一种快沿高频高压脉冲电源的制作方法

本发明涉及一种快沿高频高压脉冲电源，特别涉及一种基于MOSFET器件为驱动与开关控制电路的快沿高频高压脉冲电源，属于高压脉冲电源技术领域。

背景技术：

快速、高压脉冲产生技术广泛应用在激光技术、核物理、高速摄影、测试技术和超宽带雷达等领域。例如在调Q激光器中，Q电光开关的速度，决定着脉冲激光器光能量输出大小与峰值功率，而Q电光开关的速度是由其高压脉冲驱动电源决定的；对于高速摄影技术，稳定、快沿、高压脉冲是提高扫描相机和分幅相机等时间分辨率的保证。高速、高压脉冲作为许多仪器设备的取样脉冲或门控脉冲,是测试技术中提高仪器性能的主要技术指标；快速上升沿的宽带脉冲也是超宽带雷达欲获得宽带发射输出的前提。总之，一个可靠、稳定、高性能的快沿高频高压脉冲电源具有广阔的应用前景。

现有快沿、高压脉冲电源主要分两类：一是基于二次电子发射管、放电间隙开关、触发管、氢闸管等电真空器件的技术；二是基于雪崩三极管和高压场效应管(MOSFET)等的固体器件技术。二次电子发射管优点是重复频率高，触发延迟和晃动小，缺点是脉冲输出电压幅度较低仅有几百伏，且寿命短、不稳定、噪音大；放电间隙开关如火花间隙容易产生千伏以上较大的脉冲幅度和较短的亚纳秒级上升时间，但是重复频率低、晃动大；如中国专利《全自动智能强快沿电磁脉冲发生装置》(CN102323501B)，采用气隙火花开关，可产生上升时间为2.3±0.5ns的单沿脉冲，但其脉宽较窄，不能任意调节，且对于脉冲幅度及重复频率的可调性方面无技术方案公开；触发管工作电压可以达到十几千伏，缺点是触发脉冲电压高，晃动较大；闸流管的工作电压范围可达数百千伏，开关速度纳秒级，重复频率也较高，缺点是晃动较大，体积庞大，如公布号CN104158430A的中国专利《超紧凑型高压纳秒脉冲源》，其总重量接近100kg，同时，以该类器件为核心的装置整体复杂，外围驱动多，降低了可靠性，限制了它的应用范围，如在精度要求高、体积小的场合尤显不足。

