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CN111431509A - 一种基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路 - Google Patents

一种基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路，充电回路的输出端经初级脉冲形成回路的输入端相连接，初级脉冲形成回路的输出端与可饱和脉冲变压器的原边绕组相连接，可饱和脉冲变压器中次级绕组的一端与次级储能电容的一端相连接，次级储能电容的另一端与DSRD开关组件的正极及阻性负载的一端相连接，可饱和脉冲变压器中次级绕组的另一端、DSRD开关组件的负极及阻性负载的另一端均接地，该电路能够有效的解决现有技术中基于DSRD的脉冲产生电路高幅值输出及高重频工作的问题。

Description

一种基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路
技术领域
本发明属于半导体开关及脉冲功率源领域，涉及一种基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路。
背景技术
高重复频率脉冲功率装置是脉冲功率技术一个重要的发展方向，在高功率微波、高功率激光、超宽带雷达等领域应用广泛。对绝大部分脉冲功率装置而言，开关器件的参数特性限制了其峰值功率、工作重复频率和使用寿命等关键指标。除此之外，装置输出的脉冲波形稳定性和可靠性也通常依赖于开关的性能。
传统的功率开关多为气体器件，如：高气压气体火花开关、氢气闸流管、真空触发开关等，特点是功率大、设计原理成熟、应用广，但是受气体放电本身性质决定，这类器件存在使用寿命短、工作频率难以提高等问题。近十年来，固态功率电子器件发展迅速，使用固态功率电子器件代替火花开关的脉冲功率系统在重复频率、紧凑性、寿命和可靠性等方面获得了巨大进步。因此，固态开关技术逐渐成为脉冲功率开关新的发展方向之一。
1983年，俄罗斯Ioffe研究所科学家Grevhov I V等人基于超快等离子波理论成功研制出了高功率半导体开关器件DSRD，并阐述了其基本工作原理。DSRD是一种新型高功率高重频超高速固态断路开关器件，它由一个或多个P+-P’-N-N+结组成，工作在双向泵浦条件下，单片DSRD反向耐压值为500～2kV，输出脉冲前沿可以达到600～800ps，器件恢复时间小于1μs，具有MHz重频工作能力，可以选择作为高功率高重频脉冲源的固态开关器件。但现有基于DSRD的高压窄脉冲技术存在高重频条件下输出脉冲幅值较低，高重复频率和高幅值无法兼得的问题，难以满足随着社会科技的发展，对脉冲功率高幅值、高重频、窄脉冲的更高性能要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路，该电路能够有效的解决现有技术中基于DSRD的脉冲产生电路高幅值输出及高重频工作的问题。
为达到上述目的，本发明所述的基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路包括充电回路、初级脉冲形成回路及脉冲形成回路，其中，所述脉冲形成回路包括可饱和脉冲变压器、次级储能电容、DSRD开关组件及阻性负载；
充电回路的输出端经初级脉冲形成回路的输入端相连接，初级脉冲形成回路的输出端与可饱和脉冲变压器的原边绕组相连接，可饱和脉冲变压器中次级绕组的一端与次级储能电容的一端相连接，次级储能电容的另一端与DSRD开关组件的正极及阻性负载的一端相连接，可饱和脉冲变压器中次级绕组的另一端、DSRD开关组件的负极及阻性负载的另一端均接地。
所述充电回路包括充电电源、库电容、第一充电电感、续流二极管及续流电阻；
充电电源的正极与库电容的一端及第一充电电感的一端相连接，第一充电电感的另一端与初级脉冲形成回路的输入端及续流二极管的负极相连接，续流二极管的另一端与续流电阻的一端相连接，充电电源的负极、续流电阻的另一端及库电容的另一端均接地。
初级脉冲形成回路包括初级储能电容、触发开关及第二充电电感，其中，充电电感与初级储能电容的一端及触发开关的一端相连接，触发开关的另一端与可饱和脉冲变压器中初级线圈的一端相连接，可饱和脉冲变压器中初级线圈的另一端与第二充电电感的一端相连接，第二充电电感的另一端及初级储能电容的另一端均接地。
触发开关为MOSFET开关管或IGBT开关管。
充电电源为脉冲发电机。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路在具体操作时，主开关选用DSRD开关组件(漂移阶跃恢复二极管，Drift step recovery diode)，DSRD开关组件具有恢复速度快、重复频率高、性能稳定、损耗低及寿命长等优点，在实际操作时，DSRD开关组件可以根据需要调整串联的个数。另外，需要说明的是，本发明采用可饱和脉冲变压器与DSRD开关组件相结合的方式，利用触发开关的截断先产生重复频率可达百kHz的初级低压快脉冲，再由可饱和脉冲变压器将其泵浦至DSRD开关组件，以形成高压窄脉冲，实现了脉冲的多级压缩，有利于提高脉冲幅值，减小脉冲前沿，解决现有技术中基于DSRD的脉冲产生电路高幅值输出及高重频工作的问题，可以为高幅值、高重频脉冲产生电路提供一条新的技术途径，推动促进相关应用的技术进步。
进一步，续流二极管与可饱和脉冲变压器初级绕组形成续流回路，以减小脉冲电流回路中感性器件及电阻的损耗，提高了脉冲电压回路的效率。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的输出波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路包括充电回路、初级脉冲形成回路及脉冲形成回路，其中，所述脉冲形成回路包括可饱和脉冲变压器SPT、次级储能电容C2、DSRD开关组件DSRD及阻性负载RL；充电回路的输出端经初级脉冲形成回路的输入端相连接，初级脉冲形成回路的输出端与可饱和脉冲变压器SPT的原边绕组相连接，可饱和脉冲变压器SPT中次级绕组的一端与次级储能电容C2的一端相连接，次级储能电容C2的另一端与DSRD开关组件DSRD的正极及阻性负载RL的一端相连接，可饱和脉冲变压器SPT中次级绕组的另一端、DSRD开关组件DSRD的负极及阻性负载RL的另一端均接地。
所述充电回路包括充电电源U、库电容C0、第一充电电感L0、续流二极管D1及续流电阻R1；充电电源U的正极与库电容C0的一端及第一充电电感L0的一端相连接，第一充电电感L0的另一端与初级脉冲形成回路的输入端及续流二极管D1的负极相连接，续流二极管D1的另一端与续流电阻R1的一端相连接，充电电源U的负极、续流电阻R1的另一端及库电容C0的另一端均接地。
初级脉冲形成回路包括初级储能电容C1、触发开关S1及第二充电电感L1，其中，充电电感L0与初级储能电容C1的一端及触发开关S1的一端相连接，触发开关S1的另一端与可饱和脉冲变压器SPT中初级线圈的一端相连接，可饱和脉冲变压器SPT中初级线圈的另一端与第二充电电感L1的一端相连接，第二充电电感L1的另一端及初级储能电容C1的另一端均接地。
触发开关S1为MOSFET开关管或IGBT开关管；充电电源U为脉冲发电机。
本发明的工作过程为：
充电电源U对库电容C0进行持续充电，库电容C0通过第一充电电感L0给初级储能电容C1谐振充电，以保证重复频率脉冲的输出，触发电路产生重复频率脉冲信号控制触发开关S1的通断，初级储能电容C1对可饱和脉冲变压器SPT的初级绕组放电，以产生初级放电脉冲，可饱和脉冲变压器SPT对次级储能电容C2进行谐振充电，此时由于可饱和脉冲变压器SPT尚未饱和，饱和电感较大，可视作理想变压器进行脉冲升压，次级储能电容C2两端的电压缓慢上升，当次级储能电容C2电压达到预设值时，可饱和脉冲变压器SPT饱和，可饱和脉冲变压器SPT副边绕组的电感迅速下降，可饱和脉冲变压器SPT的副边回路与原边回路去耦隔离，次级储能电容C2中储存的能量转移到副边的小电感，同时DSRD开关组件DSRD的电流反向，DSRD基区在充电阶段积累的大量非平衡载流子被抽取，当所述非平衡载流子完全消失时，DSRD开关组件DSRD截止，次级绕组向阻性负载RL放电，并在负载端产生高幅值陡前沿脉冲，同时次级绕组反向的端电压对次级绕组的电感起去磁作用，使可饱和脉冲变压器SPT复位。
在50kΩ的阻性负载RL条件下，DSRD开关组件DSRD的正、反向泵浦电流分别约13.3A、24.0A，输出脉冲峰值电压约38.2kV，脉冲前沿约7.1ns，脉宽约14.1ns，其输出的波形如图2所示。

