[實用新型]一種基于DSRD的高壓快脈沖電源

有效

• 申請號: 201820765891.3
• 申請日: 2018-05-22
• 公開（公告）號: CN208241573U
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發明（設計）人: 陳錦暉;王冠文;王磊;霍麗華;史曉蕾;劉鵬;施華
• 申請（專利權）人: 中國科學院高能物理研究所
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 司立彬

本實用新型公開了一種基于DSRD的高壓快脈沖電源，其特征在于，DSRD的泵浦電路為一感應疊加泵浦電路，包括M個脈沖功率模塊；其中，每一所述脈沖功率模塊包括開關S1、開關S2、儲能電容C0、諧振電容C1、n:n匝諧振變壓器T1和1:1匝的變壓器T2，S1一端接地，另一端經C0與T1的初級連接，T1的初級另一端接地，T1的次級一端分別經諧振電容C1與變壓器T2的初級連接、經開關S2接地，諧振變壓器T1的次級另一端與變壓器T2的初級另一端連接且分別接地；各所述脈沖功率模塊的變壓器T2的次級串聯疊加在一起為DSRD堆棧提供雙向泵浦脈沖。本實用新型解決了高重復頻率DSRD快速泵浦電路脈沖功率疊加的問題。

技術領域

本實用新型屬于脈沖功率技術領域和帶電粒子加速器技術領域，具體涉及一種基于DSRD的高壓快脈沖電源，可用于產生千赫茲至兆赫茲重復頻率、幾納秒至十幾納秒寬度、幾千伏至幾十千伏高壓電脈沖裝置。

背景技術

漂移階躍恢復二極管(DSRD-Drift Step Recovery Diode)是一種具有特殊摻雜結構的半導體二極管斷路開關，可用于電脈沖寬度的壓縮和脈沖前沿的銳化，適用于產生高重復頻率窄脈沖高壓脈沖電源。

DSRD的泵浦電路是整個脈沖電源的重要組成部分。圖1是一種典型的DSRD泵浦電路原理圖和輸出波形圖，該電路的主要工作過程如下：第一步，當脈沖電源接受觸發信號后，開關S1閉合，電容C₁放電，產生一個正向電流脈沖I₁流過DSRD，同時對電感L₁充電，通常要求LC諧振半周期不大于幾百個納秒，此時大量的電子-空穴等離子體(剩余電荷)被儲存在DSRD的pn結附近；第二步，當諧振電流換向的時候，控制開關S2閉合，由于DSRD的pn結被注入了大量的剩余電荷而無法立即關斷，L₁、C₁支路的負向脈沖電流I₁和C₂通過L₂的放電電流I₂疊加在一起，構成反向電流Idsrd流過DSRD；第三步，通過選取合適的電路參數，確保當反向電流達到最大值時，注入的儲存電荷正好被全部抽取完畢，隨著pn節空間電荷區的恢復DSRD迅速關斷，由于DSRD正向泵浦的脈沖很短(幾百納秒)，遠小于基區少數載流子的壽命(>10μs)，剩余電荷在正向泵浦的過程中損失很少，因此注入的電荷和抽取的電荷基本上是相等的，即注入電流脈沖波形和抽取電流脈沖波形對時間的積分是相等的；第四步，DSRD迅速關斷之后，由于L₁、L₂的續流作用，產生流過負載的脈沖電流，由于DSRD的關斷速度很快，流過負載的輸出脈沖電壓幅度遠高于外加電壓(Um>>Uc)，脈沖前沿很快，一般為0.5ns～3ns，脈沖寬度取決L₁和L₂兩個并聯支路電感和負載電阻的時常數τ＝L/R，脈沖波形是一種指數衰減波形。如果要獲得矩形脈沖波形，可以利用脈沖形成線或脈沖形成網絡替代電感作為儲能元件，輸出脈沖的寬度是形成線電長度的2倍。該DSRD泵浦電路采用兩個開關S1、S2進行換路，可以實現充電和放電回路的阻抗變換，具有高效的脈沖壓縮作用，可以起到低壓儲能，高壓放電的功效，這是單開關泵浦電路所不具備的優點。

如圖2和圖3，是美國SLAC國家加速器實驗室的科學家曾提出的兩種拓撲線路(一種是單開關模式，另一種是雙開關模式)，可用于加速器注入帶狀線沖擊器(strip-linekicker)的梯形波脈沖電源，這里采用傳輸線作為儲能元件，與輸出端的strip-linekicker及終端負載電阻構成完美的匹配放電系統，可以產生干凈的電壓脈沖波形。仿真結果表明，圖2電路雖然只有1路開關S1，但是由于S1是工作在大電流關斷的條件下，開關應力和損耗大，不利于高重復頻率的應用，容易損壞；圖3電路開關S1和S2均工作在零電流導通和關斷狀態下，電路更加安全可靠，且輸出脈沖殘余電壓低。