在固体器件技术中，雪崩管脉冲源可以产生幅度几十千伏、前沿皮秒级的高压窄脉冲，但因器件自身特点，导致电流驱动能力差，输出脉冲宽度可调性差、重复频率也较低。如中国专利《雪崩晶体管高压方波脉冲发生器》(CN1085024)公开的脉冲发生器重复频率最高为10Hz、最大负载电流为20mA、高压脉冲宽度的可调范围不大于10微秒。尽管有文献报道雪崩管脉冲电源的重复频率可以到几kHz，但几乎不能做到几十kHz以上。同时，由于雪崩管的雪崩工作电压有一个最佳范围，特别是单管的输出电压较低，要提高输出电压必须采用Marx电路与多管串联相结合，受雪崩三极管串联电路内阻的影响，当串联的管子数目增加时，输出脉冲幅度的增加并不明显，且输出电压也很难实现连续可调，因此雪崩管应用于此受到极大的限制。对于MOSFET管作为开关器件的脉冲电源，具备输出脉冲功率较大、单管耐压高、输出电流大、电压幅度和宽度容易调节等优点，但受器件结电容的影响，输出脉冲寄生震荡明显，降低了电路的稳定性与工作频率。如中国专利《一种电光调Q开关驱动电源》，(CN101719624A)中的脉冲电源是采用双MOSFET并联，轮流开关以提高工作频率，但没有涉及如何降低输出脉冲上升/下降时间和提高电路的可靠性等，同时该专利也不能实现脉宽连续可调。中国专利《一种高压方波发生器实现方法》(CN103684360A)，采用雪崩管与MOSFET共同构成高压开关产生高压方波，但其输出电压只有300～1000V、可调脉宽仅10～220μs，在实施例中也没能给出具体的重复频率、占空比以及高压脉冲上升/下降沿时间，其实用性无疑受到限制。中国专利《一种脉宽可调的高压方波发生器及高压方波发生方法》(CN105391428A)，采用MOSFET对管实现高压开关，重复频率可达3.3MHz、上升/下降沿时间为几个ns，但其输出电压只有-200～50V。实用新型专利《一种全固态高压脉冲电源装置》(CN202550918U)，采用大量的MOSFET、IGBT串联及并联开关，但重复频率只有10Hz～1kHz、最大占空比为1％，没能给出具体的高压脉冲上升/下降沿时间，说明该电源不能真正得到快沿高压脉冲。实用新型专利《里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置》(CN203574619U)，仅用于里德堡态场致电离实验中，且只能提供快上升沿的单沿脉冲，快速高压脉冲开关使用BEHLKE公司HTS系列模块化产品，不具有独立的知识产权。2007年Thomas P.Rutten等人在科学仪器评论(《REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS》，Vol.78,P073108)公开一种MOSFET高压脉冲电路，其工作频率也只有1kHz，不能实现脉宽连续可调。2011年Xian-wang Feng等人在科学仪器评论(《REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS》Vol.82,P075102)公开一种MOSFET高压脉冲电路，上升沿较慢(～49.04ns)，最高电压也只有3000V，脉宽与工作的频率是否能连续可调，文献也没能涉及。文献《场效应管高压宽脉宽双快沿脉冲源技术研究》(王欣，中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑，第8期，2005)研究了基于MOSFET管的脉冲源技术，利用高压雪崩管及脉冲变压器组成的“过驱动”电路驱动功率MOSFET管,通过MOSFET开关对负载电容充放电获得脉冲，获得了幅度大于4kV、前后沿均为5ns以下、晃动低于2ns、脉宽大于0.5μs的高压快脉冲。文献采用的特殊大电流“过驱动”电路是一种由雪崩管雪崩产生的脉冲，从测得的脉冲波形看，实际加载在MOSFET栅极的电压总伴随着很大的反向脉冲，这种驱动电压使MOSFET管处于极端工作条件，极易导致MOSFET管损坏。再者，多级MOSFET级联时，每一级由独立的雪崩电路产生脉冲驱动，级联的MOSFET管个数增加，在几个ns内实现雪崩电路同步显然非常困难。所以，该技术不能实现脉宽和频率连续可调，也不能获得更高幅度的高压脉冲，更不能同时实现根据需要灵活输出只有一个是快沿的升压或退压高压脉冲。由于该脉冲生成原理是对负载电容充放电获得，当负载电容值变化较大，或负载不是电容时，如何保证该脉冲源正常工作，该文献并没有给出很好的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种快沿高频高压脉冲电源，具备快速上升/下降沿、重复频率高、脉冲电压高且体积小的固化型特点，特别是电压幅度、脉宽和工作频率连续可调，极大的适应了实际应用对精确化、小型化、固体化和调节方便的快沿高频高压脉冲电源的迫切需求。所述快沿高频高压脉冲电源实现的技术参数包括：最大输出电压10kV、上升/下降时间均小于12ns、脉冲宽度(100ns～直流)连续可调、输出脉冲的重复频率大于1MHz、高压脉冲输出纹波小于1％。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种快沿高频高压脉冲电源，包括供电单元(1)、直流高压单元(2)、信号输入单元(3)、逻辑控制单元(4)、震荡抑制和阻抗匹配单元(5)、前置驱动与隔离单元(6)、高压脉冲输出单元(7)；所述高压脉冲输出单元(7)包括串联的高压开关MOSFET场效应管；所述供电单元(1)将外部输入电源分别转换为5V、12V、24V直流稳压电源，用于分别向直流高压单元(2)、信号输入单元(3)、逻辑控制单元(4)、震荡抑制和阻抗匹配单元(5)、前置驱动与隔离单元(6)、高压脉冲输出单元(7)；所述直流高压单元(2)用于将24V直流经PWM变换和倍压整流后，得到0～10kV连续可调直流高压，用于向所述串联的高压开关MOSFET场效应管供电，所述直流高压单元(2)输出直流电压的幅值等于所述快沿高频高压脉冲电源输出脉冲的幅值；所述快沿高频高压脉冲电源所输出高频高压脉冲的上升沿上升时间小于12ns、下降沿下降时间也小于12ns；所述信号输入单元(3)用于从外部引入标准脉冲和调制信号；其特征在于：

