專利名稱：采用固態(tài)開關的高壓脈沖電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生高壓脈沖的系統(tǒng)和方法。具體地，本發(fā)明涉及用于通 過固態(tài)開關控制產(chǎn)生高壓脈沖的系統(tǒng)和方法?，F(xiàn)有技術許多應用領域都需要能夠傳輸高壓脈沖的脈沖電源。分光計、加速器、雷 達發(fā)射機、高阻抗電子槍、離子管、液體偏振單元等均為需要高壓脈沖的應用 實例。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，脈沖電源使用高壓脈沖形成網(wǎng)絡和諸如觸發(fā)管或者閘流 管的一些種類的開關。通常采用Marx發(fā)生器的原理而形成上述類型的脈沖電源。通常來說，Marx 發(fā)生器是一種通過對一組電容器并聯(lián)充電然后對這些電容器串聯(lián)放電而產(chǎn)生 電壓脈沖的電路。圖l所示為典型Marx發(fā)生器的實施例。在圖1中，將充電 電壓101施加給脈沖形成網(wǎng)絡100。級聯(lián)電容器104通過電阻器102進行并聯(lián) 充電。觸發(fā)管106防止電容器104在滿足一定條件之前向負載108放電。當對電容器104充分充電時，通常會使最低間隙發(fā)生擊穿(break down) 或者觸發(fā)，使得兩個電容器有效串聯(lián)連接并且下一間隙擊穿。很快，所有間隙 擊穿。該過程的結(jié)果為電容器104串聯(lián)連接并產(chǎn)生電壓脈沖同時將其傳輸給負 載108。還可以采用感應器或者一系列變壓器對Marx發(fā)生器的電容器104充 電。在其他實施例中，采用感應器代替電阻器102。可選地，可通過諸如閘流 管的開關替代觸發(fā)管。由于對Marx發(fā)生器進行并聯(lián)充電，通過添加附加充電部分(section)可 以增加電壓脈沖幅值。但是，人們發(fā)現(xiàn)許多層疊在一起的充電部分受到寄生電 容的限制。隨著脈沖形成網(wǎng)絡中所述部分數(shù)量的增加，接地的寄生電容也隨之 增加。寄生電容的影響之一在于將電流轉(zhuǎn)移到地。同時該寄生電容還對電壓脈 沖的上升時間和/或下降時間存在不利影響。因此該寄生電容限制了可以包括
在脈沖發(fā)生器中的部分的數(shù)量。該寄生電容還會對特定部分處確定的電壓有影響。此外，通過Marx發(fā)生 器的一個部分所確定的寄生電容通常不同于通過其另一部分所確定的寄生電 容。由于寄生電容在整個脈沖發(fā)生器的部分中不平衡，會使某些部分可能具有 較高的電壓并因此產(chǎn)生故障。盡管大多數(shù)系統(tǒng)都受到寄生電容的影響，但是對 脈沖發(fā)生器中的電容器進行充電所需的感應器、電阻器、變壓器和隔離型電源 還是會向該脈沖發(fā)生器中引入寄生電容。換句話說，傳統(tǒng)脈沖發(fā)生器的各元件 向該系統(tǒng)中引入了附加寄生電容并進一步降低了可以有效連接在一起的部分 數(shù)量。由于Marx發(fā)生器通常用于產(chǎn)生高壓，因此其具有非常大的尺寸和重量。 而且，產(chǎn)生上百千伏的Marx發(fā)生器通常采用油。油通常是必不可少的，但是 通常不受歡迎。傳統(tǒng)脈沖式電源或者Marx發(fā)生器通常體積較大而且昂貴，會 受到寄生電容的限制，而且使用降低其可靠性的元件(諸如閘流管)。發(fā)明內(nèi)容通過本發(fā)明的實施方式可以克服這些和其他缺點，本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電 壓脈沖的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明的實施方式中，將一系列具有低電壓要求的電 壓單元串聯(lián)連接在一起，每個電壓單元包括與可以接通和關斷的開關(諸如固 態(tài)開關)串聯(lián)連接的電容器。在將多個電壓單元連接起來以形成脈沖發(fā)生器時， 采用一個或者多個開關并聯(lián)充電電壓單元的電容器并且串聯(lián)放電電壓單元的 電容器。至少使用主開關使電容器放電并且至少使用返回開關對電容器進行充 電。