整定后的驱动信号经过n3放大后提升了带载能力，信号放大后将驱动信号直接一分为二，形成驱动信号out1和out2，两个驱动信号用于驱动高压固态开关导通。使用1拖2的方式驱动2只固态开关，经过功率放大后能够确保驱动功率的要求同时能确保2只固态开关导通的一致性。采用该方案设计的驱动模块总体功耗约为10w，回路简单。
36.如图2所示，正常工作时，隔离变压器将脉冲发生器供电回路与电网隔离，通过通讯单元监测脉冲发生器的运行状态，下发充电指令控制高压充电单元对储能电容充电；充电电压通过采样单元实施显示；充电完成后通过外部触发装置发送触发信号，驱动两只高压固态开关导通，储能电容1和储能电容2分别通过上、下两个回路的同轴电缆向负载放电，在负载端经过电压叠加得到幅值翻倍的脉冲电压。本实施例提供的脉冲发生器装置需要将负载一分为二，例如设计的负载为r1，需要将负载拆分为2只0.5r1的电阻，单个电阻上产生一半的脉冲电压，经过叠加后得到满足要求的脉冲电压。
37.本实施例的实现方式为内部集成正、负脉冲两个输出回路，通过高压电源和限流电阻对两个回路储能电容充电，充电完成后通过同步触发信号驱动高压固态开关导通，通过同轴电缆将两路脉冲传递至负载端，在负载端经过叠加后形成电压翻倍的高压脉冲。两个输出回路之间通过超快速恢复二极管组成的硅堆进行防反抑制，消除放电瞬间两个回路
之间的相互干扰。通过本实施例，当输出脉冲电压确定时，高压脉冲发生器内部充电电压只有输出电压的一半，内部绝缘等级较低，使用固态开关作为开关器件，脉冲发生器整体功耗和电磁干扰均较小，安全性和可靠性更高。
38.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。