一種適用于容阻性負(fù)載寬頻帶的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于容阻性負(fù)載寬頻帶的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，包括信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、隔離與驅(qū)動(dòng)電路、充放電開(kāi)關(guān)電路、濾波整形保護(hù)電路以及散熱系統(tǒng)。本發(fā)明利用兩路小信號(hào)脈沖波，通過(guò)隔離與驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，分別控制兩路已接入正負(fù)直流高壓電源的固態(tài)開(kāi)關(guān)，使兩路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)交替的開(kāi)關(guān)效果，開(kāi)關(guān)兩端通過(guò)濾波整形保護(hù)電路，同時(shí)作用于負(fù)載端，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)容阻性負(fù)載高速充放電的過(guò)程。由于充放電回路的應(yīng)用，使得容性負(fù)載的電荷儲(chǔ)存問(wèn)題得到有效的解決，并且提高了整個(gè)電路的工作頻率，使得系統(tǒng)重復(fù)頻率高，轉(zhuǎn)換速率快，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，便于生產(chǎn)與完善，且尤其適用于容量較高的容性負(fù)載。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種適用于容阻性負(fù)載寬頻帶的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于脈沖發(fā)生【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種適用于容阻性負(fù)載寬頻帶的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓高頻脈沖信號(hào)在壓電材料的驅(qū)動(dòng)，光電晶體的調(diào)制，光電管、光譜儀、微機(jī)電、納米科技工程等方面都有廣泛的應(yīng)用。在高重復(fù)頻率高壓脈沖源的研制上，有很多技術(shù)困難。國(guó)外在這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)行了多年，且取得了實(shí)質(zhì)性的突破和很多實(shí)用性的成果。國(guó)內(nèi)在高壓脈沖領(lǐng)域的研究主要集中在高功率強(qiáng)電流等用于理論物理方面的脈沖電源，對(duì)于在生化、離子檢測(cè)、光電調(diào)制等領(lǐng)域需要的小功率的高頻高壓電源很少提及，有的也只局限在介質(zhì)放電等方面的研究。對(duì)于小功率的高頻高壓電源，特別是應(yīng)用于特定場(chǎng)合涉及容性負(fù)載的高頻高壓電源的研究，國(guó)內(nèi)依然是一段空白，而國(guó)外的美國(guó)DEI/IXYS公司一直從事該領(lǐng)域的研究，有許多突破性的成果，但產(chǎn)品價(jià)格昂貴，且重復(fù)頻率有限。
[0003]常規(guī)的對(duì)于阻性負(fù)載的高頻高壓電路常使用單開(kāi)關(guān)電路，直流高電壓輸入開(kāi)關(guān)后，利用小信號(hào)控制開(kāi)關(guān)，最終輸出高頻高壓的脈沖信號(hào)。對(duì)于容性負(fù)載，由于負(fù)載的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，單開(kāi)關(guān)電路在開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的充電效果，但單開(kāi)關(guān)在關(guān)閉時(shí)由于放電回路的缺失，容性負(fù)載上的電荷將持續(xù)儲(chǔ)存在兩個(gè)電極直接，使整個(gè)電路不能實(shí)現(xiàn)完整的充放電功能，從而使輸出波形不為正常脈沖波。通常在容性負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)大功率電阻形成放電回路，但這種方法會(huì)影響充電效果，且電路達(dá)不到高的充放電重復(fù)頻率。由此可見(jiàn)，對(duì)于容性負(fù)載的高速驅(qū)動(dòng)，同時(shí)需要充電與放電兩條回路。為了控制充放電的有效性，需要合理的控制系統(tǒng)充放電的時(shí)間，以防止充放電同時(shí)進(jìn)行，造成短時(shí)間的短路現(xiàn)象，損壞電路。在此基礎(chǔ)上需要進(jìn)一步解決高壓脈沖弓I起的技術(shù)難題。
[0004]2004年中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的凡木文提出了一種適合容性負(fù)載的高壓大功率放大器，該高壓放大器在驅(qū)動(dòng)等效電容為60nF的壓電陶瓷時(shí)，單端到地輸出電壓為-600?+600V，電壓增益42dB，大信號(hào)帶寬800Hz，小信號(hào)帶寬7kHz，充放電電流可達(dá)200mA，靜態(tài)電流可達(dá)1.4mA。該放大器的帶寬較窄，重復(fù)頻率較低，且充放電電流限定的較小。