在連接電壓單元時，例如，串聯(lián)連接電容器和主開關。電容器通過關斷的 主開關彼此隔離。當主開關接通時，電容器串聯(lián)連接同時產(chǎn)生電壓脈沖。當主 開關關斷時，返回開關接通并為對電壓單元的電容器進行充電的電流提供返回 通路。因此，當主開關接通時關斷返回開關使得電容器向負載放電。這樣的優(yōu) 勢在于，可以在沒有感應器、電阻器或者隔離型電源的情況下對電容器進行充 電，從而減少與傳統(tǒng)Marx發(fā)生器相關的某些寄生電容。此外，還可以在不采 用感應器、電阻器、隔離型電源以及降壓型電源的情況下使用輔助電源驅(qū)動開 關。
通過二極管鏈電源線可以對每個電壓單元的電容器進行充電。通過返回開 關對充電電流提供返回通路。當電容器正在充電或者已充電時，位于連續(xù)電容 器之間的主開關處于關斷狀態(tài)并防止電容器串聯(lián)放電。當主開關接通時，電容 器串聯(lián)連接并放電。在放電期間，返回開關關斷。為了對電容器再次充電，主 開關關斷并且返回開關重新接通。在一實施方式中，返回開關還可以在放電期 間接通以通過提供用于對寄生電容放電的通路而幫助降低脈沖的下降時間。還可以設計電壓單元以產(chǎn)生正或者負電壓脈沖。在一實施方式中，雙極脈 沖發(fā)生器將包括配置用于產(chǎn)生正脈沖的一系列電壓單元的電容器組與包括配 置用于產(chǎn)生負脈沖的一系列電壓單元的電容器組連接，所述雙極脈沖發(fā)生器可 以同時對兩組電壓單元的所有電容器進行充電?？梢钥刂聘麟娙萜鹘M中的開關 以放電一組電容器從而產(chǎn)生正脈沖或者負脈沖。此外，可以添加配置用于串聯(lián) 充電的電壓單元以提供固定偏差控制并控制產(chǎn)生的電壓脈沖的形狀。每個電壓單元還可以包括平衡由電壓單元引起的寄生電容的平衡網(wǎng)絡。由 于在一系列電壓單元中的每個電壓單元均"引起"不同的寄生電容，因此該平 衡網(wǎng)絡可以適用于匹配由電壓單元引起的寄生電容。這有利于平衡由每個單元 引起的電壓。通過控制哪個單元工作可以采用電壓單元調(diào)整電壓脈沖。換句話說，可以 使一個或者多個電壓單元不工作以在不影響產(chǎn)生電壓脈沖能力的情況下改變 電壓脈沖。同時，特定單元的失效不會阻止脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖。因此，本發(fā) 明的實施方式可以控制電壓脈沖的幅值，電壓脈沖的持續(xù)時間和寬度，電壓脈 沖的上升和下降時間以及類似或者其任意組合。在如下的說明書中將對本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點進行闡述，并且部分可以 通過說明書顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而獲得。通過在所附權(quán)利要求書中 所具體指出的方式和組合可以實現(xiàn)和獲得本發(fā)明的特征和優(yōu)點。通過如下的描 述和所附的權(quán)利要求書將使本發(fā)明的所述和其他特征更加顯而易見，或者通過 實施以下描述的本發(fā)明了解本發(fā)明的這些和其他特征。


為了描述獲得上述內(nèi)容以及本發(fā)明其他優(yōu)點和特征的方法，這里將通過參 照附圖中所示的具體實施方式
對上述發(fā)明進行具體描述。應該理解這些附圖僅
描述了本發(fā)明的典型實施方式，因此并非用于限定本發(fā)明的范圍，通過采用附 圖對本發(fā)明的附加特征和細節(jié)進行描述和說明，其中圖1所示為采用觸發(fā)管產(chǎn)生電壓脈沖的Marx發(fā)生器實施例；圖2所示為使用開關控制一系列電壓單元的脈沖發(fā)生器實施例；圖3A所示為一系列電壓單元并示出用于串聯(lián)連接電壓單元中電容器的主開關和為充電電流提供返回通路的返回開關；圖3B為脈沖發(fā)生器實施方式的更詳細示圖并示出各電壓單元通過二極管串供電的充電電流通路以及向開關驅(qū)動提供輔助能量的二極管串；圖4示出排列用于產(chǎn)生正電壓脈沖的一系列電壓單元的實施方式； 圖5示出排列用于產(chǎn)生負電壓脈沖的一系列電壓單元的實施方式； 圖6為可以產(chǎn)生正、負脈沖的脈沖發(fā)生器的實施方式； 圖7示出包括排列用于對電壓脈沖提供固定偏差(dro叩)控制的電壓單元的脈沖發(fā)生器的另一實施方式。
