专利名称：高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器的制作方法
高腿、高速、高脉冲重复率脉冲发生器
狱领域
5 本发明一il^涉及电功率转换，具体而言涉及一种使用软切换和脉冲整形技
术的高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器。 背景駄
能够以高电压、高速、和高脉冲重复率进行操作的发生器一般使用射频 (RF)功率放大器和相关技术以完成高电压、髙速和高脉冲重复率产生和传输。 10戶脱RF功率放大器生产昂贵，并且由于在高脉冲重复率产生期间内部的生热 性，在可靠性方面也有问题。RF功率放大器需要不动产，这是不想希望的，并 且一鹏有低的电效率。船卜，尤其，由于繊耗的原因，RF功率放大器狱 也不 别适合于高脉冲重复率的产生。
,一种高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器以解决与RF功率放大 15器相关联的高脉冲重复率限制，这是有利和有益的。如果在短路和开路负载状 态期间，在不损害高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器的情况下，该脉冲 发生器會嫩,操作，那么也将也是有利的。
发明内容
简要地，根据一个实施例，^i共一种用于产生高电压、高速、高重复率脉 20冲的脉冲发生器。该脉冲发生器包括
逆变器，被隨为将DC电压转换为高频率AC电压； 转换器，被1SS为响应于AC电压而作为一种AC电流源操作；以及 电压整形部分，被配置为响应于AC电流源所产生的AC输入电流而产生 高电压、高速、高重复率电压脉冲。
25 根据另一实施例， 一种产生高电压、高速、高重复率电压脉冲的方、皿括:
转换DC电压成为高频AC电压；
响应于AC腿而产生AC电流以及
响应于AC电流而产生高电压、高速、高重复率^E脉冲。
根据又—实施例，脉冲发生器包括
30 用于转换DC电压成为高频AC电压的^S;用于响应于AC电压而产生AC电流的装置；以及 用于响应于AC电流而产生高电压、高速、高重复率电压脉冲的装置。
当参考附图而阅读以下细节描述，本发明这些和其他特征、以及优点将变
5得更好理解，齡附图中糊以的字符^^相似部分，其中
图1说明了根据一实施例的软切换、脉冲整形发生器的简化电路图； 图2说明了根据一实施例的用于产生高电压、高速、高重复率电压脉冲的
方法典型步骤的流程图3详细说明了根据一实施例的软切换、脉冲整形发生器的电路图； io 图4说明了根据一实施例，在图3所示发生器的稳，作期间的操作电路
电压和电流的一组波形；
图5说明了根据一实施例，在图3所示发生器的短路负载状态期间，操作 电路电压和电流的一组波形；以及
图6说明了根据一实施例，在图3所示发生器的开路负纖态期间，操作
15电路电压和电流的一组波形。
如讨论中所注释的那样，尽管以上标识的用于阐述本发明的可选实施例、 其他实施例的附图也被考虑到，但是，在所有的情况中，该公开内容通过呈现 而非限制性地提供本发明的说明性实施例。本领職术人员能够设计出落A^ 发明原理的范围和衞申内的许多其他修改和实施例。
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具体实施例方式
首先描述图1和图2以^#^助于 与以下描述图3相关联的讨论 的背景。现在看图l，简化的电路图说明了根据一实施例的基本软切换、脉冲整 形电路体系结构IO。电路10包括跨导放大器12,其响应于输入电压脉冲13而 用作为一种电流源。
25 与钳位二极管16相结合的MOSFET设备141操作为一种脉冲整形电路 以产^i^期望负载18上的方形，形电压脉冲。起因于用于驱动脉冲整形 电路的电流源，电路10相对于短路和幵路负载而言是耐用的(robust)。
以软切换模式使MOSFET设备14导通的方^S制MOSFET设备14的 门输入驱动。随着切换频率增加，软切 少与MOSFET开关设备14相关的
30切换损耗。软切换和脉冲整形的组合允许电路10操作为一种相对于开路和短路负We说是耐用的高电压、高速、高重复率脉冲发生器。