所述逻辑控制单元(4)用于将信号输入单元(3)输入的调制信号转化为上升/下降沿控制信号；逻辑控制单元(4)的数字逻辑门电路由可编程的FPGA实现，内部脉冲信号也由该逻辑控制单元(4)产生，内部脉冲信号与引入的标准脉冲信号之间的切换通过转换开关切换；

所述前置驱动与隔离单元(6)将逻辑控制单元(4)输出的上升/下降沿控制信号进行功率与波形变换，转化为控制所述高压脉冲输出单元(7)中的高压开关MOSFET场效应管导通与关断所需的驱动信号，所述驱动信号呈高瞬间峰起电压值的快沿驱动波形；

所述震荡抑制和阻抗匹配单元(5)包括RLC串并联电路的震荡抑制单元和阻抗匹配单元，所述震荡抑制单元用于防止高压开关MOSFET场效应管的误导通，以及消除高压开关MOSFET场效应管与前级驱动电路间寄生效应产生自激震荡和快沿高频高压脉冲电源输出脉冲的抖动，以及防止高压开关MOSFET场效应管的误导通；

进一步的，震荡抑制单元电路是消除高压开关MOSFET场效应管与前级驱动电路间寄生效应产生高频振荡，阻抗匹配单元实现直流高压单元(2)的内阻调整、前置驱动与隔离单元(6)与高压脉冲输出单元(7)以及高压脉冲输出单元(7)与负载间的阻抗匹配，降低这些单元电路间阻抗特性差异对开关速度的影响；

为了保证电路的正常可靠的工作，该控制信号必须保证上升、下降沿高压开关不能同时导通，逻辑控制单元(4)由数字逻辑门实现，内部脉冲信号也由该部分电路产生，内部与外部脉冲信号的切换通过转换开关实现；

进一步的，所述上升和下降沿的前置驱动与隔离单元电路是将控制逻辑电路输出的上升、下降沿控制信号进行功率与波形变换，以满足驱动高压开关MOSFET场效应管的电压和电流需求，由于高压开关MOSFET场效应管栅极输入电容的充放电速度决定着其开关速度，这就要求栅极驱动电路必须能输出瞬间大电流以及具有较快前沿的驱动脉冲，因此前置驱动电路必须使输出的驱动脉冲具有较高瞬间峰起电压值的脉冲，才可为高压开关MOSFET场效应管栅极提供瞬间大电流，以提高高压开关MOSFET场效应管的开关速度，同时采用平衡法减弱密勒效应的影响；

所述高压脉冲输出单元(7)的上升和下降沿开关工作过程是：当上升沿开关导通后，输出端连接到直流高压单元(2)，输出高电压，形成输出高压脉冲的上升沿；当下降沿开关导通后，输出端连接到地，输出低电压，形成输出高压脉冲的下降沿，该部分电路根据输出脉冲幅度的大小及所选高压开关MOSFET场效应管耐压值的大小，确定高压开关MOSFET场效应管串联的个数。前置驱动电路与高压开关MOSFET场效应管间通过脉冲变压器隔离耦合，这种耦合方式既可实现对每个高压开关MOSFET场效应管的独立驱动，便于级联，又可实现低压侧和高压侧电路的直流电隔离。

如上所述一种快沿高频高压脉冲电源，其特征在于：所述快沿高频高压脉冲电源的输出高压脉冲的上升沿和下降沿时间均小于12ns，可根据需要只使用单一的上升沿或下降沿，构成只有一个是快沿的升压或退压高压脉冲。其有益效果是：利用逻辑控制单元(4)中FPGA的可编程特点，可灵活实现输出高压脉冲波形的功能控制和转换。

如上所述一种快沿高频高压脉冲电源，其特征在于：所述逻辑控制单元(4)转化为高压脉冲输出单元(7)的上升/下降沿控制信号，经前置驱动与隔离单元(6)进行功率与波形变换后，再各自分开驱动高压开关MOSFET场效应管的导通和关断。