具體實施方式
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電壓脈沖的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施方式可以控制 電壓脈沖的幅值，電壓脈沖的持續(xù)時間和寬度、電壓脈沖的上升時間、電壓脈 沖的下降時間及其他或者其組合。本發(fā)明的實施方式包括通常具有串聯(lián)的電容器和開關的電壓單元。一系列 電壓單元中的第一和最后一個電壓單元用于連接到負載。在大多數(shù)電壓單元中 還包括返回開關。返回開關為通過二極管鏈或者二極管鏈電源線施加的充電電 流提供通路。其優(yōu)勢在于，返回開關可以不必采用傳統(tǒng)脈沖發(fā)生器中通用的感 應器、電阻器和隔離型電源。同時，通過輔助二極管鏈對開關驅(qū)動施加能量， 從而消除了對于感應器、電阻器、隔離型電源以及其他需要向開關驅(qū)動提供輔 助功率的降壓型電源的需要。此外，去除這些元件降低了與這里所述的系統(tǒng)和方法相關的接地寄生電容，這使得可以串聯(lián)層疊更多的電壓單元和部分。圖2示出用于產(chǎn)生并向負載傳輸高壓脈沖的脈沖發(fā)生器或者系統(tǒng)的實施 方式框圖。具體地，系統(tǒng)200產(chǎn)生并向負載206傳輸高壓脈沖。在系統(tǒng)200 中，開關電容器組202包括一個或者多個通常串聯(lián)排列的電容器或者電壓單元 210。電壓單元210用于將傳送給負載206的能量存儲為電壓脈沖。
電壓單元210通常與通過開關驅(qū)動器204控制的開關212連接。通過控制 控制信號208，開關驅(qū)動器204打開/關閉開關212。開關212的狀態(tài)決定電壓 單元210充電還是通過負載206放電。在一實施方式中，減少了寄生電容的影 響從而可以串聯(lián)連接更多的電壓單元。由于可以串聯(lián)連接更多電壓單元，因此 可以使用較低鬼壓源產(chǎn)生較大電壓脈沖。此外，可以將該開關驅(qū)動器設定為較 低電壓。因此，通?？梢越档驮撁}沖發(fā)生器的成本和尺寸。在系統(tǒng)200的實施方式中，通過控制開關212的狀態(tài)對電壓單元進行并聯(lián) 充電并使電壓單元串聯(lián)放電。系統(tǒng)200的一個優(yōu)點在于在一個或者多個電壓單 元210失效的情況下不會阻止該系統(tǒng)向負載206傳輸高壓脈沖。可以設計系統(tǒng) 200傳輸正電壓脈沖、傳輸負電壓脈沖或者既可以傳輸正電壓脈沖又可以傳輸 負電壓脈沖(雙極輸出)。此外，采用控制信號208控制電壓脈沖的持續(xù)時間、 電壓脈沖的幅值、電壓脈沖的上升時間以及其他或者任意組合。在一實施方式 中，該控制信號可以光學耦合到開關驅(qū)動器204。圖3A示出用于存儲高電壓脈沖和/或向負載傳輸高電壓脈沖的系統(tǒng)的實 施方式圖。具體地，圖3A示出一些串聯(lián)連接的電壓單元，但是熟悉本領域的 技術人員應該認識到，可以包括更多或者更少的電壓單元。類似地設計并一起 操作各電壓單元從而(i)并聯(lián)或者獨立于其他電壓單元而對電容器進行充電 并且(ii)對電容器進行串聯(lián)放電。例如，在該實施例中，電壓單元362包括用于存儲電荷的電容器366。同 時，電壓單元374中的電容器378也用于存儲電荷。在存儲電荷時，開關364 和376 (以及其他電壓單元中的類似開關)斷開。因此，電容器366和378可 以并聯(lián)或者獨立充電。通過電源線388對電容器366和378充電，并由于開關364和376斷開， 返回開關368和380接通從而為通過電源線388施加的充電電流提供返回通 路。如圖3B所示，電源線388為二極管鏈并且通常包括一個或者多個隔離電 壓單元的二極管。開關驅(qū)動370和382分別控制開關364和376的狀態(tài)。開關 驅(qū)動372和384分別控制開關368和380的狀態(tài)。控制線390用于控制開關 364、 376的狀態(tài)以及返回開關368和380的狀態(tài)。當開關364和376接通而返回開關368和380斷開時，電容器366和378 串聯(lián)連接并對負載392放電。換句話說，以串聯(lián)形式連接并放電的電容器366 和378產(chǎn)生施加到負載392的高電壓脈沖。關斷開關364和376可以終止該脈 沖。因此，可以通過控制開關364和376而控制脈沖的持續(xù)時間。如果特定的 龜壓單元失效，則電源線為在脈沖傳輸期間電流可跟隨通路的實施例。換句話 說，失效的電壓單元不會防止產(chǎn)生脈沖或者向負載392傳輸脈沖。
