一种快前沿纳秒高压电光开关驱动源的制作方法

本发明涉及一种快前沿纳秒高压电光开关驱动源，属于脉冲功率技术领域。

背景技术：

在超大型激光器系统中，多束组激光的光路控制主要采用大口径等离子体电光开关实现。大口径等离子体电光开关需要纳秒级高压方波脉冲驱动源进行驱动，高压方波脉冲驱动源的电气指标参数直接影响到大口径等离子体电光开关的光学特性。因此，等离子体电光开关对高压方波脉冲驱动源的波形参数指标要求极高，尤其是方波前沿时间、方波后沿时间、波形平顶稳定度以及脉冲抖动等重要指标。

原有大口径等离子体电光开关驱动源主要采用单仿真线方式，单仿真线电路结构简单，易于实现，其输出电压是充电电压的一半。放电开关处于高电位端，放电开关的辅助供电电源和触发驱动单元需要高压隔离供电，在纳秒级脉冲放电过程中，因辅助供电电源和触发驱动单元对地的分布电容作用，易产生高压放电噪声，造成本体及周边设备的器件损坏。

典型的Blumlein PFN脉冲网络是由两组单仿真线构成，其等效阻抗是单仿真线的2倍，即等于输出负载阻抗。由于电路拓扑结构形式，在负载两端因放电波形的反射和折射，会产生输出倍压效果(相对于单仿真线电路而言)，即负载上得到的电压等于输入的充电电压。在Blumlein PFN脉冲网络中，放电开关一端共地，在纳秒级高压方波脉冲放电过程中，分布电容引起干扰较小。但是，在Blumlein PFN脉冲网络放电过程中，由于纳秒级高压方波脉冲的前后沿di/dt变化非常大，导致输出高压方波脉冲前沿和后沿时间较长。在高压方波脉冲前沿和后沿变化时间段内，等离子体电光开关因电气特性不稳导致光学特性不稳定，等离子体电光开关不能够正常工作，而在该时间段等离子体电光开关上施加的电功率又较大，该电功率会转变为等离子体开关热能，直接影响到等离子体的光学性能和寿命。因此，为了提高等离子体的光学稳定性和寿命，高压方波电源应该尽量减少高压方波脉冲的前沿时间和后沿时间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种快前沿纳秒高压电光开关驱动源，用以解决大口径等离子体电光开关驱动源输出高压方波脉冲前沿时间和后沿时间较长，造成离子体电光开关性能不稳定以及使用寿命短的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种快前沿纳秒高压电光开关驱动源，包括以下方案：

方案一：包括一个Blumlein PFN脉冲网络回路，所述Blumlein PFN脉冲网络回路包括两组单仿真线，其中一组单仿真线设有高压直流电源，每组单仿真线均包括多级LC单元，所述设有高压直流电源的单仿真线中，远离高压直流电源的最后一级LC单元还包括一个火花隙开关(S2)和一个辅助充电电阻(R2)，该级LC单元的电感与所述火花隙开关(S2)串联，所述辅助充电电阻(R2)与所述火花隙开关(R2)并联。

方案二：在方案一的基础上，所述驱动源还包括用于连接其输出端的同轴电缆。

本发明的有益效果是：在Blumlein PFN脉冲网络回路的基础上，将设有高压直流电源的单仿真线的最后一级LC单元的电感与一个火花隙开关串联，并在该火花隙开关的两端并联一个辅助充电电阻，改进后的Blumlein PFN脉冲网络在高压充电时间段内，辅助充电电阻保证了当火花隙开关处于断开状态时，即没有较大的dv/dt变化，也没有较大的压降产生，同时保证了高压缓慢充电回路的完整性，即前级高压直流电源通过该辅助充电电阻为后一级LC单元和另一组单仿真线进行高压充电；在高压放电时间段内，火花隙开关起到了一个斩波的作用，把低于火花隙开关击穿电压的波形前沿电压稍慢波形截断，通过火花隙后的方波电压波形前沿变短，从而改善了波形前沿的时间参数；在高压放电波形的后沿处，电压波形幅值降低后，根据负载特性，负载电流急剧降低，低于火花隙开关导通的条件后，火花隙开关后截止，进一步压缩了高压方波后沿时间；有效解决了传统Blumlein PFN脉冲网络回路中因极大的输出电流变化而引起的输出高压方波脉冲前沿和后沿时间较长的问题，相应提高了等离子体电光开关的性能和使用寿命，能够极大地减小驱动源系统的体积和造价，提高驱动源的可靠性。