[0005]2008年中北大學(xué)的陳天志在標(biāo)題為“2000V高壓250KHz高頻非對(duì)稱(chēng)脈沖電源設(shè)計(jì)”的論文中提出了一種開(kāi)關(guān)式的脈沖電源，其根據(jù)高場(chǎng)非對(duì)稱(chēng)波形離子遷移譜技術(shù)對(duì)高頻高壓非對(duì)稱(chēng)脈沖波形的要求，提出并設(shè)計(jì)了一種新穎的采用功率MOSFET管為關(guān)鍵器件的高頻高壓非對(duì)稱(chēng)方波脈沖電源。該電路方法新穎，帶寬有所提升。但該電路在容性負(fù)載的研究方面還有所欠缺，且重復(fù)頻率較低，仍有待提高。
[0006]2012年復(fù)旦大學(xué)的吳曉震在標(biāo)題為“納秒脈沖驅(qū)動(dòng)等離子體顯示平板提高光效研究”一文中，提出了運(yùn)用快脈沖技術(shù)自行設(shè)計(jì)納秒脈沖驅(qū)動(dòng)源實(shí)現(xiàn)正負(fù)300伏雙極納秒脈沖驅(qū)動(dòng)PDP工作在單子場(chǎng)維持期的方法，單子場(chǎng)內(nèi)，輸出峰值電流40安培，脈寬最小值為350ns，帶載PDP上升沿最小值120ns。該設(shè)計(jì)電路輸出端采用全橋高速M(fèi)OSFET開(kāi)關(guān)，適用于容量較小的容性負(fù)載。但對(duì)于較大容量的容性負(fù)載問(wèn)題的解決沒(méi)有提及，且上升下降時(shí)間較慢，重復(fù)頻率也有待提高，不適用于高速的適用場(chǎng)合；除此之外，整個(gè)電源實(shí)用性也有待提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種適用于容阻性負(fù)載寬頻帶的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，重復(fù)頻率高，轉(zhuǎn)換速率快，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，且尤其適用于容量較高的容性負(fù)載。
[0008]一種適用于容阻性負(fù)載寬頻帶的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，包括:
[0009]信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，用于將外部設(shè)備提供的一路脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路互補(bǔ)且在整個(gè)寬頻帶內(nèi)具有相對(duì)死區(qū)時(shí)間的脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)；
[0010]充放電開(kāi)關(guān)電路，由充電回路和放電回路組成，且受兩路脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)作用，將外部設(shè)備提供的正負(fù)極兩路直流高壓分別轉(zhuǎn)換為正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓；
[0011]濾波整形保護(hù)電路，用于對(duì)所述的正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓進(jìn)行整形后輸出一路高壓脈沖并加載至負(fù)載上，以對(duì)上級(jí)充放電開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
[0012]優(yōu)選地，所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的任一輸出端依次連接有光電隔離電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路；所述的光電隔離電路用于對(duì)脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行隔離，所述的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路用于對(duì)經(jīng)隔離的脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行功率放大后輸出給充放電開(kāi)關(guān)電路。采用光電隔離既不影響傳輸?shù)膸?，又可?shí)現(xiàn)高速的方波傳輸隔離；驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路在實(shí)現(xiàn)放大作用的前提下且能夠降低輸出阻抗。