圖3B示出高壓脈沖發(fā)生器的實施方式。該實施方式包括三個電壓單元， 但是如上所述，熟悉本領域的技術人員應該認識到，可以包括更多或者更少的 級。在該實施例中，電容器310、 314和318存儲電荷。通過關斷開關308、 312和316而存儲電荷。
在對電容器310、 314和318充電時，返回開關332、 334和336處于接通 狀態(tài)而主開關308、 312和316處于關斷狀態(tài)。通路326表示來自電源304的 對電容器318進行充電的電流通路。同時，電源304通過通路324傳輸電流以 對電容器314進行充電。在經(jīng)過電容器314以后，通路324經(jīng)由接頭330經(jīng)過 返回開關336。采用經(jīng)過二極管320和返回開關334和336的相似通路對電容 器310充電。對電容器310充電的電流流經(jīng)接頭328然后通過返回開關334 和336。 二極管320和322將電源304與脈沖隔離并確保電流在放電期間流向 負載306。同時，所述二極管允許脈沖繞過任意失效的電壓單元。
在電容器放電期間，采用分別施加給開關驅(qū)動338、 342和346的控制信 號接通開關308、 312和316。同時，將控制信號傳輸給開關驅(qū)動340、 344和 348以關斷返回開關332、 334和336。當關斷返回開關332、 334和336時， 放電電流不會流過返回開關，而是傳輸給負載306。如圖3B所示，將接頭330表示為感應器，而將接頭328表示為導線或者 短路體。通常，在電壓單元中所有接頭都是相同的，但是為了描述本發(fā)明的附 加實施方式，在該實施例中示出了兩種類型的接頭。當接頭為類似接頭330 的感應器時，可能會延遲接通開關316和關斷返回開關之間的時序。電感接頭 330增加了脈沖上升沿的上升時間。
例如，當開關308、 312和316接通并且返回開關332、 334和336也接通 時，電流開始在類似接頭330的電感接頭中累積。在感應電動勢累積后，返回 開關332、 334和336會關斷。因此在關斷開關308、 312和316和接通返回開 關332、 334和336時會存在延遲。然后，將存儲在電感接頭330中的能量添 加到從電容器310、 314和318中釋放的能量中。電感接頭330的感應能量與
電容器310、 314和318中存儲的電容能量的結(jié)合會產(chǎn)生電壓脈沖的更快上升 時間。但是熟悉本領域的技術人員應該認識到，電感接頭并不需要引入接通開 關308、 312和316和關斷返回開關332、 334和336之間的延遲。當脈沖發(fā)生器準備終止高電壓脈沖時，通常關斷開關308、 312和316。 通過接通返回開關332、 334和336可以改善高電壓脈沖的下降時間。經(jīng)過返 回開關打開通路會有助于對寄生電容和/或負載電容放電，這可以改善高電壓 脈沖的下降時間。圖4示出包括多個電壓單元(也稱之為級或者部分)的脈沖發(fā)生器的方框 圖。圖4所示的脈沖發(fā)生器的實施例產(chǎn)生正電壓脈沖。圖4示出采用通過開關 驅(qū)動448、 452、 456和460控制的主開關414、 416、 418和420以及通過開關 驅(qū)動446、 450、 454和458控制的返回開關438、 440、 442和444以如上所述 方式連接的電壓單元474、 472、 470和468。在該實施例中，來自電源線404 的返回通路包括從充電電容器422、 424、 426和428連接到返回開關的電感接 頭415、 417和419。圖4還示出由電源466使用的輔助通路473，其用于向開關驅(qū)動446、448、 450、 452、 454、 456< 458和460 (446-460)提供能量。