專利名稱：一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高壓脈沖驅(qū)動電源技術(shù)領(lǐng)域，涉及到觸發(fā)管，真空平面柵極管，具體的說是一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源。
背景技術(shù)：
低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源于激光驅(qū)動、快速照相、核物理、加速器、X射線探傷、技術(shù)以及量子輻射物理等領(lǐng)域應用廣泛，尤其是在激光、高能物理實驗中的快速照相等驅(qū)動需要具有低觸發(fā)抖動的納秒高壓觸發(fā)電源。近幾年，隨著高壓脈沖電源技術(shù)的進一步發(fā)展，其在民用領(lǐng)域也在不斷的拓寬，如靜電除塵、體外沖擊波碎石，細胞病變檢測等。低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源技術(shù)基礎(chǔ)核心是高壓快開關(guān)器件或電路，根據(jù)對目前國內(nèi)外高壓快脈沖技術(shù)發(fā)展水平研究，主要以固體器件與電真空器件為核心的高壓快開關(guān)。一般固體器件快脈沖源均采用雪崩晶體管和MOSFET等設(shè)計，其具有開關(guān)速度快，晃動小等特點，但其單管的耐壓值和電流驅(qū)動能力都不能滿足實際應用要求，雖然采用多級級聯(lián)方式可以提高其輸出功率，如MARX發(fā)生器電路，但其提高也很有限且增加了電路的復雜性，降低了電路的可靠性。隨著電真空技術(shù)和氣體開關(guān)技術(shù)的不斷進步，其穩(wěn)定性和使用壽命都有了長足的進步，而且其驅(qū)動能量強，電路簡單，系統(tǒng)可靠性高，所以，在某些應用需求下，固體器件仍不能完全代替電真空器件。高壓觸發(fā)管是冷陰極氣體放電器件，觸發(fā)管具有工作電壓高、輸出電流大，開關(guān)速度快、體積小和壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于精良小型化高壓快脈沖源。但其缺點是觸發(fā)頻率低，抖動大。其主間隙電壓和觸發(fā)脈沖極性是影響觸發(fā)管開關(guān)速度主要因素。為了得到快前沿、低抖動的高壓脈沖信號，觸發(fā)管柵極需要一個具有低抖動、快前沿，高壓負脈沖驅(qū)動源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對科研院所和軍民工業(yè)應用于激光、快速照相等的緊湊型高壓脈沖驅(qū)動電源源。真空平面三極管輸出脈沖具有低抖動，高幅度，快前沿特性，但其驅(qū)動能力有限；觸發(fā)管輸出脈沖具有高幅度，快前沿特性，但其穩(wěn)定度不高。本發(fā)明將真空平面三極管與觸發(fā)管相結(jié)合，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，利用真空平面三極管輸出脈沖驅(qū)動觸發(fā)管柵極，研制出具有低抖動納秒高壓脈沖源，輸出脈沖前沿小于3.5ns,半高寬度約為30ns,幅度可調(diào),5kV 10kV，具有三種工作模式:外觸發(fā)，單次觸發(fā)和重復頻率工作，工作頻率為IHz或10Hz。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，包括5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路、雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路、平面三極管觸發(fā)電路、高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路；所述5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路和雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路為低壓電路，所述平面三極管觸發(fā)電路和高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路為高壓電路；通過5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路觸發(fā)雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生高壓脈沖輸入平面三極管觸發(fā)電路，平面三極管觸發(fā)電路產(chǎn)生低抖動較快前沿高壓脈沖信號，驅(qū)動高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路輸出低抖動快前沿高壓脈沖。在上述技術(shù)方案中,所述5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路包括觸發(fā)脈沖控制電路,所述觸發(fā)脈沖控制電路產(chǎn)生5V方波信號觸發(fā)三極管Ql導通在Cl上端產(chǎn)生一尖脈沖信號。在上述技術(shù)方案中，5V直流電源通過集電極電阻Rl與Ql集電極相連，R2與C2先并聯(lián)再與Ql發(fā)射極相連。在上述技術(shù)方案中，所述的觸發(fā)脈沖控制電路具有三種工作模式:
模式一:外觸發(fā)模式，通過外部任意波形發(fā)生器產(chǎn)生方波直接輸入Ql基極；
