[發明專利]一種產生高壓脈沖的裝置和方法

在審

• 申請號: 201710763599.8
• 申請日: 2017-08-30
• 公開（公告）號: CN107565846A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 張小寧;孫岳;屠震濤;張軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02M9/02
• 分類號: H02M9/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于高壓脈沖領域，具體涉及一種產生高壓脈沖的裝置和方法。

背景技術

現有的高壓脈沖產生方法和裝置主要采用以下方法實現：

(1)基于鐵氧體傳輸線的高壓脈沖產生方法：非線性鐵氧體傳輸線(Nonlinear Ferrite Transmission Line)是一種脈沖整形器件，可以將幾十納秒的高壓脈沖前沿陡化至幾納秒，將幾納秒的前沿陡化至百皮秒，可陡化的電壓幅值從幾千伏到幾百千伏。

(2)基于階躍漂移二極管的高壓脈沖產生方法：階躍漂移恢復二極管(Drift Step Recovery Diode,DSRD)或階躍恢復二極管(Drift Recovery Diode,DRD)是硅基斷路型開關器件，單片DSRD/DRD的工作電壓0.1-0.5kV，開關時間為0.5-1.0ns，多片DSRD/DRD串聯后可以達到更高的高壓脈沖。

(3)基于雪崩陡化開關的高壓脈沖產生方法：延遲擊穿二極管(Delayed Breakdown Diode,DBD)是一種閉合型雪崩陡化脈沖功率開關，常用來陡化半導體斷路開關(Semiconductor Opening Switches,SOS)產生的納秒級高功率脈沖,基于SOS/DBD器件的全固態電路可以產生高壓脈沖源。

(4)基于快速電離晶體管的高壓脈沖產生方法：快速電離器件(Fast Ionization Dynistor,FID)是一種納秒/亞納秒閉合型開關，可通過簡單的串聯實現更高電壓脈沖輸出。

(5)基于光導開關的高壓脈沖產生方法：光導開關(Photoconductivity Semiconductor Switches,PCSS)具有高增益特性，使高電場偏置的PCSS導通所需的觸發光能比低場時減小了3-5數量級。基于PCSS器件的電路也可以產生快速上升沿的高壓脈沖。

目前最成熟的高壓脈沖電路主要是基于氣體火花開關設計的，相對通流能力也較大，但缺點是重復頻率不高、電壓調節困難，電極的燒蝕較嚴重，壽命不高。偽火花開關也是國外研制高壓脈沖電源較為常用的一種開關器件。磁開關根據單級和多級磁壓縮特點，可以產生高壓脈沖，但是輸出頻率一般在較低。由于磁開關電源是負載決定輸出，因此在應用中，一般會在放電回路并聯一定阻值的純電阻負載。基于半導體開關的高壓脈沖電源需要對開關器件進行串并聯，較為成熟的半導開關件電源輸出電壓一般在10kV以下。

雖然國內外高壓脈沖產生的方法和裝置很多，但是，目前尚未見到高壓脈沖波形參數可變的產生方法和裝置。本發明提出了一種高壓脈沖產生方法和裝置，通過對固態開關的懸浮級聯，可以使全部固態開關的開關時序和通斷時間等可調，從而輸出輸出周期的、非周期、或者是任意數目的高壓脈沖，這些高壓脈沖的上升沿、下降沿、脈沖寬度，波形形狀、頻率、脈沖數等和高壓脈沖相關的全部參數全部可以連續或非連續的調節。

發明內容

本發明的目的在于克服上述不足，提供一種產生高壓脈沖的裝置和方法，通過控制懸浮級聯在一起的多個開關組的開關的時序和開關持續時間，以及開關組之間開關狀態的任意組合，實現輸出高壓脈沖參數的調節功能。

為了達到上述目的，一種產生高壓脈沖的裝置，包括高壓直流電壓模塊，高壓直流電壓模塊通過控制模塊連接開關模塊，高壓直流電壓模塊、控制模塊和開關模塊通過低壓電源模塊供電；

開關模塊包括m組固態開關組SW1，SW2…SWm，每組固態開關組均連接高壓直流電壓模塊中與其對應的高壓直流電源DCm，每組固態開關均包括串聯而成的高端固態開關K1和低端固態開關K2，高端固態開關K1和低端固態開關K2均具有控制端G、高壓端D和低壓端S，高端固態開關K1的低壓端S和低端固態開關K2的高壓端D相連接，作為每一組開關的輸出端Vout，高端固態開關K1的D端和低端固態K2的S端分別作為每組開關的固態開關組中高壓直流輸入的電源端Vp和地端GND，高端固態開關K1和低端固態開關K2的控制端G均連接控制模塊中與其對應的控制信號Gm，每個控制信號Gm對應各自的接地端GNDm，m＝1,2,…,m，GNDm和每一個固態開關組的地端GND及高壓直流電源DCm的負端L相連。

固態開關組至少設置兩組。

同一組直接串聯的高端固態開關K1和低端固態開關K2的控制端G的控制信號是反相同步的。

高端固態開關K1通過電源端Vp連接高壓直流電源DCm的正端H。

高端固態開關K1包括若干開關Ka1，Ka2，…，Kax，所有開關Ka1，Ka2，…，Kax并聯或串聯或串并聯混合組成；