Claims (5)

1.一种基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路，其特征在于，包括充电回路、初级脉冲形成回路及脉冲形成回路，其中，所述脉冲形成回路包括可饱和脉冲变压器(SPT)、次级储能电容(C2)、DSRD开关组件DSRD及阻性负载(RL)；
充电回路的输出端经初级脉冲形成回路的输入端相连接，初级脉冲形成回路的输出端与可饱和脉冲变压器(SPT)的原边绕组相连接，可饱和脉冲变压器(SPT)中次级绕组的一端与次级储能电容(C2)的一端相连接，次级储能电容(C2)的另一端与DSRD开关组件(DSRD)的正极及阻性负载(RL)的一端相连接，可饱和脉冲变压器(SPT)中次级绕组的另一端、DSRD开关组件(DSRD)的负极及阻性负载(RL)的另一端均接地。
2.根据权利要求1所述的基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路，其特征在于，所述充电回路包括充电电源(U)、库电容(C0)、第一充电电感(L0)、续流二极管(D1)及续流电阻(R1)；
充电电源(U)的正极与库电容(C0)的一端及第一充电电感(L0)的一端相连接，第一充电电感(L0)的另一端与初级脉冲形成回路的输入端及续流二极管(D1)的负极相连接，续流二极管(D1)的另一端与续流电阻(R1)的一端相连接，充电电源(U)的负极、续流电阻(R1)的另一端及库电容(C0)的另一端均接地。
3.根据权利要求2所述的基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路，其特征在于，初级脉冲形成回路包括初级储能电容(C1)、触发开关(S1)及第二充电电感(L1)，其中，充电电感(L0)与初级储能电容(C1)的一端及触发开关(S1)的一端相连接，触发开关(S1)的另一端与可饱和脉冲变压器(SPT)中初级线圈的一端相连接，可饱和脉冲变压器(SPT)中初级线圈的另一端与第二充电电感(L1)的一端相连接，第二充电电感(L1)的另一端及初级储能电容(C1)的另一端均接地。
4.根据权利要求2所述的基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路，其特征在于，触发开关(S1)为MOSFET开关管或IGBT开关管。
5.根据权利要求2所述的基于漂移阶跃恢复二极管的重频纳秒脉冲产生电路，其特征在于，充电电源(U)为脉冲发电机。
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