图2说明了根据一实施例的用于产生高电压、高速、高重复率^J1脉冲的 方法典型步骤的流程图20。该方'M31提供块22所^的初级DC输入电压开 始。然后DC输入腿经由逆变器以产生高频(例如25MHz) AC电压，如方 5块24所示。如方块26所示，将AC电压转换为电流源以产生AC电流。如图1 所描述的那样，当4顿纯电压源来驱动动态负载18时候，ffiMJI^无法实现的 电流限制手段，而使得电流源允许脉冲发生器以耐用的方式运作。然后，AC电 流驱动电压整形电路以产生方形，形输出^H脉冲，如方块28所示那样。
图3详细说明了根据一实施例的软切换、脉冲整形发生器30的电路图。发 io生器30的电路体系结构允许发生器30产生高电压、高速和高重复率的电压输 出脉冲。
兽鄉看到，发生器30包括逆变器40、转换器50和脉冲整形部分60。逆变 器40包括第一储能电路，其包括共同具有固有谐振频率的电容器C1和电 器Ll 。如图3所示，逆变器40也鄉上部软开关42,其一端连接在正DC电
15压源32并且其相对端连接到电容器CI 0上部软开关42以软切换模式进行操作 以经由门驱动元件43雜制幵-关切换操作。用于限制下部开关46上的电压 的钳位二极管44倉辦是开关42的寄生体二极管。并且如图3所示，逆变器40 也包括下部软开关46，其一端连接到发生器地34,其相对端连接到电容器C1。 下部软开关46以软切换模式进行操作以经由相应门驱动元件47 ，制开一关
20切换操作。用于限制上部开关42上的电压的钳位二极管48肖辦是开关46的寄 生体二极管。配置上部软开关42和下部软开关46以至于当下部软开关46断开 时战软开关42导通，fet亦然。每一开关42、 46根据一实施例以软切换模 式在等于或高于由电容器C1和电感器L1构成的储能电路的固有谐振频率的高 频率下操作，所述高频率诸如例如25MHz。
25 育辦看出转换器50也具有包括电，C2和电 L2的储能电路(第二
储能电路)。在一实施例中，逆变器40的第一储能电路和转换器50的第二储能 电路被配置以致于C1和L1共同的谐振频率具有与包括C1组合C2以及L1组 合L2的组合储能电路的谐振频斜胴。在切换M期间，该配置基本上允许将 包括电容器C1和电感器L1的第一储能电路中所存储的所有會遣传i^抱括电
30容器C2和电繊L2的第二储能电路。该配置也允许电流加倍，以致于在切换M期间，^^^i^L2的離电^^上是灕5电繊Ll的離电流的两倍。 !^实施例，第三开关52经由门胸53以软七激附I^^作并且与Z^f54、 1管56和鹏电織C2和电麟L2的第二储能,且合以产生艇电繊L2 的AC电流。尽管齐纳(Zener) 1及管J^m的，《Ml^S^54肖辦是开关52的 5寄生体r^赠。然后，图3中负载RL从由电麟L2碰的肯遣中接收欺婢并且 fflffl^！ 40禾啭 50与DC ^BE源隔离。该隔离1ttiE辩哋允许发生器30
驱^^负载，戶;ft^负载肯^MW开路之间e^且倉^^繊作 期|、日1^&和开路條之间任意部分 负载。
发生器30进一步包括脉冲整形部分60，其被ges以有效地驱动动态被
10的负载并且响应^^电繊L2的能量以产生方微舰形电压脉冲。脉冲整形 部，括软开关62并且经由门驱动元件64以软切换的模式操作。在切换M 期间，所述软开关62与二极管66和68 —起工作以产生方形或矩形电压脉冲。 在雜动态改变负载状况时，先前的谐振频率切换处理在高频(MHz范围)处 有利鹏供了纯腿切换。
15 图4说明了根据一实施例，在图3所示发生器30的稳态操作期间的操作电
路电压和电流的一组波形。上部波形说明了由发生器30产生的高压(大约1000 伏特)、高频(MHz范围)和高重复率输出电压脉冲。中间的波形说明了由发 生器30所实现的峰值电流加倍。下部波形说明了在脉冲发生器30的正常稳态 操作期间流经逆变器、转换器和脉冲整形开关的AC电流。
20 图5说明了根据一实施例，在图3所示发生器30的短路负载状态期间，操
作电路电压和电流的一组波形。短路操作波形说明了即使在输出处短路负载期 间的脉冲发生器30的操作能力。该波形表明脉冲发生器30在没有起因于电流 限律l將征的樹可不利作用下继繊作。
图6说明了根据一实施例，在图3所示发生器30的开路负载状态期间，操
25作电路电压和电流的一组波形。开路操作波形说明了即使在发生器输出处开路 负载期间的脉冲发生器30的操作能力。该波形表明脉冲发生器30即使在开路 负载期间，在没有起因于电流限帝將征的任何不利作用下也继续操作。