輔助通路473包括輔 助二極管476、 478、 480和482 (476-482)。該輔助二極管476- 482幫助隔 離電源466并有助于向負載402傳輸脈沖。包括所述輔助二極管476-482的輔助二極管鏈在該二極管鏈的各二極管上 都存在壓降。因此，在二極管鏈中位于特定級的可用電壓受到其中二極管正向 壓降的影響。由輔助電源466提供的電壓僅提供充分的電壓來克服二極管的正 向壓降和/或所述充電開關壓降。如果包括大量的電壓單元，則可以包括升壓 (boost)電壓源以提供足夠的電壓級。在一實施方式中，開關驅(qū)動或者開關446- 460可以是本領域中公知的任意 類型的固態(tài)開關。雙極節(jié)型晶體管、場效應晶體管、IGBT (絕緣柵雙極晶體 管)、達林頓雙極晶體管、固態(tài)開關等均為這里可以采用的開關的實施例。每 個電壓單元包括用于主開關的開關驅(qū)動和用于返回開關的開關驅(qū)動。例如，電 壓單元468包括用于控制主開關414的開關驅(qū)動448。在該實施例中，通過開 關驅(qū)動448控制主開關414的柵。開關驅(qū)動446控制返回開關438的狀態(tài)。通常由于在二極管鏈和開關中的前級二極管上分布壓降而降低了連續(xù)開關驅(qū)動中開關驅(qū)動446- 460可用的電壓。每個開關驅(qū)動或者由地驅(qū)動或者由上 一電壓單元進行驅(qū)動。在一實施方式中，可以使用DC-DC轉(zhuǎn)換器提供足夠的 電壓。在另一實施方式中，開關驅(qū)動與地光學耦合。通過二極管406、 408、 410和412以及返回開關對能量存儲龜容器422、 424、 426和428進行充電。以該方式充電電容器可不必使用傳統(tǒng)Marx發(fā)生器 中通用的感應器、電阻器或者隔離型電源。此外，還可以通過輔助通路473 中的二極管鏈提供驅(qū)動開關所需的能量，而不必采用感應器、電阻器或者隔離 型電源或者其他所需的降壓型電源。開關可以通過諸如光纖耦合、變壓器耦合 或者通過輔助功率二極管進行觸發(fā)。包括二極管406、 408、 410和412的二極管鏈具有如下幾個優(yōu)點。首先， 二極管鏈在脈沖期間將每個電壓單元或者電壓級與其他電壓單元或者級隔離。 該二極管鏈還可以在特定電壓單元的開關無法接通或者存在延遲的情況提供 繞過該特定電壓單元或者級的替代電流通路。該二極管鏈在即使電壓單元存在 延遲或者失效的情況下仍然能夠傳輸電壓脈沖。圖4還示出平衡網(wǎng)絡430、 432、 434和436。每個平衡網(wǎng)絡通常包括與電 阻器串聯(lián)連接的電容器并且每個平衡網(wǎng)絡幫助平衡接地的寄生電容。平衡網(wǎng)絡 中的電容在電壓脈沖的上升時間和下降時間期間逐部分等量分配電壓。由于與 脈沖變壓器的特定電壓單元連接的接地寄生電容通常不同于和其他電壓單元 連接的接地寄生電容，因此每個電壓單元的電容和/或電阻均適用于匹配由該 電壓單元"引起"的寄生電容。因此平衡網(wǎng)絡430的電容可以不同于平衡網(wǎng)絡 432、 434和436的電容。每個平衡網(wǎng)絡中的電阻有助于降低寄生電感和/或寄 生電容的振鈴(ringing)。電源462在負載402的高壓端提供功率源。例如，如果負載402為脈沖管， 則電源462可以提供用于脈沖管的燈絲和加熱器的能量。因此電源462在不需 附加設備的情況下即可在高壓端提供功率源。圖5示出脈沖發(fā)生器的另一實施方式。圖5類似于圖4所示的脈沖發(fā)生器， 二者存在的區(qū)別在于圖5的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生負電壓脈沖而圖4的脈沖發(fā)生器產(chǎn) 生正脈沖。配置充電二極管502、 504、 506、 508和510以及輔助二極管512、 514、 516和518以適合負功率源500和520。所述開關和返回開關也適用于負 電源。
