[發(fā)明專利]一種雪崩晶體管串并聯(lián)高壓快沿開關電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810388917.1
• 申請日: 2018-04-27
• 公開（公告）號: CN108712162B
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發(fā)明（設計）人: 王龍海;劉晨陽;王世敏;盧仕;衛(wèi)銳;劉志朋
• 申請（專利權）人: 湖北大學
• 主分類號: H03K17/042
• 分類號: H03K17/042;H03K17/0424;H03K3/335
• 代理公司: 武漢智嘉聯(lián)合知識產權代理事務所(普通合伙) 42231
• 代理人: 黃君軍

本發(fā)明涉及一種雪崩晶體管串并聯(lián)高壓快沿開關電路，包括：直流高壓單元、觸發(fā)單元、限流電阻、儲能分壓單元、雪崩晶體管串聯(lián)單元及并聯(lián)單元，雪崩晶體管串聯(lián)單元包括若干串聯(lián)子單元，串聯(lián)子單元包括一脈沖變壓器、觸發(fā)雪崩晶體管及若干普通雪崩晶體管，并聯(lián)單元包括若干并聯(lián)子單元，并聯(lián)子單元包括若干串聯(lián)子單元及儲能分壓單元，各串聯(lián)子單元結構相同，各儲能分壓單元結構相同。本發(fā)明采用串聯(lián)子單元級聯(lián)、儲能分壓和脈沖變壓器同步觸發(fā)等技術，使整個電路開關速度快，耐電壓值和峰值電流較大，驅動能力強；整個電路小型化、固體化、模塊化、不需同步調節(jié)、可靠性高，適應性強。

技術領域

本發(fā)明涉及高壓脈沖技術領域，具體是一種雪崩晶體管串并聯(lián)高壓快沿開關電路。

背景技術

高壓快沿開關電路應用十分廣泛，如激光技術中的電光Q開關、高速攝影快門、核物理和雷達領域中的取樣或門控脈沖等。產生高壓快沿脈沖的關鍵是高壓快沿開關電路，現(xiàn)有快沿高壓開關技術主要分兩類：一是基于二次電子發(fā)射管、放電間隙開關、觸發(fā)管、氫閘管等電真空器件開關技術；二是基于雪崩晶體管、高壓場效應管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等的固體器件開關技術。

電真空器件開關技術具有耐壓值高、開關速度快等特點，但是觸發(fā)脈沖電壓高、晃動和體積較大等缺點限制了其應用范圍。基于場效應管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的固體器件開關技術雖然體積小、開關頻率較高，但開關速度慢，也同樣不能用于亞納秒與皮秒級的開關電路。基于雪崩晶體管的固體器件開關技術是具有體積小、開關速度快等特點，是目前亞納秒和皮秒級快沿脈沖產生電路的首選技術。如中國專利《雪崩晶體管高壓方波脈沖發(fā)生器》(CN1085024)公開的基于雪崩晶體管開關技術的脈沖發(fā)生器，其快沿開關電路的電壓幅度為2千伏、最大負載電流為20mA、開關時間2ns左右。中國專利《一種雪崩電脈沖發(fā)生器》(CN1263381)公開的由雪崩晶體管構成的基本Marx電路，并通過在雪崩晶體管的集電極和發(fā)射極兩端并聯(lián)電阻和電容串聯(lián)而成的助雪崩電路，獲得前沿1～4ns、電壓300～5000V的電脈沖輸出。

基于雪崩晶體管開關技術的發(fā)明專利與文獻很多，文獻《基于雪崩三極管的高重頻高壓納秒脈沖產生方法綜述》(電工技術學報，2017年4月，第32卷，第8期，第33-54頁)對雪崩晶體管構成開關電路技術進行了較全面的比較分析，總結出典型的電路結構有多管串聯(lián)電路、多級Marx電路、多管并聯(lián)電路以及脈沖截斷電路等。根據(jù)這些電路的特點，當多管串聯(lián)或多級Marx電路級聯(lián)時，可提高開關電壓，多管或多級Marx電路并聯(lián)時可增加開關輸出電流。

但是，由于雪崩晶體管的雪崩工作電壓有一個最佳范圍，特別是單管的輸出電壓較低，多管串聯(lián)或多級Marx電路級聯(lián)時，串聯(lián)雪崩晶體管個數(shù)達到一定數(shù)量時，因雪崩晶體管參數(shù)差異而使各管電壓分布不均勻，會出現(xiàn)自雪崩導通，目前還沒有報道過串聯(lián)雪崩晶體管耐壓超過5kV的報道。同時，受電路內阻和電路分布參數(shù)的影響，當Marx電路級聯(lián)的級數(shù)增加時，輸出脈沖幅度的增加并不明顯，因此現(xiàn)有的雪崩晶體管串聯(lián)方式要得到可靠的高電壓雪崩開關電路非常困難。

在多管或多級Marx電路并聯(lián)時，同樣因雪崩晶體管的參數(shù)差異，其雪崩工作電壓或觸發(fā)電壓有一個最佳范圍，為實現(xiàn)同步雪崩，需要選取參數(shù)一致的雪崩晶體管，然而，受元件參數(shù)差異的影響，要選取參數(shù)一致的雪崩晶體管非常困難。而現(xiàn)有的分時觸發(fā)、調節(jié)偏置電壓和結構對稱技術，存在并聯(lián)數(shù)越多電路結構越復雜、控制難度大，且輸出電壓幅值受限于負載阻值等問題，限制了這些技術進一步通過多路并聯(lián)提高輸出電流的可行性和可靠性。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是為了提高雪崩晶體管開關電路耐壓和輸出電流，增強電路的負載能力，提供一種雪崩晶體管串并聯(lián)高壓快沿開關電路。