模式二:單次觸發(fā)模式，通過按外部按鈕，每次可以產(chǎn)生一個5V方波信號輸入Ql基
極；
模式三:重復頻率模式，觸發(fā)控制電路中采用定時器，可以分別產(chǎn)生IHz和IOHz重復頻率方波信號輸入Ql基極。在上述技術(shù)方案中，所述雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路包括了四個依次串聯(lián)在一起的晶體管Q2、Q3、Q4、Q5，所述晶體管Q2的基極通過電阻R3與變壓器Tl連接；所述晶體管Q3、Q4、Q5的發(fā)射極分別與下一個晶體管的集電極連接，并且每個晶體管的基極通過電阻與自身的發(fā)射極連接；負高壓-HVl通過限流電阻R7與晶體管Q5的發(fā)射極連接，C3為負高壓-HVl的儲能電容。在上述技術(shù)方案中，所述平面三極管觸發(fā)電路中高壓電源HV3通過限流電阻R8與平面三極管Vl陽極連接，并對儲能電容C5充電，負高壓-HV2與平面三級管柵極相連，為其提供偏置工作電壓，VCC2為平面三級管的燈絲電壓。優(yōu)先的，所述的平面三極管工的偏置電壓為-175V，燈絲電壓為6.3V。在上述技術(shù)方案中，高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路在于高壓電源HV4通過限流電阻R9與高壓觸發(fā)管Gl陽極相連，并對儲能電容C6充電。在上述技術(shù)方案中，在所述平面三極管觸發(fā)電路和高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路中增加保護電阻RlO、Rl I，所述RlO —端接地、另一端連接與Vl的柵極連接，所述Rl I 一端接地、另一端連接在Gl的柵極連接。在上述技術(shù)方案中，所述的高壓電源HV4是可調(diào)的，通過改變HV4的值實現(xiàn)不同幅度的高壓輸出。采用以上的技術(shù)方案，本發(fā)明有以下技術(shù)效果:
系統(tǒng)電路簡單可靠，性能優(yōu)越，移植性強，便于實現(xiàn)，易于推廣；本發(fā)明采用電真空器件(觸發(fā)管)作為主開關(guān)，輸出電壓幅度高，電流驅(qū)動能力強，前沿快，但其觸發(fā)抖動較大，所以引入了平面三極管作為其柵極觸發(fā)源。平面三極管具有低觸發(fā)抖動特性。整個電路簡單可靠，且可產(chǎn)生幅度可調(diào)(5kV 10kV)，前沿為3.5ns，抖動小于Ins的負脈沖大電流信號，可以滿足大部分科研院所和軍民兩用工業(yè)的應用需求；
參數(shù)可調(diào)，操作方便；本發(fā)明中，只需調(diào)節(jié)高壓觸發(fā)管陽極高壓HV4，便可以實現(xiàn)不同幅度高壓脈沖輸出，使用方便。


本發(fā)明將通過實施例并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發(fā)明的原理框圖； 圖2是5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路 圖3是雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路 圖4是平面三極管觸發(fā)電路和高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路的電路圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。如圖1所示本發(fā)明所述的低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源由四部分電路組成，分別是5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路、雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路、平面三極管觸發(fā)電路、高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路；所述5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路和雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路為低壓電路，所述平面三極管觸發(fā)電路和高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路為高壓電路；通過5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路觸發(fā)雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生高壓脈沖輸入平面三極管觸發(fā)電路，平面三極管觸發(fā)電路產(chǎn)生低抖動較快前沿高壓脈沖信號，驅(qū)動高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路輸出低抖動快前沿高壓脈沖。5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路
如圖2所示，該部分電路包括觸發(fā)脈沖控制電路、開關(guān)三極管Ql、限流電阻Rl和隔直電容Cl ;電路中的觸發(fā)脈沖控制電路主要是產(chǎn)生與系統(tǒng)工作模式相一致的方波信號，并輸入到開關(guān)管Ql，觸發(fā)脈沖控制電路采用三種工作模式:
模式一:外觸發(fā)模式，通過外部任意波形發(fā)生器產(chǎn)生方波直接輸入Ql基極；
