一种固态高重频脉冲发生器及其控制方法

本发明属于脉冲功率，特别是涉及一种固态高重频脉冲发生器及其控制方法。

背景技术：

1、脉冲功率技术是指将能量存储相对较长的时间，然后通过高速开关在短时间内将能量释放到负载上以产生大功率的电磁脉冲技术。脉冲功率发生器由能量存储设备，脉冲压缩设备，开关和负载组成，其核心是能量存储设备和开关。开关的参数和输出特性会直接影响脉冲的上升时间，幅值以及关断时间。

2、传统的脉冲功率开关主要是气体放电器件，其中大多数具有非常高的电流和电压容量。例如常规的火花隙，引燃管，真空管等。然而，这些器件存在使用寿命短，工业应用的成本高，效率较低，体积较大，同步性差并且易受外部因素的干扰等缺点，导致这样的设备使用寿命短并且难以增加操作频率。

3、相比之下，固态半导体开关器件具有更长的使用寿命，更快的关断速度，并且其最大工作频率比气体开关高几个数量级。早期使用的固态开关器件包括绝缘栅双极型晶体管，门极可关断晶闸管，金属氧化物场效应晶体管等。但是，门极可关断晶闸管的电压虽高，但频率非常低；金属氧化物场效应晶体管的频率很高，但其耐压电压只有几百伏；而绝缘栅双极型晶体管需要极其复杂的电路来触发信号。因此，上述两种类型的开关器件都很难满足脉冲功率技术的快速发展和更新的需求。

4、除了器件选取，电路结构也会制约脉冲发生器的输出特性。传统的固态脉冲发生器通常采用全固态marx发生器的电路结构，该结构在具有原理成熟，脉宽调节方便的优点的同时，存在充电效率低，工作频率难以提高，开关耐压及可靠性存在问题的缺点。

5、而采用脉冲变压器与磁开关相结合构成二级脉冲压缩的脉冲发生器电路，具有输出功率大，重复频率高的优点，但该电路存在体积重量较大，磁芯损耗较大的问题。脉冲变压器和磁开关均为利用饱和前后磁芯电感的快速变化对回路进行开通关断的器件，在重复频率的工作条件下一般需要外置磁芯复位电路，从而导致电路体积重量增大。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种固态高重频脉冲发生器及其控制方法，该固态高重频脉冲发生器可以输出高幅值纳秒级电压脉冲，实现在较高的重复频率下输出稳定连续的纳秒级高压脉冲。

2、本发明的具体技术方案如下：

3、一种固态高重频脉冲发生器，包括初级充电单元、脉冲压缩单元及脉冲形成单元；

4、其中，初级充电单元包括总储能电容c0、通流二极管d0、回路电感l0、回路电感l1及初级储能电容c1；直流电源vcd串联回路电阻r0后与总储能电容c0并联；总储能电容c0与通流二极管d0、回路电感l0串联之后，再串联上与初级开关igbt并联的初级储能电容c1和回路电感l1；

5、其中，脉冲压缩单元包括可饱和脉冲变压器、次级储能电容c2、并联负载电阻rl；所述可饱和脉冲变压器的原边电感与初级储能电容c1、初级开关igbt和回路电感l1串联；副边电感与次级储能电容c2串联；

6、其中，脉冲形成单元包括负载电阻rl和主开关dsrd；与所述负载电阻rl并联的主开关dsrd与可饱和脉冲变压器的副边、次级储能电容c2串联。

7、作为本发明的进一步改进，所述初级开关igbt选择绝缘栅双极型晶体管。

8、作为本发明的进一步改进，所述绝缘栅双极型晶体管的型号为ixgf30n400，绝缘栅双极型晶体管的驱动电路上供电管脚连接外置的直流电源上，接地管脚gnd接地，第一管脚连接绝缘栅双极型晶体管的发射极，第二管脚连接绝缘栅双极型晶体管的门极。

9、作为本发明的进一步改进，所述可饱和脉冲变压器的磁芯选自铁基纳米晶材料。

10、作为本发明的进一步改进，所述磁芯的伏秒积vsp满足如下公式：

11、

12、式中，u2(t)为t时刻的可饱和脉冲变压器的副边端电压；tm为副边电容上电压达到最大值所需的时间；δbm为磁芯的最大磁感应增量；n2为匝数，s为根据伏秒积公式算得所需磁芯的截面积。

