一种纳秒级高压脉冲发生器装置及工作方法与流程

本发明涉及一种改进的新型高压脉冲发生器，尤其适用于高压绝缘技术中。

背景技术：

脉冲功率技术越来越广泛地被应用到高科技研究、高新技术和民用工业等研究领域。就高科技研究领域而言，将高压脉冲电场应用于高精度同位素丰度分析的tof-sims是一项具有广阔发展前景的技术，这对于月球和陨石样品的氧同位素和稀土元素分析，以及某些金属矿床的硫等稳定同位素微区原位分析，解决矿床成因等资源领域的课题，带动地球化学和宇宙化学新的发展具有巨大的研究意义。随着高压脉冲技术的发展，脉冲上升沿快、开关频率高以及电压幅值高势必会成为未来高压脉冲技术的发展方向，而对于tof-sims技术，利用聚焦的一次离子束在样品上进行稳定的轰击需要在短时间内积累巨大的能量，因此研制出一套多参数脉冲(幅值、脉宽、重复频率)可调的高压纳秒级脉冲发生器具有十分必要的研究意义。

现有的高压脉冲发生器利用marx发生器因为可方便地通过级联产生高压而被广泛应用于各领域，如德克萨斯大学chenyj和neuberaa等人采用高储能密度电容器制作的紧凑型marx发生器，可以直接用于驱动反射三极管产生高功率微波，但是此发生器的输出脉冲前沿比较缓慢，整体波形也类似rlc振荡。在固体器件脉冲源技术研究方面,knetehc、fdteehnology等公司用半导体器件研制出幅度几kv到几十kv、前沿几个ns以下、脉冲宽度几个ns的脉冲源产品，虽然产生的脉冲幅值较高，但是实验装置体积庞大、控制电路复杂，其使用寿命和频率受到很大的限制，幅值和脉宽的调节也很困难，鉴于此，本发明结合marx发生器原理和全固态半导体开关技术，以fpga为同步信号控制核心，研制出了输出脉冲幅值连续可调、脉宽灵活可变、频率独立可控，前后沿均为纳秒级的全固态高压脉冲发生器装置，为进一步探索tof-sims技术奠定了基础。

技术实现要素：

本发明的目的就在于针对上述现有技术存在的高压脉冲下降沿慢，控制电路复杂，幅值和脉宽的调节也很困难，使用寿命和频率等问题，提供一种纳秒级高压脉冲发生器装置；

本发明的目的是提供一种纳秒级高压脉冲发生器装置的工作方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种纳秒级高压脉冲发生器装置，是由可调高压直流电源1经单极性marx

电路2和单驱动图腾柱电路3与负载4连接，单驱动图腾柱电路3经高压衰减探头8与示波器13连接，高压衰减探头8经虚拟仪器14与显示器19连接，同步触发5经fpga6、逻辑信号处理9、光纤信号发生器10、光纤信号接收器11、驱动芯片12和栅极驱动变压器7与单驱动图腾柱电路3连接，直流电源18经dc/dc24v/15v直流转换模块17、驱动芯片12和栅极驱动变压器7与单极性marx电路2连接，直流电源18经dc/dc24v/5v直流转换模块16与光纤信号接收器11连接，直流电源18经dc/dc24v/3.3v直流转换模块15与fpga6链接构成。

fpga6是由时钟94经倍频95和寄存器96与脉宽计数器97连接，寄存器96与频率计数器100连接构成。

逻辑信号处理9是由电平转换芯片98分别与pwm1同步触发99和pwm2同步触发101连接构成。

虚拟仪器14是由arm单片机103经程序逻辑处理104和labview数据读取存储器105与labview波形图106表连接构成。

一种纳秒级高压脉冲发生器装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：接通可调高压直流电源1，单极性marx电路2中高压电容进入充电过程；

步骤2：fpga6通过对逻辑信号处理9产生两类pwm波信号，pwm1同步触发信号分为五路信号控制单极性marx电路2，同时pwm2同步触发信号为一路信号控制单驱动图腾柱电路3；

步骤3：同步触发参数5利用高速fpga6产生原始控制信号，经过逻辑信号处理9后转换为同步触发控制信号，再通过光纤通信送入sicmosfet驱动芯片12转为驱动信号，经过栅极驱动变压器7隔离产生两类pwm波驱动信号，其中pwm1驱动信号分为五路信号控制单极性marx电路2，同时pwm2驱动信号为一路信号控制单驱动图腾柱电路3；