如上所述一种快沿高频高压脉冲电源，其特征在于：所述高压脉冲输出单元(7)由多级串联的上升、下降沿变压器隔离耦合MOSFET高压开关电路构成，所述MOSFET管的偏置电压由高压电容分压产生，每个高压开关MOSFET场效应管的栅极经隔离脉冲变压器独立驱动。且隔离脉冲变压器初级并联，连接至同一前置驱动单元输出驱动，有利于串联级数的增减。

如上所述一种快沿高频高压脉冲电源，其特征在于：所述信号输入单元(3)输入脉冲信号一致，即输出高压脉冲的脉宽、频率随着引入至信号输入单元(3)输入端的标准脉冲信号的变化而变化，输出高压脉冲幅值根据负载需要0～10kV连续可调。

如上所述一种快沿高频高压脉冲电源，其特征在于：所述前置驱动与隔离单元(6)包括：双极型晶体管推拉式驱动电路、大功率MOSFET管Q1、加速二极管D1，所述加速二极管D1正极与大功率MOSFET管Q1的栅极连接，负极与双极型晶体管Q2、Q3的发射极相连，还有提高大功率MOSFET管Q1关断速度的电阻R4连接在栅极与地之间，大功率MOSFET管Q1的源极与地之间串联有电感L1，大功率MOSFET管Q1的漏极out端直接连接到脉冲变压器输入(Plusein)端。其有益效果是：所述电感L1与大功率MOSFET管Q1的结电容、后接负载脉冲变压器的阻抗共同构成的脉冲波形变换功能，使前置驱动电路输出的驱动脉冲具有较高瞬间峰起电压值，配合减小栅极的连接阻抗，为高压开关MOSFET场效应管栅极提供瞬间大电流，从而加速其导通。

本发明的有益效果是：

1)本发明快沿高频高压脉冲电源具有精确化、小型化、固体化和调节方便的特点。

2)本发明快沿高频高压脉冲电源的频率从直流～1MHz、脉冲宽度100ns～直流连续可调，可满足不同频率与脉宽的驱动需求，适应性强。

3)本发明快沿高频高压脉冲电源的脉冲输出幅度连续可调，最大输出电压幅度为10kV，负载能力强，可满足不同电压与负载的驱动需求。

4)本发明快沿高频高压脉冲电源输出脉冲上升/下降沿的上升/下降时间、抖动时间短。

附图说明

图1是本发明的基本结构示意图；

图2是本发明的前置驱动单元(6)电路图；

图3是本发明实施例测得的具有较高瞬间峰起电压值的MOSFET开关快沿驱动波形图；

图4是本发明的高压脉冲输出单元(7)——变压器隔离耦合MOSFET高压开关电路图；

图5是本发明实施例测得的占空比为1:1时的快沿高频高压脉冲波形图；

图6是占空比为1:4时的快沿高频高压脉冲波形图；

图7是本发明实施例快沿高频高压脉冲上升沿波形；

图8是本发明实施例快沿高频高压脉冲下降沿波形。

图中的标记说明：图1中：1—供电单元、2—直流高压单元、3—信号输入单元、4—逻辑控制单元、5—震荡抑制和阻抗匹配单元、6—前置驱动与隔离单元、7—高压脉冲输出单元、“→”代表导线与信号流向。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明,为了使本发明实现的技术手段、特征与功效易于理解，将结合图示，阐述本发明本实施例的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的一个具体实施例快沿高频高压脉冲电源实现的技术参数如下：

最大输出电压10kV；

上升/下降时间均小于12ns；

脉冲宽度(100ns～直流)连续可调；

输出脉冲的重复频率大于1MHz；

高压脉冲输出纹波小于1％。

根据本发明的快沿高频高压脉冲电源装置在脉冲上升/下降时间、脉冲宽度、重复频率方面的优异表现，是传统的脉冲电源所不能实现的。

参考图1所示，本发明提供一种快沿高压高频脉冲电源，包括：供电单元1、直流高压单元2、信号输入单元3、逻辑控制单元4、震荡抑制和阻抗匹配单元5、前置驱动与隔离单元6、高压脉冲输出单元7；所述高压脉冲输出单元7包括串联的高压开关MOSFET场效应管；供电单元1将外部供电转变为5V、12V、24V稳定的直流电压，5V为FPGA控制逻辑电路供电，12V为前级驱动电路供电，24V为直流高压源供电。所述直流高压单元2将24V直流经PWM变换和倍压整流后，得到0～10kV连续可调直流高压，用于向所述高压开关MOSFET场效应管构成的高压脉冲输出单元7供电，所述直流高压单元2输出直流电压的幅值等于所述快沿高频高压脉冲电源输出脉冲的幅值。