模式二:單次觸發(fā)模式，通過按外部按鈕，每次可以產(chǎn)生一個5V方波信號輸入Ql基
極；
模式三:重復頻率模式，觸發(fā)控制電路中采用定時器，可以分別產(chǎn)生IHz和IOHz重復頻率方波信號輸入Ql基極。電路中的開關(guān)管Ql —般采用3DG182E，Q1的集電極上連接限流電阻R1，限流電阻Rl另一端與5V直流電源VCCl連接；電阻R2與C2并聯(lián)后連接在Ql的發(fā)射極上；隔直電容連接在Ql的集電極上；觸發(fā)脈沖控制電路與Ql的基極相連，信號通過隔直電容Cl送入雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖廣生電路。雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路
如圖3所示，該部分電路包括脈沖變壓器Tl、雪崩晶體管、儲能電容C3和隔直電容C4，脈沖變壓器Tl采用線繞比為1:10，脈沖變壓器的一端連接隔直電容Cl，接收來自5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路的信號，另一端連接通過R3與雪崩三級管Q2的基極連接；該電路部分一共有四個雪崩三級管Q2、Q3、Q4、Q5，雪崩三級管從Q2開始依次的發(fā)射極與下一個雪崩三級管的集電極連接，Q3、Q4、Q5的基極分別通過R4、R5、R6與自身的發(fā)射極連接；這里的雪崩三級管一般采用ZTX415。儲能電容C3和負高壓-VHl連接，-VHl通過限流電阻R7與Q5的發(fā)射極連接，并在Q5的發(fā)射極上連接隔直電容C4。當雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路受到觸發(fā)雪崩后，將產(chǎn)生一個大約為0.Skv的正脈沖信號，并通過隔直電容C4與平面三極管觸發(fā)電路中的真空平面三級管Vl的柵極連接。平面三極管觸發(fā)電路、高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路
如圖4所示，該部分電路為高壓電路，平面三極管觸發(fā)電路包括真空平面三極管Vl作為開關(guān)器件，高壓電源-HV3通過限流電阻R8給儲能電容C5充電，負電源-HV2為平面三極管柵極提供工作偏置電壓，約為-175V，VCC2為平面三極管的燈絲加熱電源，電氣指數(shù)為
6.3V，2A，平面三極管受觸發(fā)后將產(chǎn)生低抖動較快前沿高壓脈沖信號；C5與高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路中觸發(fā)管Gl的柵極相連，高壓電源-HV4通過限流電阻R9向儲能電容C6充電，當觸發(fā)管柵極受到真空平面三極管輸出脈沖的觸發(fā)后，觸發(fā)信號的幅度大約在7kv左右，電容C6將對負載電阻RL放電RL的阻值為50 Q，產(chǎn)生低抖動快前沿高壓負脈沖，該脈沖源的幅度為IOkv。通過調(diào)節(jié)-HV4高壓源大小，高壓快脈沖源輸出不同幅度的信號。真空平面三極管的燈絲、偏置電壓，都直接影響管子的導通速度和管內(nèi)電流的大小，為了使平面三極管輸出脈沖具有低抖動特性，可提高陰極燈絲電壓和偏置電壓。通過實驗驗證，燈絲電壓為6.3V，偏置電壓為-175V，可讓平面三極管工作于最佳狀態(tài)。增加觸發(fā)脈沖信號幅度，加快其觸發(fā)前沿，對減小管子陽極開關(guān)延遲和輸出抖動都起積極作用。本發(fā)明采用雪崩三極管串聯(lián)，單電源(負電壓)模式產(chǎn)生快前沿正脈沖，具有電路簡單可靠的優(yōu)點。本系統(tǒng)可簡單分為高壓與低壓電路部分。高壓電路部分包括真空平面三極管觸發(fā)電路和高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路，低壓電路部分是5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路雪崩管串聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路。在高壓電路中，開關(guān)元件在觸發(fā)與關(guān)斷過程中，都伴隨高能量通過柵極反射，造成低壓電路的損壞。通過研究、分析與實驗，在開關(guān)元件的柵極都引入了能量“泄放通道”，接地功率電阻R10、R11，作為觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路的保護措施。本說明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，其特征為包括5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路、雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路、平面三極管觸發(fā)電路、高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路；所述5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路和雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路為低壓電路，所述平面三極管觸發(fā)電路和高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路為高壓電路；通過5