尽管 仅仅说明和描述了本发明的某對寺征，但是本领域技术人员将想 到许多修改和改变。所以应该理解，所附权禾腰求用于覆盖落A^发明实际精
30神内的所有所述修改和改变。元件列表
10:软切换，脉冲 电路 12:跨导放大器 13:输入^TO冲
14: MOSFET设备
16:钳位二极管 18:负载 20:繊图
22:,初级DC输入电压
24:经由逆变謝专递初级DC输入电压以产生高频AC电压
26:转换AC电压为电流源以产生AC电流
28:响应AC电流经由电压整形而产生输出^rac冲
30:软切换，脉冲整形发生器
32: DC畅源
34:发生器地 40:逆变器 42:上部软开关 43:门驱动元件 44:钳位二极管 46:下部软开关 47:门驱动元件 48:钳位二极管 50:转换器 52:第三开关 53:门驱动元件
54:齐纳(Zener) 二极管
56: 二极管 60:脉冲整形部分 62:软开关 64:门驱动元件66: 二极管 68: 二极管
权利要求
1、一种脉冲发生器(30)，包括逆变器(40)，被配置为转换DC电压成为高频AC电压；转换器(50)，被配置为响应于AC电压而作为AC电流源操作；以及电压整形部分(60)，被配置为响应于AC电流源所产生的AC输入电流而产生高压、高速、高重复率电压脉冲。
2、 根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中逆变器(40)包括一对高压 开关(42)、 (46),每一开关被配置为以软切换的模式与相应钳位二极管(44)、10(48)组合操作以产生高频AC电压。
3、 根据权利要求2的脉冲发生器(30),其中经由相应的门驱动元件(43)、 (47)驱动每一高压开关(42)、 (46)以致于每一高压开关(42)、 (46)以软切换的模，作。
4、 根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中转换器(50)包括高压开关 15(52),其被ieS为以软切换的模式与相应的钳位二极管(54)组合操作以产生AC输入电流。
5、 根据权利要求4的脉冲发生器(30)，其中经由相应的门驱动元件(53) 驱动转换器高压开关(52),以致于转换器高压开关(52)以软切换的模式操作。
6、 根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中脉冲整形部分(60)包括高 20压开关(62),其被隨为以软切换的模式与相应钳位二极管(66)组合操作以产生高压、高速、高重复率电压脉冲。
7、 根据权利要求6的脉冲发生器(30)，其中经由相应的门驱动元件(64) 驱动脉冲整形部分高压开关(62)，以致于脉冲 部分高压开关(62)以软切 换的模式操作。
8、根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中逆变器(40)和转换器(50)每一个都包括LC储能电路， 变器和转换器切换模式期间，该储能电路一起 被配置以将逆变器储能电路所存储的所有能量基縣移到转换器储能电路。
9、根据权利要求1的脉冲发生器(30)，其中逆变器(40)和转换器(50) 每一个都包括LC储能电路，该储能电路一起被配置以致于縱5转换器电感器L30的峰值电流基本上是流^I变器电感器L的峰值电流的两倍。
10、根据权利要求1的脉冲发生器(30),其中ISS脉冲整形部分(60)以 响应于AC电流源(50)所产生的AC输入电流来产生方形，形高压、高速、 高重复率电压脉冲。
全文摘要
一种高电压、高速、高脉冲重复率脉冲发生器，解决了与RF功率放大器相关联的高脉冲重复率限制。该脉冲发生器(30)使用谐振技术以提供电流限制特征，其允许在短路和开路负载状况期间，在损害脉冲发生器(30)的情况下，脉冲发生器(30)继续高压、高速、和高重复率操作。
文档编号H02M7/537GK101453174SQ20081016860
公开日2009年6月10日 申请日期2008年9月5日 优先权日2007年9月6日
发明者A·杨西, F·J·J·米勒, F·陶, J·S·格拉泽, J·T·莫索巴, R·C·默里, S·G·萨杜希 申请人:通用电气公司