13、作为本发明的进一步改进，所述主开关dsrd选择漂移阶跃恢复二极管，漂移阶跃恢复二极管的参数为：

14、

15、作为本发明的进一步改进，所述次级储能电容c2的放电时间为其中lms2为可饱和脉冲变压器副边绕组的饱和电感。

16、一种固态高重频脉冲发生器的控制方法，包括：

17、在初级开关igbt处于断开状态时，高压直流电源供电的总储能电容c0通过回路电感l0和回路电感l1向初级储能电容c1进行谐振充电，使其达到稳定的电压；

18、外加信号源控制初级开关igbt导通，初级储能电容c1通过可饱和脉冲变压器向次级储能电容c2充电；可饱和脉冲变压器处于未饱和状态，进行脉冲升压，串联的回路电感l1调节泵浦时间；

19、当次级储能电容c2两端的电压即将达到最大值时，可饱和脉冲变压器达到饱和状态，可饱和脉冲变压器副边回路与原边回路去耦隔离，副边电感迅速下降；次级储能电容c2中储存的能量转移到副边电感，同时流经主开关漂移阶跃恢复二极管的电流反向；当反向电流导致主开关漂移阶跃恢复二极管截止后，可饱和脉冲变压器的副边电感向负载电阻rl放电，并在负载电阻rl上产生一个高幅值陡前沿的脉冲；副边电感反向的端电压使可饱和脉冲变压器复位。本发明具有的有益技术效果如下：

20、本发明通过理论分析及计算，在考虑固态高重频脉冲发生器技术指标和具体应用需求后，设计了包括可饱和脉冲变压器的脉冲压缩升压回路和使用漂移阶跃恢复二极管作为主开关，进行二次脉冲压缩及升压的脉冲发生器电路，该电路能够在较高的重复频率下输出稳定连续的高压脉冲，并具有较高的升压倍数。

21、与传统气体开关组成的脉冲发生器相比，本发明选取了绝缘栅双极型晶体管和漂移阶跃恢复二极管这两个固态半导体开关作为初级开关与主开关，使该设备具有体积更小，使用寿命更长的优点。

22、本发明的电路结构设计中采用了将能够反向泵浦的主开关漂移阶跃恢复二极管在与负载并联后串联在可饱和脉冲变压器副边，使可饱和脉冲变压器在主开关输出脉冲的同时受到反向电压从而进行自复位，省去了单独去磁回路的设置，使该设备结构更简单，体积更小。

技术特征：

1.一种固态高重频脉冲发生器，其特征在于，包括初级充电单元、脉冲压缩单元及脉冲形成单元；

2.根据权利要求1所述的固态高重频脉冲发生器，其特征在于，所述初级开关igbt选择绝缘栅双极型晶体管。

3.根据权利要求2所述的固态高重频脉冲发生器，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的型号为ixgf30n400，绝缘栅双极型晶体管的驱动电路上供电管脚连接外置的直流电源上，接地管脚gnd接地，第一管脚连接绝缘栅双极型晶体管的发射极，第二管脚连接绝缘栅双极型晶体管的门极。

4.根据权利要求1所述的固态高重频脉冲发生器，其特征在于，所述可饱和脉冲变压器的磁芯选自铁基纳米晶材料。

5.根据权利要求4所述的一种固态高重频脉冲发生器，其特征在于，所述磁芯的伏秒积vsp满足如下公式：

6.根据权利要求1所述的固态高重频脉冲发生器，其特征在于，所述主开关dsrd选择漂移阶跃恢复二极管，漂移阶跃恢复二极管的参数为：

7.根据权利要求1所述的固态高重频脉冲发生器，其特征在于，所述次级储能电容c2的放电时间为其中lms2为可饱和脉冲变压器副边绕组的饱和电感。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述的固态高重频脉冲发生器的控制方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开一种固态高重频脉冲发生器及其控制方法，属于脉冲功率技术领域，包括初级充电单元、脉冲压缩单元、脉冲形成单元；直流电源V<subgt;CD</subgt;串联回路电阻R<subgt;0</subgt;后与总储能电容C<subgt;0</subgt;并联；总储能电容C<subgt;0</subgt;与通流二极管D<subgt;0</subgt;，回路电感L<subgt;0</subgt;串联之后，再串联上与初级开关IGBT并联的初级储能电容C<subgt;1</subgt;和回路电感L<subgt;1</subgt;；所述可饱和脉冲变压器原边电感与初级储能电容C<subgt;1</subgt;，初级开关IGBT和回路电感L<subgt;1</subgt;串联；副边电感与次级储能电容C<subgt;2</subgt;串联；与所述负载电阻R<subgt;L</subgt;并联的主开关DSRD与可饱和脉冲变压器副边、次级储能电容C<subgt;2</subgt;串联。该固态高重频脉冲发生器可以输出高幅值纳秒级电压脉冲，实现在较高的重复频率下输出稳定连续的纳秒级高压脉冲。

技术研发人员：谢彦召,卢豫谈,杨洁
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13