[0013]優(yōu)選地，所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路包括六個(gè)與非門(mén)Gl?G6和兩個(gè)反相器Kl?K2 ;其中，與非門(mén)Gl的第一輸入端與反相器Kl的輸入端、與非門(mén)G3的第一輸入端、與非門(mén)G5的輸出端和與非門(mén)G6的第一輸入端相連；與非門(mén)Gl的第二輸入端與與非門(mén)G2的輸出端和與非門(mén)G4的第一輸入端相連；與非門(mén)Gl的輸出端與與非門(mén)G2的第一輸入端相連；與非門(mén)G2的第二輸入端與反相器K2的輸入端、與非門(mén)G4的第二輸入端和與非門(mén)G6的輸出端相連；與非門(mén)G3的輸出端與與非門(mén)G5的第一輸入端相連；與非門(mén)G3的第二輸入端與與非門(mén)G4的輸出端和與非門(mén)G6的第二輸入端相連；與非門(mén)G5的第二輸入端與與非門(mén)G6的第三輸入端相連且接收外部設(shè)備提供的脈沖信號(hào)；兩個(gè)反相器Kl?K2的輸出端分別輸出兩路互補(bǔ)且在整個(gè)寬頻帶內(nèi)具有相對(duì)死區(qū)時(shí)間的脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)。該電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只要保證整個(gè)電路之間的門(mén)電路器件能有效地及時(shí)反轉(zhuǎn)，且延遲時(shí)間較小，輸出端則能輸出穩(wěn)定的波形，不會(huì)出現(xiàn)由于競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象引起的毛刺現(xiàn)象。
[0014]優(yōu)選地，所述的充放電開(kāi)關(guān)電路由兩個(gè)高壓NMOS管構(gòu)成；兩個(gè)高壓NMOS管的柵極分別接收兩路脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)；其中一個(gè)高壓NMOS管的漏極接收外部設(shè)備提供的正極直流高壓，源極作為充放電開(kāi)關(guān)電路的一個(gè)輸出端且輸出正脈沖電壓，從而組成充電回路；另一個(gè)高壓NMOS管的漏極接收外部設(shè)備提供的負(fù)極直流高壓，源極作為充放電開(kāi)關(guān)電路的另一個(gè)輸出端且輸出負(fù)脈沖電壓，從而組成放電回路。充放電兩路開(kāi)關(guān)電路分別采用不同的供電系統(tǒng)，以達(dá)到固態(tài)開(kāi)關(guān)的功能；充放電開(kāi)關(guān)電路的兩個(gè)輸出端分別接入濾波整形保護(hù)電路的兩個(gè)輸入端?？紤]到PMOS管的選擇性較少，且綜合了成本與可行性，創(chuàng)新的利用了容性負(fù)載重放電電流的方向性，采用兩路NMOS搭載而成為類(lèi)似半橋式的充放電電路，并且兩路NMOS采用不同的供電系統(tǒng)，使的該電路真正實(shí)現(xiàn)固態(tài)開(kāi)關(guān)的效果。
[0015]優(yōu)選地，所述的濾波整形保護(hù)電路包括兩側(cè)輸入銅排、四個(gè)濾波電阻和四塊聯(lián)接銅片；兩側(cè)輸入銅排分別與充放電開(kāi)關(guān)電路的兩個(gè)輸出端相連且對(duì)應(yīng)接收正負(fù)脈沖電壓，其中兩個(gè)濾波電阻的一端與一側(cè)輸入銅排相連，另外兩個(gè)濾波電阻的一端與另一側(cè)輸入銅排相連，四個(gè)濾波電阻的另一端分別與四塊聯(lián)接銅片相連，四塊聯(lián)接銅片相互共連后通過(guò)同軸電纜輸出高壓脈沖。該電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)敵鲂盘?hào)進(jìn)行濾波，消除高頻過(guò)沖干擾的同時(shí)，轉(zhuǎn)移了上級(jí)充放電電路的固有功耗，對(duì)上級(jí)電路進(jìn)行了保護(hù)，保證了輸出端直接接入容性負(fù)載的可行性。
[0016]優(yōu)選地，所述的脈沖發(fā)生裝置還包括有防串?dāng)_自保護(hù)的供電系統(tǒng)，其由四路單獨(dú)的線(xiàn)性供電子系統(tǒng)構(gòu)成；其中第一路子系統(tǒng)單獨(dú)為信號(hào)轉(zhuǎn)換電路供電，第二路子系統(tǒng)為充電回路及其對(duì)應(yīng)連接的光電隔離電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路供電，第三路子系統(tǒng)為放電回路及其對(duì)應(yīng)連接的光電隔離電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路供電，第四路子系統(tǒng)為濾波整形保護(hù)電路以及提供正負(fù)極兩路直流高壓的外部設(shè)備供電；第一路和第四路子系統(tǒng)的地相同，第二路和第三路子系統(tǒng)的地分別懸空且與其他兩路子系統(tǒng)隔離。能夠起到各自模塊間隔離保護(hù)的作用，是解決聞壓脈沖干擾的關(guān)鍵。
[0017]優(yōu)選地，所述的濾波整形保護(hù)電路上設(shè)有散熱系統(tǒng)，該散熱系統(tǒng)包括有散熱板，所述的濾波電阻緊貼散熱板，所述的輸入銅排和聯(lián)接銅片與散熱板懸空相隔。該散熱系統(tǒng)能夠增加裝置的散熱效果，同時(shí)也保證了整個(gè)高壓大功率部分電路的工作穩(wěn)定性。