附图说明

图1是Blumlein PFN脉冲网络回路的原理示意图；

图2是快前沿纳秒高压电光开关驱动源的主回路拓扑原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1给出了Blumlein PFN脉冲网络回路的原理示意图，该回路包括一组单仿真线以及一组设有高压直流电源DC的单仿真线，两组单仿真线均包括多级LC单元。在设有高压直流电源DC的单仿真线中，高压直流电源DC串设在该单仿真线的一端，距离高压直流电源DC最远的一级LC单元为单仿真线最后一级LC单元。Blumlein PFN脉冲网络回路的输出端连接有负载电阻RL，RL两端的电压为输出电压U0。

在图1的基础上，对Blumlein PFN脉冲网络回路进行改进，将Blumlein PFN脉冲网络回路中设有高压直流电源的单仿真线最后一级LC单元的电感L3-n-1与一个火花隙开关S2串联，并在该火花隙开关S2的两端并联一个辅助充电电阻R2，图2给出了基于改进的Blumlein PFN脉冲网络回路的电光开关驱动源主回路拓扑原理示意图。其中，该驱动源的高压直流电源V1的正极与充电电阻R1的一端相连，充电电阻R1的另一端和高压直流电源V1的负极之间连接有放电开关S1和多级LC单元。该驱动源通过同轴电缆进行输出以驱动等离子电光开关，驱动源的两输出端还连接有负载电阻Rz。

下面就图2中所采用的各个元器件做详细介绍。

1、高压直流电源V1

采用小功率高频倍压整流式高压直流电源V1为高压方波脉冲形成回路进行充电，该直流电源具有体积小、控制简单和控制精度高等优点。

2、充电电阻R1

充电电阻R1采用玻璃釉RI80高压电阻，该型电阻具有耐压高、串联等效电感小、耐功率冲击能力强和性能稳定等优点。

3、放电开关S1

放电开关S1选用氢闸流管半控型器件VE4141，此类开关具有耐压高、峰值电流大和触发抖动小等优点。

4、振荡电容、电感

所有LC单元中的振荡电容均采用选用高耐压型串联等效电感小的电容器，如聚酯薄膜电容器或陶瓷电容器，电容器的串联等效电感值控制在十几纳亨以下，利于提高方波脉冲波形指标。

所有LC单元中的振荡电感均采用空芯电感，该空芯电感具有全频段频率特性好、参数调整方便等优点。

5、火花隙开关S2

火花隙开关S2能够有效减小Blumlein PFN脉冲网络回路输出方波脉冲的前沿和后沿时间，极大地改善了输出方波脉冲的时间指标特性，提高等离子体电光开关的使用寿命。

6、辅助充电电阻R2

通过火花隙开关S2两端并联一个千欧姆级的辅助充电电阻R2，既保证了Blumlein PFN脉冲网络回路充电功能实现，又能够保证放电时间特性。

7、同轴电缆

同轴电缆端口采用同轴快插接头，以提高接口处绝缘水平，便于驱动源与负载间的连接。

在本实施例中，驱动源输出阻抗为12.5Ω，输出电压为-21kV，输出脉冲电流峰值为1.7kA左右，纳秒级脉冲峰值功率大于36MW。驱动源中各个元器件的具体取值的方法如下：

1)根据驱动源输出方波脉冲前沿时间，结合电容器的标准参数值，首先初步核算拟选用的单节电容器的电容值Ci。当波形前沿时间较小时，要求单节的LC单元的时间常数要小，电容器的容值选择小一些才能够更好实现前沿时间。例如，脉冲波形前沿时间设计值为40ns时，单节电容器的电容值Ci可以选择1000pF。

