基于GaNFET的纳秒级高压脉冲调制器的制作方法

本发明涉及一种基于ganfet的纳秒级高压脉冲调制器，属于脉冲功率技术。

背景技术：

纳秒级高压脉冲调制器在微波技术、激光技术和电磁兼容试验等科学研究领域得到了广泛的应用。在基础物理试验以及军事应用背景下，世界各国都投入了大量人力和物力进行纳秒级高压脉冲发生器的研究。

文献一：pratherwd，baumce，lehrjm，etal.ultra-widebandsourceandantennaresearch[j].ieeetransactionsonplasmascience，2000，28(5)：1624-1629.介绍了美国空军phillips实验室采用氢气火花隙开关，研制了h-1到h-6系列纳秒级高压脉冲发生器。1994年研制的h-3脉冲发生器，输出脉冲电压1mv，峰值功率25gw，脉冲宽度300ps，脉冲前沿130ps，重复频率2khz。1997年研制的h-4脉冲发生器，输出脉冲电压2mv，峰值功率100gw。该系列脉冲发生器采用气体开关，输出脉冲功率大，但重复频率低、使用寿命有限、工作稳定性差。

文献二：e.g.cook，d.g.ball，d.l.birx，etal.highaveragepowermagneticmodulatorforcopperlasers[c].digestoftechnicalpapersofthe8thieeeinternationalconferenceonpulsedpower，sandiego，ca，usa，1991：537-542.介绍了美国lawrencelivermorenationallaboratory研制的基于半导体开关scr和磁脉冲压缩电路的纳秒级高压脉冲发生器，输出脉冲电压60kv，重复频率4.5khz，脉冲宽度100ns，脉冲前沿40ns。文献三：snrukin，gamesyats，sadarznek，etal.sos-basedpulsedpower：developmentandapplications[c].proceedingsofthe12thieeeinternationalpulsedpowerconference，monterey，californiausa，1999：153-156.介绍了俄罗斯instituteofflectrophysicsrussianacademyofsciences研制的基于半导体断路开关(sos)的系列纳秒级高压脉冲发生器。输出脉冲电压从数百kv到mv，脉冲宽度数ns到数十ns，重复频率从数十hz到数khz。文献二和文献三研制的脉冲发生器采用固态开关，输出功率大，重复频率高，但该脉冲发生器体积大，效率较低，脉冲波形基本无平顶，且脉冲宽度不易调节。

文献四：http：//www.fidtechnology.com/products.html，介绍了fidgmbh公司采用快速离化二极管(fid)研制的高压脉冲发生器，输出脉冲电压从数kv量级到200kv，重复频率从数khz到数mhz，脉冲宽度从数百ps到数ns量级，脉冲前沿从数十ps到数ns量级；文献五：吴佳霖，刘英坤.高功率半导体开关器件dsrd的研究进展[j].微纳电子技术，2015，52(4)：211-215.介绍了基于漂移阶跃恢复二极管(dsrd)的系列纳秒级高压脉冲发生器，输出脉冲电压从数kv到数十kv，重复频率数khz，脉冲宽度从数百ps到数ns量级，脉冲前沿从数十ps到数ns量级。文献四和文献五介绍的纳秒级高压脉冲发生器体积小，效率高，重复频率高，容易实现模块化，但其脉冲波形基本类似高斯脉冲，波形基本无平顶，且脉冲宽度不易调节。

文献六：袁建强，刘宏伟，马勋，等.基于光导开关的固态脉冲功率源及其应用[j].高电压技术，2015，41(6)：1807-1817.介绍了采用光导开关(pcss)的系列纳秒级高压脉冲发生器，输出脉冲电压可达数十kv，输出频率数十khz，脉冲宽度数百ps到数ns，脉冲前沿数十ps到数百ps，基于pcss的纳秒级高压脉冲发生器体积小，输出脉冲前沿小，重复频率高，但pcss的寿命较短，极大的制约了该类型脉冲发生器的应用。