圖6示出具有雙極輸出的脈沖發(fā)生器的實施方式。換句話說，圖6所示的 脈沖發(fā)生器600既可以產(chǎn)生正電壓脈沖又可以產(chǎn)生負電壓脈沖。通過將配置用 于產(chǎn)生正電壓脈沖的電壓單元與配置用于產(chǎn)生負電壓脈沖的電壓單元串聯(lián)連 接而產(chǎn)生雙極脈沖。在圖6中，正鬼壓單元618產(chǎn)生正型電壓脈沖而負電壓單元620產(chǎn)生負電 壓脈沖。電壓單元618與電壓單元620串聯(lián)連接。在該實施例中，用于在電壓 單元618中用于對電容器充電的二極管鏈602通過接頭606與電壓單元620 的返回線開關鏈604連接。同樣地，用于在電壓單元620中對電容器充電的二 極管鏈610通過接頭608與電壓單元618的返回線開關鏈622連接。負電源輔 助二極管鏈614采用反向DC-DC電源612與正電源輔助二極管鏈616連接。 位于正電壓單元618和負電壓單元620中的所有電容器可以同時進行充電。圖7示出包括固定偏差校正的脈沖發(fā)生器的實施方式。具體地，圖7示出 用于負脈沖發(fā)生器的固定偏差校正。圖7所示的脈沖發(fā)生器的實施方式包括如 前所述的多個電壓單元714。在該實施例中，該電壓單元714與不同于該電壓 單元714的一系列單元702連接。在該實施例中，設計電壓單元702使其以串聯(lián)形式充電而以并聯(lián)形式放 電。開關驅(qū)動708、 716、 718、 720和722控制開關706、 732、 734、 736和 738使得電容器704、 724、 726、 728、 730和740串聯(lián)充電。同時，對電壓單 元714的存儲電容器并聯(lián)充電。但是，設計電壓單元702以提供固定偏差校正。當電壓單元702中的開關接通時，電容器串聯(lián)充電。在電壓脈沖期間，對 電壓單元702放電從而調(diào)整電壓脈沖的形狀。在一實施方式中，通過在電壓單 元702中控制或者延遲所述電容器的放電而對整個脈沖進行偏差校正。在本發(fā)明的另一實施方式中，脈沖可以通過需要復位(reset)的核而驅(qū)動 脈沖變壓器。包括一與充電開關的接地端串聯(lián)連接的復位電源以對所述核提供 復位電流。這消除了對于核復位感應器的需求。在不脫離本發(fā)明精神和其實質(zhì)特性的情況下，可以通過其他具體形式實施 本發(fā)明。某種程度上應該認識到，所述實施方式僅為示例性的而非限制性的。 因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定而非由上述描述限定。所有落入權(quán)利 要求的內(nèi)容和其等效范圍內(nèi)的變化均包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種產(chǎn)生施加給負載的電壓脈沖的脈沖發(fā)生器，包括 一個或者多個串聯(lián)連接的電壓單元，每個電壓單元包括 電容器；與所述電容器串聯(lián)連接的主開關，其中當所述主開關接通時，所述電容器 與所述一個或者多個電壓單元中的其他電容器串聯(lián)連接；以及返回開關，用于在所述主開關關斷時，為對電容器充電的電流提供返回通路；與所述一個或者多個電壓單元中的每一個連接的二極管鏈，其中通過所述 二極管鏈向所述電容器施加充電電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，每個電壓單元還包 括用于控制所述主開關的第一開關驅(qū)動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，每個電壓單元還包 括用于控制所述返回開關的第二開關驅(qū)動。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括與每個電壓 單元的第一開關驅(qū)動和第二開關驅(qū)動連接的第二二極管鏈。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括從所述電容 器到所述返回開關的電感接頭。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，相對于所述主開關 的接通時間而對所述返回開關的關斷時間的控制通過在所述電感接頭中存儲 感應能量而降低電壓脈沖的上升時間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，配置所述二極管鏈、 主開關和返回開關以產(chǎn)生負電壓脈沖、正電壓脈沖和雙極電壓脈沖其中之一。