步骤4：pwm1和pwm2隔离驱动信号控制sicmosfet开通与关断，在玻璃釉阻容负载4上产生纳秒级快双沿高压脉冲；

步骤5：通过tektronix示波器13实时检测负载4上产生的高电压脉冲，高压脉冲衰减信号通过虚拟仪器14处理后，在pc机19上显示负载4高压脉冲的实时参数：电压、电流、功率。

有益效果：本发明电路简单，体积较小；在纳秒级高压脉冲发生器装置中首次采用marx电路与单驱动图腾柱电路架构，可以满足各种负载应用情况，对于阻容性负载不仅得到纳秒级高压脉冲上升沿，而且得到纳秒级的下降沿，提出了单驱动图腾柱电路结构，摒弃了现有一对一驱动串联开关管的复杂电路结构，为了控制高压脉冲输出的宽度、频率，同步信号控制单元以fpga为同步控制核心，不仅可以弥补传统高压脉冲发生器寿命和频率的限制，以及幅值和脉宽难以调节的难题，而且可以提高同步控制信号的精度与响应速度。利用usb数据采集技术实时快速的采集负载上的参数情况，从而解决了传统示波器单一测量参数的局限性，真正做到机器与界面的交互式融合，简单有效，操作性强，缩短了实验结果处理时间，提高了工作效率。

附图说明

图1为一种纳秒级高压脉冲发生器装置结构框图

图2为五级marx电路与单驱动图腾柱电路图

ⅰ部分为五级marx电路，ⅱ部分为单驱动图腾柱电路

图3为pwm1、pwm2同步信号控制示意图

图4为图1中fpga同步触发控制脉冲结构框图

图5为图1中逻辑信号处理结构框图

图6为图1中虚拟仪器高压脉冲参数测量结构框图

1可调高压直流电源，2单极性marx电路，3单驱动图腾柱电路，4负载，5同步触发，6fpga，7栅极驱动变压器，8高压衰减探头，9显示器，10光纤信号发生器，11光纤信号接收器，12驱动芯片，13示波器，14虚拟仪器，153.3v直流转换模块，165v直流转换模块，1715v直流转换模块，18直流电源，19pc显示器，94时钟，95倍频，96寄存器，97脉宽计数器连接，98电平转换芯片，99pwm1同步触发，100频率计数器，101pwm2同步触发，103arm单片机104程序逻辑处理，105labview数据读取存储器，106labview波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的具体说明：

一种纳秒级高压脉冲发生器装置，是由可调高压直流电源1经单极性marx电路2和单驱动图腾柱电路3与负载4连接，单驱动图腾柱电路3经高压衰减探头8与示波器13连接，高压衰减探头8经虚拟仪器14与pc显示器19连接，同步触发5经fpga6、逻辑信号处理9、光纤信号发生器10、光纤信号接收器11、驱动芯片12和栅极驱动变压器7与单驱动图腾柱电路3连接，直流电源18经dc/dc24v/15v直流转换模块17、驱动芯片12和栅极驱动变压器7与单极性marx电路2连接，直流电源18经dc/dc24v/5v直流转换模块16与光纤信号接收器11连接，直流电源18经dc/dc24v/3.3v直流转换模块15与fpga6连接构成。

fpga6是由时钟94经倍频95和寄存器96与脉宽计数器97连接，寄存器96与频率计数器100连接构成。

逻辑信号处理9是由电平转换芯片98分别与pwm1同步触发99和pwm2同步触发101连接构成。

虚拟仪器14是由arm单片机103经程序逻辑处理104和labview数据读取存储器105与labview波形图106表连接构成。

一种纳秒级高压脉冲发生器装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：接通可调高压直流电源1，单极性marx电路2中高压电容进入充电过程；

步骤2：fpga6通过对逻辑信号处理9产生两类pwm波信号，pwm1同步触发信号分为五路信号控制单极性marx电路2，同时pwm2同步触发信号为一路信号控制单驱动图腾柱电路3；

步骤3：同步触发参数5利用高速fpga6产生原始控制信号，经过逻辑信号处理9后转换为同步触发控制信号，再通过光纤通信送入sicmosfet驱动芯片12转为驱动信号，经过栅极驱动变压器7隔离产生两类pwm波驱动信号，其中pwm1驱动信号分为五路信号控制单极性marx电路2，同时pwm2驱动信号为一路信号控制单驱动图腾柱电路3；