[0018]優(yōu)選地，所述的高壓NMOS管的漏極連接有濾波電路，其由一電感和兩個(gè)電容組成；其中，電感的一端與高壓NMOS管的漏極相連，電感的另一端與兩個(gè)電容的一端相連，兩個(gè)電容的另一端接地。該濾波電路能夠有效地對(duì)外部設(shè)備輸入的直流高壓進(jìn)行濾波整形。
[0019]本發(fā)明中外部的TTL信號(hào)發(fā)生器輸出一定占空比的脈沖波后，輸入到信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將一路脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路二分頻的具有相對(duì)死區(qū)間隔的脈沖小信號(hào)，此兩路小信號(hào)通過(guò)光電隔離電路輸出后，作用于驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路進(jìn)行功率放大，進(jìn)而分別控制兩路NMOS開(kāi)關(guān)搭載而成的充放電電路，實(shí)現(xiàn)兩路固態(tài)開(kāi)關(guān)的功能；兩路的NMOS開(kāi)關(guān)端分別輸入高壓直流正電源與高壓直流負(fù)電源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)容性負(fù)載的高壓正負(fù)充放電功能，產(chǎn)生了適用于容阻性負(fù)載的較好波形的正負(fù)脈沖波；該脈沖波經(jīng)過(guò)一定的保護(hù)和濾波處理，最終作用于容阻性負(fù)載。
[0020]故本發(fā)明利用兩路小信號(hào)脈沖波，通過(guò)隔離與驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，分別控制兩路已接入正負(fù)直流高壓電源的固態(tài)開(kāi)關(guān)，使兩路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)交替的開(kāi)關(guān)效果，開(kāi)關(guān)兩端通過(guò)保護(hù)和濾波電路，同時(shí)作用于負(fù)載端，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)容阻性負(fù)載充放電的過(guò)程。由于充放電回路的應(yīng)用，使得容性負(fù)載的電荷儲(chǔ)存問(wèn)題得到有效的解決，并且提高了整個(gè)電路的工作頻率。
[0021]因此，本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益技術(shù)效果:
[0022](I)實(shí)現(xiàn)了高電壓脈沖波的穩(wěn)定輸出，不僅適用于一般的阻性負(fù)載，同樣適用于幾百PF容量的容性負(fù)載；
[0023](2)實(shí)現(xiàn)了寬頻帶的高壓脈沖波形輸出，輸出重復(fù)頻率:100HZ?5MHz，輸出幅度+350v?_350v (正負(fù)相加不超過(guò)400v)；
[0024](3)實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換速率的脈沖輸出，上升下降沿可<15ns ；
[0025](4)充分體現(xiàn)了實(shí)用性的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了高壓脈沖幅度可調(diào)，脈沖寬度可調(diào)的功能，且接口方便，工作穩(wěn)定；
[0026](5)設(shè)計(jì)合理，內(nèi)部分為各自的功能模塊，且模塊之間互聯(lián)都有相應(yīng)的接口，整體方便測(cè)試，完善與改進(jìn)；
[0027](6)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，實(shí)用性強(qiáng)，便于生產(chǎn)和完善。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明高頻高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2為由兩路NMOS管搭載而成的充放電開(kāi)關(guān)電路的示意圖。
[0030]圖3為信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖4為信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中各路脈沖信號(hào)的時(shí)序圖。
[0032]圖5為濾波整形保護(hù)電路及其散熱結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0033]圖6為本發(fā)明裝置機(jī)箱的正面面板示意圖。
[0034]圖7為本發(fā)明裝置機(jī)箱的背面面板示意圖。
[0035]圖8為本發(fā)明內(nèi)部供電系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及其相關(guān)原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0037]如圖1所示，一種適用于容阻性負(fù)載寬頻帶的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，包括機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)安裝有信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、充放電開(kāi)關(guān)電路、濾波整形保護(hù)電路、散熱系統(tǒng)和供電系統(tǒng)；其中:
[0038]信號(hào)轉(zhuǎn)換電路用于將外部設(shè)備提供的一路脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路互補(bǔ)且在整個(gè)寬頻帶內(nèi)具有相對(duì)死區(qū)時(shí)間的脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)；本實(shí)施方式中，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路包括六個(gè)與非門(mén)Gl?G6和兩個(gè)反相器Kl?K2,如圖3所不，與非門(mén)Gl的第一輸入端與反相器Kl的輸入端、與非門(mén)G3的第一輸入端、與非門(mén)G5的輸出端和與非門(mén)G6的第一輸入端相連；與非門(mén)Gl的第二輸入端與與非門(mén)G2的輸出端和與非門(mén)G4的第一輸入端相連；與非門(mén)Gl的輸出端與與非門(mén)G2的第一輸入端相連；與非門(mén)G2的第二輸入端與反相器K2的輸入端、與非門(mén)G4的第二輸入端和與非門(mén)G6的輸出端相連；與非門(mén)G3的輸出端與與非門(mén)G5的第一輸入端相連；與非門(mén)G3的第二輸入端與與非門(mén)G4的輸出端和與非門(mén)G6的第二輸入端相連；與非門(mén)G5的第二輸入端與與非門(mén)G6的第三輸入端相連且接收外部設(shè)備提供的脈沖信號(hào)；兩個(gè)反相器Kl?K2的輸出端分別輸出兩路互補(bǔ)且在整個(gè)寬頻帶內(nèi)具有相對(duì)死區(qū)時(shí)間的脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)。
[0039]Gl?G6 —共6個(gè)門(mén)電路構(gòu)成了一個(gè)雙相時(shí)鐘的脈沖發(fā)生器，能將一路脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路時(shí)鐘脈沖。每當(dāng)輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖Vin，由Gl和G3組成的RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次并通過(guò)G3和G4將輸出級(jí)與非門(mén)G5和G6交替選通，使整個(gè)電路在兩種狀態(tài)之間跳變，兩個(gè)狀態(tài)的依次跳變能使輸出端得到寬度等于單時(shí)鐘正向脈沖的二分頻的交叉負(fù)雙相時(shí)鐘信號(hào)Voutl和Vout2，只要保證整個(gè)電路之間的門(mén)電路器件能有效地及時(shí)反轉(zhuǎn)，且延遲時(shí)間較小，輸出端則能輸出穩(wěn)定的波形，不會(huì)出現(xiàn)由于競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象引起的毛刺現(xiàn)象。兩路脈沖信號(hào)各經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器，則可以輸出兩路具有相對(duì)死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)的脈沖信號(hào)Vout3與Vout4。[0040]通過(guò)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的脈沖寬度，則可以相應(yīng)的調(diào)節(jié)輸出的兩路信號(hào)的脈沖寬度。輸出脈沖的頻率為輸入信號(hào)的一半，兩互補(bǔ)脈沖信號(hào)的死區(qū)時(shí)間保持為輸入脈沖時(shí)鐘周期的一半。不同的輸出時(shí)鐘，會(huì)有不同的死區(qū)時(shí)間，因此保證了兩路互補(bǔ)的脈沖信號(hào)之間死區(qū)時(shí)間隨輸入信號(hào)的相對(duì)變化，有效地保證了對(duì)后級(jí)充放電電路的保護(hù)作用。整個(gè)電路的信號(hào)時(shí)序圖如圖4所示，兩路輸出信號(hào)之間的交叉部分則為兩者的死區(qū)時(shí)間。
[0041]信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的兩個(gè)輸出端依次連接有光電隔離電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路；光電隔離電路用于對(duì)脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行隔離，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路用于對(duì)經(jīng)隔離的脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行功率放大后輸出給充放電開(kāi)關(guān)電路。