文献七：h.kirbie，g.caporaso，etal.mhzrepetitionratesolid-statedriverforhighcurrentinductionaccelerators[c].proceedingsofthe1999particleacceleratorconference，newyork，1999：625-627.介绍了基于金属氧化物场效应晶体管(mosfet)的arm-ii纳秒级高压脉冲发生器，输出脉冲电压45kv，脉冲宽度200-2000ns，重复频率达2mhz，脉冲前沿20ns。文献八：e.g.cook，g.akana，etal.solid-statemodulatorsforrfandfastkickers[c].proceedingsof2005particleacceleratorconference，knoxvilletennessee，2005：637-641.介绍了基于mosfet开关，采用感应叠加拓扑的darht-ii纳秒级高压脉冲发生器，输出脉冲电压20kv，脉冲宽度16-200ns，猝发脉冲重复频率1.6mhz，脉冲前沿10ns。文献七和文献八介绍的脉冲发生器容易实现模块化，寿命长，重复频率高，输出脉冲波形可调，但这两种脉冲发生器技术难度大，成本高。

为满足现代工业、环保和医疗等领域的要求，纳秒级高压脉冲发生器要求输出脉冲波形可控性好、内阻小以满足不同负载的需要，同时提高储能密度，脉冲前沿陡化，并且实现紧凑、模块化、长寿命和高重复频率运行，本发明提出了一种基于ganfet的纳秒级高压脉冲发生器。

技术实现要素：

为满足现代工业、环保和医疗等领域的要求，本发明提出了一种基于ganfet的纳秒级高压脉冲发生器，输出脉冲电压幅度10kv，输出脉冲重复频率最高达100khz，输出脉冲宽度50-100ns。并且输出脉冲重复频率和脉冲宽度调整灵活，体积小，效率高，无须环控，寿命长，极易实现模块化，可满足不同负载的需要。

为了解决以上问题，本发明采用了如下技术方案：一种基于ganfet的纳秒级高压脉冲调制器，其特征在于，包括n个一级驱动电路、n个二级驱动电路、n个脉冲调制组件和1个包含n个初级绕组的高压脉冲变压器。所述一级驱动电路与二级驱动电路连接；所述二级驱动电路与脉冲调制组件连接；所述n个脉冲调制组件与高压脉冲变压器连接；所述高压脉冲变压器与负载连接，其中8≤n≤16；述一级驱动电路接收外部提供的定时信号，并将其转换为+5v脉冲电压幅度的触发信号，送给二级驱动电路；所述二级驱动电路通过光感应调制器件和独立供电的+12v和-5v电源，对一级驱动电路送来的触发信号进行放大，并实现与一级驱动电路的隔离，为脉冲功率组件的调制开关ganfet提供驱动信号；所述脉冲调制组件根据二级驱动电路送来的驱动信号的控制，为高压脉冲变压器初级提供激励脉冲；所述高压脉冲变压器将初级激励脉冲进行升压，输出负载所需的高压脉冲。

级驱动电路包括+5v电源，电容c11，电阻r11、r12，开关k11；级驱动电路包括+12v电源、-5v电源，电容c12、c13、c14、c15，电阻r13、r14、r15，光感应器件n11，二极管v11；其中，+5v电源分别与电容c11、c12的一端和二级驱动电路中的电阻r13的一端连接；电容c11和电容c12的另一端与地连接；电阻r11的一端输入定时信号，另一端分别与电阻r12的一端和开关k11的栅极连接；电阻r12的另一端和开关k11的源极短接后和地连接；电阻r13的另一端和光感应器件n11的阳极连接；开关k11的漏极分别与电容c13的一端和光感应器件n11的阴极连接；电容c13的另一端接地；光感应器件n11的电源极分别与+12v电源和电容c15的一端连接；光感应器件n11的输出端分别与电阻r14的一端和二极管v11的阴极连接；光感应器件n11的低电位端分别与-5v电源和电容c14的一端连接；电容c14和电容c15的另一端接信号地；电阻r14的另一端和二极管v11的阳极短接后，与脉冲调制器组件中的ganfet开关k21的栅极连接；电阻r15的一端连接ganfet开关k21的栅极连接，另一端接ganfet开关k21的源极。