步骤4：pwm1和pwm2隔离驱动信号控制sicmosfet开通与关断，在玻璃釉阻容负载4上产生纳秒级快双沿高压脉冲；

步骤5：通过tektronix示波器13实时检测负载4上产生的高电压脉冲，高压脉冲衰减信号通过虚拟仪器14处理后，在pc机19上显示负载4高压脉冲的实时参数：电压、电流、功率。

如图1所示，本发明设计的一种纳秒级高压脉冲发生器装置，包括：高压脉冲陡前沿处理单元、高压脉冲陡下降沿处理单元、sicmosfet同步信号控制单元、弱电电源单元和高电压显示单元。其中，高压脉冲陡前沿处理单元是由五阶单极性marx电路2构成。高压脉冲陡下降沿处理单元，是由单驱动图腾柱电路3构成。sicmosfet同步信号控制单元，由高速fpga6通过外围电路对逻辑信号进行高速处理9，高速信号输出接口与光纤信号发射器10连接，同步控制信号通过等长度光纤传递到光纤信号接收器11装置中，光纤信号接收器11与sicmosfet专用驱动芯片12连接，驱动信号通过栅极驱动变压器7隔离出两类sicmosfet控制信号分别为pwm1和pwm2，其中pwm1同步控制信号分为五路信号连接到单极性marx电路2，pwm2同步控制信号为一路信号连接到单驱动图腾柱电路3。弱电电源单元由24v直流电源18供电，利用直流斩波技术，通过24v/5v直流转换模块15分别连接到高速fpga6和光纤信号接收器11供电，24v/15v直流转换模块17连接到驱动芯片12驱动sicmosfet。高电压显示单元由高压衰减探头8连接至高压负载4玻璃釉电阻两端，高压衰减电压信号一路通过tektronix示波器13显示高电压波形，另一路通过虚拟仪器14将实时波形在pc机19上显示出来。

图2是本发明中的五级marx电路和单驱动图腾柱电路，其中，ⅰ部分为五级marx电路，本发明中五级marx电路包含可调高压直流电源47、bypass电容46、限流电阻25、高压快速恢复二极管20、21、22、23、24、48、49、50、51、52、高压电容26、29、32、35、38、场效应管sicmosfet27、30、33、35、39、sicmosfet源栅极间稳压管41、42、43、44、45、续流二极管28、31、34、37、40。其连接关系是，对于marx高压脉冲发生器电路第一级，bypass电容46并联在可调高压直流电源1两端，起到去耦、滤波、储能的作用。高压直流电源1依次与高压限流电阻25、高压快速恢复二极管20连接，高压快速恢复二极管20分别与高压电容26、场效应管sicmosfet27连接，同时高压快速恢复二极管48分别连接到高压电容26、场效应管sicmosfet27的另外一端。稳压管41连接至场效应管sicmosfet27栅极和源级两端，保护栅极驱动信号由于过冲电压击穿sicmosfet栅极，二极管28反并联在sicmosfet27两端，同样本发明电路中marx电路的第2级、第3级、第4级、第5级与第1级连接方式相同，接通可调高压直流源1,当场效应管sicmosfet27、30、33、36、39关断时，高压电容26、29、32、35、38以并联连接形式迅速被充电至高压直流电源，当场效应管sicmosfet导通时，由于电容的电压暂态不变性，会使高压快速恢复二极管20、21、22、23、24、48、49、50、51、52以纳秒级速度关断，这时高压电容迅速以串联连接方式向阻容负载放电，由此，通过marx电路中高压电容26、29、32、35、38并联充电串联放电原理，会在阻容负载4产生纳秒级上升沿高压脉冲，其中高压脉冲幅值为