2)根据驱动源的输出特性阻抗Z，如：阻抗为12.5Ω，结合公式(1)，初步计算单节电感的电感值Li，其中公式(1)的表达式为：

其中，L表示每组仿真线的总电感值，C表示每组仿真线的总电容值。结合纳秒级方波脉冲的需求，电感值一般为十几至几十纳亨。

3)根据驱动源输出方波脉宽T的时间要求，结合公式(2)，初步计算LC单元的级数n。检查串联级数n的结果，若太大或太小，重复前面的步骤，重新选值计算。其中公式(2)的表达式为：

4)计算每组仿真线中的总电容值C。

5)结合驱动源要求的重复工作频率，计算每组仿真线合理的充电时间常数τ。

6)根据充电时间常数τ和总电容值C，结合公式τ＝RC，计算充电电阻R1的电阻值。根据回路耐压等级和参数，选用RI80型相对应的电阻型号。

7)根据每组仿真线充电回路的充电电流和充电电压，确定高压直流电源V1的参数。

8)火花隙开关S2的动作电压初步调整为15kV左右，后根据实际输出波形形状进行微调。

9)火花隙开关S2的并联辅助充电电阻R2的电阻值选择为10kΩ，既不影响放电波形，又能够保证充电时间特性。在不同的情况下，可综合考虑驱动源的工作频率和放电时间来具体选定R2的阻值，一般在kΩ等级。

10)输出同轴电缆采用特征阻抗为50Ω的标准同轴电缆，采用4根并联，实现12.5Ω特征阻抗匹配要求，以减少纳秒级高压方波脉冲在电缆中传输因阻抗不匹配引起的波形反射和衰减现象。同轴电缆端口采用同轴快插接头，以提高接口处的绝缘水平，便于驱动源与负载间的连接。

上述各个元器件的选型和参数取值仅是作为一种具体的实施例，在满足需求的情况下，可根据实际情况进行相应地调整。

快前沿纳秒高压电光开关驱动源的工作原理如下：

高压直流电源V1通过充电电阻R1为两组单仿真线进行充电。两组单仿真线充电完成后，外部电路控制触发放电开关S1导通，单仿真线中的振荡电容器依次通过放电开关S1谐振放电。在放电波形前沿到达串联的火花隙开关S2处时，由于火花隙开关S2处于断开状态，波形前沿电压低的波形截止，无法通过火花隙开关。当谐振波形电压幅值超过火花隙开关S2的导通电压时，火花隙开关强制击穿导通，高压放电方波依次向下一级LC单元推进。在高压放电波形到达同轴电缆接线处，因为阻抗突变，对称的两组单仿真线叠加方波放电，叠加后的放电电压方波通过同轴电缆传输至负载侧，驱动等离子体电光开关，从而完成一个放电循环。

在上述充电过程中，辅助充电电阻R2保证了当火花隙开关处于断开状态时，既没有较大的dv/dt变化，也没有较大的压降产生，同时保证了高压缓慢充电回路的完整性，即前级高压直流电源通过该辅助充电电阻为后一级LC单元和另一组单仿真线进行高压充电。

在上述放电过程中，火花隙开关S2起到了一个斩波的作用，把低于火花隙开关击穿电压的波形前沿电压稍慢波形截断，通过火花隙开关S2后的方波电压波形前沿变短，从而改善了波形前沿的时间参数。在高压放电波形的后沿处，电压波形幅值降低后，根据负载特性，负载电流急剧降低，低于火花隙开关S2导通的条件后，火花隙开关S2截止，进一步压缩了高压方波后沿时间。火花隙开关S2既保证了典型Blumlein PFN脉冲网络的电路优点，同时陡化了Blumlein PFN脉冲网络输出的高压方波，进一步改善了高压脉冲方波输出指标。

通过实验验证，在不改变方波脉冲波形质量的前提下，本发明中的快前沿纳秒高压电光开关驱动源所输出的高压方波脉冲的波形前沿时间为30ns～40ns，波形后沿时间为60ns～70ns。