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路觸發(fā)雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生高壓脈沖輸入平面三極管觸發(fā)電路，平面三極管觸發(fā)電路產(chǎn)生低抖動較快前沿高壓脈沖信號，驅(qū)動高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路輸出低抖動快前沿高壓脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，其特征為所述5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路包括觸發(fā)脈沖控制電路，所述觸發(fā)脈沖控制電路產(chǎn)生5V方波信號觸發(fā)三極管Ql導通在Cl上端產(chǎn)生一尖脈沖信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，其特征為5V直流電源通過集電極電阻Rl與Ql集電極相連，R2與C2先并聯(lián)再與Ql發(fā)射極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，其特征為所述的觸發(fā)脈沖控制電路具有三種工作模式: 模式一:外觸發(fā)模式，通過外部任意波形發(fā)生器產(chǎn)生方波直接輸入Ql基極； 模式二:單次觸發(fā)模式，通過按外部按鈕，每次可以產(chǎn)生一個5V方波信號輸入Ql基極； 模式三:重復頻率模式，觸發(fā)控制電路中采用定時器，可以分別產(chǎn)生IHz和IOHz重復頻率方波信號輸入Ql基極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，其特征為所述雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路包括了四個依次串聯(lián)在一起的晶體管Q2、Q3、Q4、Q5，所述晶體管Q2的基極通過電阻R3與變壓器Tl連接；所述晶體管Q3、Q4、Q5的發(fā)射極分別與下一個晶體管的集電極連接，并且每個晶體管的基極通過電阻與自身的發(fā)射極連接；負高壓-HVl通過限流電阻R7與晶體管Q5的發(fā)射極連接，C3為負高壓-HVl的儲能電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，其特征為所述平面三極管觸發(fā)電路中高壓電源HV3通過限流電阻R8與平面三極管Vl陽極連接，并對儲能電容C5充電，負高壓-HV2與平面三級管柵極相連，為其提供偏置工作電壓，VCC2為平面三級管的燈絲電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，其特征為所述的平面三極管工的偏置電壓為-175V，燈絲電壓為6.3V。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，其特征為高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路在于高壓電源HV4通過限流電阻R9與高壓觸發(fā)管Gl陽極相連，并對儲能電容C6充電。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，其特征為在所述平面三極管觸發(fā)電路和高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路中增加保護電阻RIO、R11，所述RlO —端接地、另一端連接與Vl的柵極連接，所述Rll —端接地、另一端連接在觸發(fā)管Gl的柵極連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，其特征為所述的高壓電源HV4是可調(diào)的，通過改變HV4的值實現(xiàn)不同幅度的高壓輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低抖動納秒高壓脈沖驅(qū)動電源，包括5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路、雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路、平面三極管觸發(fā)電路、高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路；通過5V觸發(fā)信號產(chǎn)生電路觸發(fā)雪崩晶體管串聯(lián)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生高壓脈沖輸入平面三極管觸發(fā)電路，平面三極管觸發(fā)電路產(chǎn)生低抖動較快前沿高壓脈沖信號，驅(qū)動高壓觸發(fā)管脈沖產(chǎn)生電路輸出低抖動快前沿高壓脈沖；本發(fā)明中系統(tǒng)電路簡單可靠，性能優(yōu)越，移植性強，便于實現(xiàn)，易于推廣，參數(shù)可調(diào)，操作方便；本發(fā)明中，只需調(diào)節(jié)高壓觸發(fā)管陽極高壓HV4，便可以實現(xiàn)不同幅度高壓脈沖輸出，使用方便。
文檔編號H02M9/00GK103107731SQ20131006139
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者王欣, 唐丹, 毛久賓, 李箭, 唐海龍 申請人:四川省科學城久利科技實業(yè)有限責任公司