冲调制组件电路包括高压电源e21，限流电感l21，ganfet开关k21，电容c21、c22、c23，电阻r21、r22，二极管v21、v22；高压脉冲变压器t21包括n个初级绕组和1个次级绕组；高压电源e21的正端与限流电感l21的一端连接；限流电感l21的另一端分别与ganfet开关k21的漏极、电容c21的一端和电容c22的一端连接；ganfet开关k21的源极分别与电阻r21的一端、二极管v21的阴极、高压脉冲变压器t21初级绕组1的低电位端和高压电源e21的负端连接；电容c22的另一端分别与电阻r21的另一端和二极管v21的阳极连接；电容c21的另一端分别与二极管v22的阳极、高压脉冲变压器t21初级绕组1的高电位端连接；电阻r22的一端分别与电容c23的一端和高压脉冲变压器t21初级绕组1的低电位端连接；二极管v22的阴极分别与电阻r22的另一端和电容c23的另一端连接；电容c22、电阻r21与二极管v21组成缓冲电路，吸收ganfet开关k21的漏极和源极之间的尖峰能量；二极管v21、电阻r22和电容c23组成反向吸收电路，吸收变压器漏感产生的尖峰电压；脉冲调制组件1与高压脉冲变压器t21的初级绕组1连接，同理，脉冲调制组件n与高压脉冲变压器t21的初级绕组n连接。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：基于gan器件的纳秒级高压脉冲调制器，输出脉冲电压0-10kv，输出脉冲重复频率最高达100khz，输出脉冲宽度50-100ns。

调制器采用多个基于ganfet的脉冲调制组件，驱动多初级并联的高压脉冲变压器，电路拓扑简单，易于实现。调制器结构布局紧凑，主功率回路分布参数较小，同时借助于ganfet较小的寄生电容和较低的导通内阻，调制器效率较高。调制器采用了快速驱动电路，可以实现窄脉冲输出，前后沿控制在毫微秒量级。

本发明提出的调制器输出脉冲重复频率和脉冲宽度调整灵活，无须环控，寿命长，极易实现模块化，可应用于雷达、工业、环保和医疗等领域。

附图说明

图1是本发明的组成框图。

图2是本发明的信号传输示意图。

图3是本发明中一级驱动和二级驱动的典型电路。

图4是本发明中脉冲调制组件和高压脉冲变压器电路图。

图5是本发明中，实际测量的定时信号与ganfet的栅极驱动波形。

图6是采用分压比为1∶25的取样电阻取值，测试的本发明输出脉冲电压波形。

具体实施方式

下面对本发明做进一步阐述。

结合图1，本发明提供的基于ganfet的纳秒级高压脉冲调制器，包括n个一级驱动电路、n个二级驱动电路、n个脉冲调制组件和1个高压脉冲变压器。所述一级驱动电路与二级驱动电路连接；所述二级驱动电路与脉冲调制组件连接；所述n个脉冲调制组件与高压脉冲变压器连接；所述高压脉冲变压器与负载连接，其中8≤n≤16。

结合图2，所述一级驱动电路接收外部提供的定时信号，并将其转换为+5v脉冲电压幅度的触发信号，送给二级驱动电路；所述二级驱动电路通过光感应调制器件和独立供电的+12v和-5v电源，对一级驱动电路送来的触发信号进行放大，并实现与一级驱动电路的隔离，为脉冲功率组件的调制开关ganfet提供驱动信号；所述脉冲调制组件根据二级驱动电路送来的驱动信号的控制，为高压脉冲变压器初级提供激励脉冲；所述高压脉冲变压器将初级激励脉冲进行升压，输出负载所需的0-10kv高压脉冲。