本實(shí)施方式中光電隔離電路采用東芝公司的高速圖騰式光耦實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濾波和保護(hù)處理，最前后信號(hào)之間的電路進(jìn)行隔離，隔離后產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)測(cè)試可以達(dá)到15MHz的脈沖信號(hào)輸出；驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路采用主驅(qū)動(dòng)芯片，IXYS公司的MOS管驅(qū)動(dòng)，添加外圍的保護(hù)和濾波電路，實(shí)現(xiàn)5V到15V的脈沖轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)能力的提高。
[0042]充放電開(kāi)關(guān)電路由充電回路和放電回路組成，其受兩路脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)作用，將外部設(shè)備提供的正負(fù)極兩路直流高壓分別轉(zhuǎn)換為正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓；如圖2所示，本實(shí)施方式中充放電開(kāi)關(guān)電路由兩個(gè)高壓NMOS管構(gòu)成；兩個(gè)NMOS管同樣采用IXYS公司的高壓高速的NMOS開(kāi)關(guān)；兩個(gè)高壓NMOS管的柵極分別接收經(jīng)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路功率放大后的兩路脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)，上端的高壓NMOS管的漏極接收外部高壓直流正電源提供的正極直流高壓，源極作為充放電開(kāi)關(guān)電路的一個(gè)輸出端輸出正脈沖電壓，組成充電回路；下端的高壓NMOS管的源極接收外部高壓直流負(fù)電源提供的負(fù)極直流高壓，漏極作為充放電開(kāi)關(guān)電路的另一個(gè)輸出端輸出負(fù)脈沖電壓，組成放電回路；上下兩路開(kāi)關(guān)電路分別采用不同的供電系統(tǒng)，以達(dá)到固態(tài)開(kāi)關(guān)的功能；充放電電路的兩個(gè)輸出端分別接入濾波整形與保護(hù)電路的兩個(gè)輸入端。兩個(gè)高壓NMOS管的漏極均連接有濾波電路，其由一電感和兩個(gè)電容組成；其中，電感的一端與高壓NMOS管的漏極相連，電感的另一端與兩個(gè)電容的一端相連，兩個(gè)電容的另一端接地。
[0043]圖2中兩路NMOS管搭載而成的類(lèi)似半橋式的充放電回路。上方的NMOS管Ql與高壓直流正電源連接，當(dāng)MOS管打開(kāi)時(shí)，正電源經(jīng)過(guò)濾波電路后，通過(guò)此回路對(duì)負(fù)載進(jìn)行充電，上半部分整體構(gòu)成了充電回路。下方的NMOS管Q2與高壓直流負(fù)電源連接，當(dāng)MOS管打開(kāi)時(shí)，負(fù)載經(jīng)過(guò)此回路放電，電流由此回路流向經(jīng)過(guò)濾波電路后的負(fù)電源，整個(gè)回路構(gòu)成了負(fù)載的放電電路。兩路類(lèi)似半橋式的回路構(gòu)成了負(fù)載的充放電回路。而兩路NMOS開(kāi)關(guān)分別采用兩路供電系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了固態(tài)開(kāi)關(guān)的功能。
[0044]濾波整形保護(hù)電路用于對(duì)正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓進(jìn)行整形后輸出一路高壓脈沖并加載至負(fù)載上，以對(duì)上級(jí)充放電開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)。如圖5所示，本實(shí)施方式中，濾波整形保護(hù)電路包括兩側(cè)輸入銅排、四個(gè)濾波電阻和四塊聯(lián)接銅片；兩側(cè)輸入銅排分別與充放電開(kāi)關(guān)電路的兩個(gè)輸出端相連且對(duì)應(yīng)接收正負(fù)脈沖電壓，其中兩個(gè)濾波電阻的一端與一側(cè)輸入銅排相連，另外兩個(gè)濾波電阻的一端與另一側(cè)輸入銅排相連，四個(gè)濾波電阻的另一端分別與四塊聯(lián)接銅片相連，四塊聯(lián)接銅片相互共連后通過(guò)同軸電纜輸出高壓脈沖。濾波整形保護(hù)電路設(shè)于散熱系統(tǒng)的散熱板上，濾波電阻緊貼散熱板，輸入銅排和聯(lián)接銅片與散熱板懸空相隔。