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括與所述返回 開關串聯(lián)連接的復位電源，其中所述復位電源向所述負載提供復位電流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括具有串聯(lián)充 電的附加電容器的一個或者多個附加電壓單元，其中附加開關控制附加電容器 的放電以調(diào)整所述電壓脈沖的固定偏差。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，每個電壓單元還包 括與所述主開關和所述電容器連接的平衡網(wǎng)絡，該平衡網(wǎng)絡具有用來匹配由所 述電壓單元引起的寄生電容的容抗。
11. 一種用于產(chǎn)生施加到負載的電壓脈沖的脈沖發(fā)生器，包括 第一電容器組，包括一個或者多個主開關；與該一個或者多個開關串聯(lián)連接的一個或者多個電容器，使得每個開關后 面都連接有電容器；與所述第一 電容器組連接的二極管鏈電源，其中通過所述二極管鏈向所述 一個或者多個電容器提供充電電流；與所述第一電容器組連接的一個或者多個返回開關，其中在所述一個或者 多個返回開關接通時，該返回開關為充電電流提供返回通路；以及一個或者多個主開關驅(qū)動，用于接通所述一個或者多個主開關從而放電所 述一個或者多個電容器并且關斷一個或者多個主開關從而充電所述一個或者 多個電容器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括一個或者 多個返回開關驅(qū)動，用于接通一個或者多個返回開關從而為充電電流提供返回 通路并且在一個或者多個主開關接通時關斷一個或者多個返回開關驅(qū)動。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括輔助二極 管鏈電源，其用于向一個或者多個主開關驅(qū)動和一個或者多個返回開關驅(qū)動提 供能量。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括將所述一 個或者多個返回開關連接到電容器組的一個或者多個連接器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，所述一個或者多 個連接器為短路接頭。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，所述一個或者多 個連接器為電感接頭。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，相對于所述一個 或者多個主開關的接通時間而延遲所述一個或者多個返回開關的關斷時間，從 而使得在所述電感接頭中累積感應能量以減少所述電壓脈沖的上升時間。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，在關斷所述一個 或者多個主開關以前接通所述一個或者多個返回開關以減少所述電壓脈沖的 下降時間。
19. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括第二電容 器組，其中所述第二電容器組的一個或者多個主開關以及所述第二電容器組的 一個或者多個返回開關反相從而使得第二組電壓單元傳輸負脈沖。
20. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，同時從電源對所 述第一電容器組的一個或者多個電容器以及所述第二電容器組的一個或者多 個電容器進行充電。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，所述二極管鏈與 一個或者多個和所述第二電容器組連接的返回開關連接，并且用于向所述第二 電容器組的一個或者多個電容器傳輸充電電流的第二二極管鏈與連接到所述 第一電容器組的一個或者多個返回開關連接。
22. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，第二輔助二極管 鏈通過反向DC/DC電源與第一輔助二極管鏈連接。