结合图3，本发明级驱动电路包括+5v电源，电容c11，电阻r11、r12，开关k11；二级驱动电路包括+12v电源、-5v电源，电容c12、c13、c14、c15，电阻r13、r14、r15，光感应器件n11，二极管v11。其中，+5v电源分别与电容c11、c12的一端和二级驱动电路中的电阻r13的一端连接；电容c11和电容c12的另一端与地连接；电阻r11的一端输入定时信号，另一端分别与电阻r12的一端和开关k11的栅极连接；电阻r12的另一端和开关k11的源极短接后和地连接；电阻r13的另一端和光感应器件n11的阳极连接；开关k11的漏极分别与电容c13的一端和光感应器件n11的阴极连接；电容c13的另一端接地；光感应器件n11的电源极分别与+12v电源和电容c15的一端连接；光感应器件n11的输出端分别与电阻r14的一端和二极管v11的阴极连接；光感应器件n11的低电位端分别与-5v电源和电容c14的一端连接；电容c14和电容c15的另一端接信号地；电阻r14的另一端和二极管v11的阳极短接后，与脉冲调制器组件中的ganfet开关k21的栅极连接；电阻r15的一端连接ganfet开关k21的栅极连接，另一端接ganfet开关k21的源极。所述一级驱动电路接收外部提供的定时信号，如ttl电平信号，将其放大后，用于触发二级驱动电路的光感应器件；所述二级驱动电路通过光感应调器件和独立供电的+12v和-5v电源，对一级驱动电路送来的触发信号进行放大，并实现与一级驱动电路的隔离，为脉冲功率组件的调制开关ganfet提供驱动信号。

结合图4，本发明包括n个脉冲调制组件，脉冲调制组件电路包括高压电源e21，限流电感l21，ganfet开关k21，电容c21、c22、c23，电阻r21、r22，二极管v21、v22；高压脉冲变压器t21包括n个初级绕组和1个次级绕组。高压电源e21的正端与限流电感l21的一端连接；限流电感l21的另一端分别与ganfet开关k21的漏极、电容c21的一端和电容c22的一端连接；ganfet开关k21的源极分别与电阻r21的一端、二极管v21的阴极、高压脉冲变压器t21初级绕组1的低电位端和高压电源e21的负端连接；电容c22的另一端分别与电阻r21的另一端和二极管v21的阳极连接；电容c21的另一端分别与二极管v22的阳极、高压脉冲变压器t21初级绕组1的高电位端连接；电阻r22的一端分别与电容c23的一端和高压脉冲变压器t21初级绕组1的低电位端连接。二极管v22的阴极分别与电阻r22的另一端和电容c23的另一端连接。电容c22、电阻r21与二极管v21组成缓冲电路，吸收ganfet开关k21的漏极和源极之间的尖峰能量；二极管v21、电阻r22和电容c23组成反向吸收电路，吸收变压器漏感产生的尖峰电压。脉冲调制组件1与高压脉冲变压器t21的初级绕组1连接，同理，脉冲调制组件n与高压脉冲变压器t21的初级绕组n连接。

结合图5，1为外部提供的定时信号，为ttl电平信号；2为ganfet开关的栅极驱动波形。

结合图6，采用电阻负载，并使用分压比为1∶25的取样电阻取值，本发明输出的脉冲电压波形如图所示。前沿小于25ns，脉冲宽度105ns，脉冲幅值11.07kv。

一级驱动电路接收外部提供的定时驱动信号，为二级驱动电路提供输入；二级驱动电路通过光感应器件和独立供电的+12v和-5v电源对驱动信号进行放大，并实现与一级驱动电路的隔离；脉冲调制组件为高压脉冲变压器初级提供激励脉冲，高压脉冲变压器将初级激励脉冲升压，输出负载所需的0-10kv高压脉冲。

基于本发明，实现了采用gan器件的纳秒级高压脉冲调制器，输出脉冲电压0-10kv，输出脉冲重复频率最高达100khz，输出脉冲宽度50-100ns。调制器电路拓扑简单，易于实现。结构布局紧凑，主功率回路分布参数较小，同时借助于ganfet较小的寄生电容和较低的导通内阻，调制器效率较高。

本发明提出的调制器输出脉冲重复频率和脉冲宽度调整灵活，无须环控，寿命长，极易实现模块化，可应用于雷达、工业、环保和医疗等领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。