u＝k*vin

其中u为阻容负载上的电压值，k为marx电路级数，vin为可调高压直流电压输出值。

本发明中marx电路拓扑结构产生的高压输出脉冲来源于高压电容的储能，因此必然会在阻容负载产生一个高压脉冲的电压降，根据高压理论研究表明，电压降为

其中δt是高压脉宽，δv是高压脉冲电压降，z是负载阻抗，c是高压电容值，k是marx电路级数。

图2中ⅱ部分为单驱动图腾柱电路，本发明中单驱动图腾柱电路包含均压电阻73、74、75、76、77、sicmosfet源栅极间稳压管58、59、60、61、62、场效应管sicmosfet63、64、65、66、67、续流二极管68、69、70、71、72、栅极自举电容54、55、56、57、二极管78、80、82、84、86、吸收电阻88、89、90、91、92、吸收电容79、81、83、85、87，其连接关系是，sicmosfet63、64、65、66、67依次串联连接，这是因为单个mosfe能承担的电压有限，所以为防止漏源级间电压过高击穿，要采取串联连接方式，栅极自举电容54、55、56、57的同一端与sicmosfet63的漏级连接到一起，均压电阻73、74、75、76、77分别并联在场效应管sicmosfet63、64、65、66、67两端，起到静态均压的作用，二极管78与吸收电阻88并联连接，公共端与吸收电容79连接，构成rcd吸收网络保护电路并联在均压电阻73两端，rcd吸收网络之所以能够起到保护作用，是因为把能量从sicmosfet转移到吸收电容上，并最终消耗在吸收电阻上。本发明的巧妙之处在于，仅利用单个驱动就可以同时控制5个sicmosfet关断与开通，从而很好解决了多开关同步问题，其中驱动电路1、驱动电路2、驱动电路3、驱动电路4、驱动电路5、由同步触发控制信号pwm1同步控制，驱动电路6由触发控制信号pwm2同步控制，如下图3为本发明中同步控制信号pwm1、pwm2波形相位示意图。其中pft为阻容负载上的高压脉冲平顶时间，dt为死区时间，经过死区时间dt后，驱动电路6施加pwm2控制信号，这时由于sicmosfet同时导通，所以阻容负载电压瞬间钳位到零值附近，从而达到本发明中关于高压脉冲下降沿也能达到纳秒级的目的。

sicmosfet同步信号控制单元以fpga为控制核心，并通过良好的人机交互界面来实现整个高压脉冲发生器装置的智能调控。图4是本发明中的fpga同步触发控制脉冲结构框图，包括同步触发参数93、60mhz时钟94、倍频95、寄存器96、脉宽计数器97、频率计数器100构成。其连接关系为，外界同步触发脉冲参数输入到fpga6,高速fpga通过内置的寄存器96、频率计数器100和脉宽计数器97对60mhz基准时钟信号94的频率和脉宽进行调整，从而达到控制高压脉冲输出的宽度、频率的目的，并实时产生原始控制信号，由于fpga输出多路初始脉冲信号电平为3.3v，因此需要5v电平转换芯片将其电平转换成5v，如图5所示为逻辑信号处理单元结构框图，包括5v电频转换芯片98、pwm1同步触发脉冲99、pwm2同步触发脉冲101。其连接关系为，高速fpga产生的原始控制信号经过5v电平转换芯片98后转换为两类同步控制信号，分别为pwm1同步触发脉冲99和pwm2同步触发脉冲101。

弱电电源单元提供整个装置弱电部分的工作电压。如图1所示，外界给纳秒级高压脉冲发生器装置提供+24v直流电压18，电源选为台湾明纬开关电源nes-100-24100w24v4.5a，通过电源转换芯片将+24v电压转换为+15v、+5v、3.3v，来分别提供给sicmosfet专用驱动芯片、同步控制信号光纤接收器和fpga逻辑信号处理单元。

如图6所示，为虚拟仪器数据采集方式下高压脉冲参数测量结构框图，包括高压脉冲衰减探头8、arm单片机adc103、程序逻辑处理104、labview数据读取存储器105、labview波形图表106、pc显示器19。其连接关系是，经过高压脉冲衰减探头8测量阻容负载上高压脉冲衰减信号，通过arm单片机adc103集成模数转换芯片，将模拟信号转换成数字信号，在本发明中，arm单片机型号选用stm32f103zt6，其内核是cortex-m3。经过程序逻辑处理单元104，在ni-visa子程序控件协议下，通过usb直接与labview进行快速实时通信，labview通过编写动态链接库dll文件将读取的usb传输数据存放到labview数据读取存储器105中，通过调用labview波形图表106，把读取的数据以图表的形式在pc显示器19上实时的显示出来，通过这种方式可以把阻容负载多方面参数(电压、电流、功率)以动态曲线的形式同时在一个界面上显示出来，因此可以更加方便的对阻容负载高压脉冲情况进行深入的研究。

本发明中所有的sicmosfet场效应管均采用铝合金散热片进行散热，大大减少了器件在工作时，由于发热对器件性能的影响。高压脉冲发生器装置中限流电阻选用超高频高电流氧化膜无感电阻，该电阻超高频性能稳定，能够响应装置输出的高压纳秒级脉冲信号。