23. —種與其他電壓單元串聯(lián)連接以形成產(chǎn)生電壓脈沖的脈沖發(fā)生器的電 壓單元，該電壓單元包括配置用于與另一電壓單元的電容器串聯(lián)連接的主開關； 與所述主開關串聯(lián)連接的電容器，并且配置該電容器與不同電壓單元的主開關串聯(lián)連接；配置用于接通和關斷所述主開關的主開關驅(qū)動； 配置用于與其他電壓單元的返回開關串聯(lián)連接的返回開關； 配置用于接通和關斷所述返回開關的返回開關驅(qū)動；以及 位于所述電容器和返回開關之間的接頭，其中所述接頭為用于對所述電容器充電的充電電流提供通路。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓單元，其特征在于，位于所述電容器和 返回開關之間的接頭為短路接頭。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓單元，其特征在于，位于所述電容器和 返回開關之間的接頭為電感接頭。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓單元，其特征在于，所述主開關為場效 應晶體管、雙極節(jié)型晶體管、絕緣柵雙極晶體管其中之一，并且所述返回開關 為與主開關同一類型的開關。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓單元，其特征在于，還包括與所述主開 關和電容器連接的二極管，其中通過所述二極管接收充電電流并對電容器進行 充電。
28. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓單元，其特征在于，還包括跨接在所述 主開關和電容器之間的平衡網(wǎng)絡。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的電壓單元，其特征在于，所述平衡網(wǎng)絡包括 與電阻串聯(lián)連接的平衡電容器，配置所述平衡電容器用于匹配由所述電壓單元 引起的寄生電容以及選擇用于降低電壓脈沖中的振鈴的電阻。
30. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓單元，其特征在于，通過主開關驅(qū)動和 返回開關驅(qū)動接收控制信號，所述控制信號控制所述主開關接通和關斷并且控 制所述返回開關接通和關斷。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電壓單元，其特征在于，通過在所述主開關 接通延遲一定時間后關斷所述返回開關而控制電壓脈沖的上升時間，使得在位 于所述電容器和返回開關之間的接頭中累積感應能量，其中所述感應能量用于 在返回開關關斷時增加所述電壓脈沖的上升時間。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電壓單元，其特征在于，在電壓脈沖結(jié)束時 接通所述返回開關從而對負載的寄生電容放電并提高所述電壓脈沖的下降時 間。
33. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電壓單元，其特征在于，所述電壓單元與其 他電壓單元連接，并且使所述電壓單元不工作從而降低所述電壓脈沖的幅值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于產(chǎn)生高壓脈沖的系統(tǒng)和方法。連接一系列的電壓單元從而可以通過并聯(lián)方式對充電電容器進行充電并且以串聯(lián)方式使其放電。每個單元包括主開關和返回開關。當主開關接通時，該單元中的電容器串聯(lián)連接并放電。當主開關關斷且返回開關接通時，電容器并聯(lián)充電。一個或者多個單元可以不工作而不阻止產(chǎn)生脈沖?？梢酝ㄟ^電壓單元控制幅值、持續(xù)時間、上升時間和下降時間。每個電壓單元還包括平衡網(wǎng)絡以匹配由每個電壓單元引起的寄生電容。
文檔編號H02M3/07GK101124714SQ200580014096
公開日2008年2月13日 申請日期2005年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月4日
發(fā)明者理查德·L·卡斯爾 申請人:斯坦格尼斯工業(yè)公司