[0045]濾波整形保護(hù)電路固定在設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)上，通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小了充放電電路的輸出電容，且增加了電路的散熱面積。在對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，消除高頻過(guò)沖的同時(shí)，轉(zhuǎn)移了上級(jí)充放電電路的固有功耗，對(duì)上級(jí)電路進(jìn)行了保護(hù)，保證了輸出端直接接入容性負(fù)載的可行性。通過(guò)該電路與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使整個(gè)電路的工作穩(wěn)定且各電路得到了充分的保護(hù)，是整個(gè)電路的關(guān)鍵組成。該濾波整形保護(hù)電路通過(guò)兩個(gè)紫銅片輸入，輸入口與上級(jí)充放電電路的兩個(gè)輸出口相連，輸出端通過(guò)中間空洞用同軸電纜線(xiàn)連接引出，增強(qiáng)了與其他電路連接的方便性。整個(gè)散熱結(jié)構(gòu)與機(jī)箱即高壓電源的地相連，固定在機(jī)箱上，進(jìn)一步增加了散熱效果，同時(shí)也保證了整個(gè)產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性。
[0046]圖6為本實(shí)施方式裝置機(jī)箱的正面面板，左側(cè)BNC接頭為高壓脈沖輸出，右側(cè)BNC接頭為T(mén)TL脈沖小信號(hào)輸入。下方的紅色和兩個(gè)黑色JS-910B接頭為高壓DC正負(fù)電源輸入，中間為大地輸入，其余的為電源開(kāi)關(guān)和指示燈。圖7為機(jī)箱的背面面板，左下側(cè)為220V市電電源接頭。裝置需要市電供電，以及外部高壓直流正負(fù)電源接入，輸入TTL脈沖小信號(hào)時(shí)，輸出高壓高頻脈沖，適用與容性與阻性負(fù)載，重復(fù)頻率高。整個(gè)裝置的實(shí)現(xiàn)，采用不同的供電系統(tǒng)，已達(dá)到隔離和保護(hù)的功能，供電系統(tǒng)采用變壓器隔離且采用線(xiàn)性穩(wěn)壓電源進(jìn)行電源的穩(wěn)定輸出，避免了 DC-DC電源的開(kāi)關(guān)電源干擾。
[0047]圖8為裝置內(nèi)部的供電系統(tǒng)，整個(gè)供電系統(tǒng)由相互隔離的四路供電子系統(tǒng)構(gòu)成，起到各自模塊間隔離保護(hù)的作用，是解決高壓脈沖干擾的關(guān)鍵。其中信號(hào)轉(zhuǎn)換電路采用一路單獨(dú)的供電子系統(tǒng)，結(jié)合光電隔離電路于后級(jí)電路進(jìn)行了充分的隔離；兩路隔離與驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路分別與充電與放電兩路開(kāi)關(guān)電路分別采用另兩路供電子系統(tǒng)，隔離保護(hù)的同時(shí)，充分實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制的固態(tài)開(kāi)關(guān)的功能；外部的高壓直流正負(fù)電源與濾波整形保護(hù)電路共同采用最后一路供電子系統(tǒng)，與前級(jí)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和充放電電路進(jìn)行隔離?；诋a(chǎn)品機(jī)箱的制作信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的地與外部提供的高壓直流正負(fù)電源的地相連，共同連至機(jī)箱外殼，其余兩路供電系統(tǒng)的地分別懸空與其他供電子系統(tǒng)進(jìn)行隔離。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于容阻性負(fù)載寬頻帶的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，其特征在于，包括: 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，用于將外部設(shè)備提供的一路脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路互補(bǔ)且在整個(gè)寬頻帶內(nèi)具有相對(duì)死區(qū)時(shí)間的脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)； 充放電開(kāi)關(guān)電路，由充電回路和放電回路組成，且受兩路脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)作用，將外部設(shè)備提供的正負(fù)極兩路直流高壓分別轉(zhuǎn)換為正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓； 濾波整形保護(hù)電路，用于對(duì)所述的正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓進(jìn)行整形后輸出一路高壓脈沖并加載至負(fù)載上，以對(duì)上級(jí)充放電開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，其特征在于:所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的任一輸出端依次連接有光電隔離電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路；所述的光電隔離電路用于對(duì)脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行隔離，所述的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路用于對(duì)經(jīng)隔離的脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行功率放大后輸出給充放電開(kāi)關(guān)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，其特征在于:所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路包括六個(gè)與非門(mén)Gl~G6和兩個(gè)反相器Kl~K2 ;其中，與非門(mén)Gl的第一輸入端與反相器Kl的輸入端、與非門(mén)G3的第一輸入端、與非門(mén)G5的輸出端和與非門(mén)G6的第一輸入端相連；與非門(mén)Gl的第二輸入端與與非門(mén)G2的輸出端和與非門(mén)G4的第一輸入端相連；與非門(mén)Gl的輸出端與與非門(mén)G2的第一輸入端相連；與非門(mén)G2的第二輸入端與反相器K2的輸入端、與非門(mén)G4的第二輸入端和與非門(mén)G6的輸出端相連；與非門(mén)G3的輸出端與與非門(mén)G5的第一輸入端相連；與非門(mén)G3的第二輸入端與與非門(mén)G4的輸出端和與非門(mén)G6的第二輸入端相連；與非門(mén)G5的第二輸入端與與非門(mén)G6的第三輸入端相連且接收外部設(shè)備提供的脈沖信號(hào)；兩個(gè)反相器Kl~K2的輸出端分別輸出兩路互補(bǔ)且在整個(gè)寬頻帶內(nèi)具有相對(duì)死區(qū)時(shí)間的脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，其特征在于:所述的充放電開(kāi)關(guān)電路由兩個(gè)高壓NMOS管構(gòu)成；兩個(gè)高壓NMOS管的柵極分別接收兩路脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)；其中一個(gè)高壓NMOS管的漏極接收外部設(shè)備提供的正極直流高壓，源極作為充放電開(kāi)關(guān)電路的一個(gè)輸出端且輸出正脈沖電壓，從而組成充電回路；另一個(gè)高壓NMOS管的漏極接收外部設(shè)備提供的負(fù)極直流高壓，源極作為充放電開(kāi)關(guān)電路的另一個(gè)輸出端且輸出負(fù)脈沖電壓，從而組成放電回路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，其特征在于:所述的濾波整形保護(hù)電路包括兩側(cè)輸入銅排、四個(gè)濾波電阻和四塊聯(lián)接銅片；兩側(cè)輸入銅排分別與充放電開(kāi)關(guān)電路的兩個(gè)輸出端相連且對(duì)應(yīng)接收正負(fù)脈沖電壓，其中兩個(gè)濾波電阻的一端與一側(cè)輸入銅排相連，另外兩個(gè)濾波電阻的一端與另一側(cè)輸入銅排相連，四個(gè)濾波電阻的另一端分別與四塊聯(lián)接銅片相連，四塊聯(lián)接銅片相互共連后通過(guò)同軸電纜輸出高壓脈沖。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，其特征在于:還包括有防串?dāng)_自保護(hù)的供電系統(tǒng)，其由四路單獨(dú)的線(xiàn)性供電子系統(tǒng)構(gòu)成；其中第一路子系統(tǒng)單獨(dú)為信號(hào)轉(zhuǎn)換電路供電，第二路子系統(tǒng)為充電回路及其對(duì)應(yīng)連接的光電隔離電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路供電，第三路子系統(tǒng)為放電回路及其對(duì)應(yīng)連接的光電隔離電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路供電，第四路子系統(tǒng)為濾波整形保護(hù)電路以及提供正負(fù)極兩路直流高壓的外部設(shè)備供電；第一路和第四路子系統(tǒng)的地相同，第二路和第三路子系統(tǒng)的地分別懸空且與其他兩路子系統(tǒng)隔離。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，其特征在于:所述的濾波整形保護(hù)電路上設(shè)有散熱系統(tǒng)，該散熱系統(tǒng)包括有散熱板，所述的濾波電阻緊貼散熱板，所述的輸入銅排和聯(lián)接銅片與散熱板懸空相隔。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高壓簡(jiǎn)易脈沖發(fā)生裝置，其特征在于:所述的高壓NMOS管的漏極連接有濾波電路，其由一電感和兩個(gè)電容組成；其中，電感的一端與高壓NMOS管的漏極相連，電感的另一端與 兩個(gè)電容的一端相連，兩個(gè)電容的另一端接地。
【文檔編號(hào)】H03K3/02GK103825578SQ201410017003
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】謝銀芳, 王健, 楊冬曉 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)