逻辑控制单元4将信号输入单元3输入的外部调制信号转化为高压脉冲输出单元7中高压开关MOSFET场效应管的上升、下降沿控制信号，经前置驱动与隔离单元6进行功率与波形变换后，以控制驱动高压开关MOSFET场效应管的上升、下降沿导通或关断。为了保证电路的正常可靠的工作，该控制信号必须保证上升、下降沿高压开关MOSFET场效应管不能同时导通。逻辑控制单元4由数字逻辑门构成，内部脉冲信号也由该部分电路产生，内部与外部脉冲信号的切换通过转换开关实现。逻辑控制单元4的数字逻辑门电路由FPGA实现，同时利用FPGA的可编程特点，内部脉冲信号也由该部分电路产生，内部与外部脉冲信号的切换通过转换开关切换。

震荡抑制和阻抗匹配单元5的电路由电阻、电感和电容构成，对电路中因寄生效应产生的震荡、电路开关时的浪涌进行抑制，消除非控制驱动信号引起的高压开关MOSFET场效应管误导通。同时通过调整电路中这些元件的参数与串并联方式，实现逻辑控制单元4电路、前置驱动与隔离单元6、高压脉冲输出单元7、负载之间的阻抗匹配，满足驱动电路的功率需求和提高开关的速度。

参考图2，前置驱动与隔离单元6上升沿和下降沿低压前置驱动电路完全相同，主要将逻辑控制单元4输出的上升、下降沿控制信号进行功率与波形变换，以满足驱动高压开关MOSFET场效应管的电压和电流需求。前置驱动主要由双极型晶体管推拉式驱动电路与大功率MOSFET管Q1组成，这种电路对控制电流毛刺、功率损耗有效，同时双极型晶体管的结电容小，有利于提高开关速度。由于MOSFET管的栅极输入电容的充放电速度决定着其开关速度，这就要求栅极驱动电路必须能输出瞬间大电流以及具有较快前沿的驱动脉冲。电路中D1是大功率MOSFET管Q1导通的加速二极管，R4电阻用以提高Q1的关断速度。电感L1与大功率MOSFET管Q1的结电容、后接负载脉冲变压器的阻抗共同构成的脉冲波形变换功能，使前置驱动电路输出的驱动脉冲具有较高瞬间峰起电压值，配合减小栅极的连接阻抗，为高压开关MOSFET场效应管提供瞬间大电流，从而加速其导通。通过调整电路参数，在脉冲变压器输出端(高压开关MOSFET场效应管的栅极)实测到如图3所示，由图3可看出前置驱动电路输出的是具有较高瞬间峰起电压值的较为理想的快沿驱动波形。

如图4所示，由高压开关MOSFET场效应管器件构成的高压脉冲输出单元7电路，高压端上升沿与下降沿开关电路组成元器件与参数完全相同。图4中变压器隔离耦合高压开关MOSFET场效应管电路图中的Pluse in端直接与图2中的前置驱动电路中输出OUT端相连。当高压端上升沿开关导通后，输出端将连接到直流高压单元2，输出高电压，形成高压脉冲前沿(输出高压脉冲的上升沿)；当下降沿开关导通后，输出端将连接到地，输出低电压，形成高压脉冲后沿(输出高压脉冲的下降沿)。在实际使用时，根据需要只使用单一的上升沿或下降沿，构成只有一个是快沿的升压或退压高压脉冲。前置驱动与隔离单元6的控制驱动输出脉冲用脉冲变压器耦合至高压开关MOSFET场效应管的栅极，这种耦合方式，既可实现对每个高压开关MOSFET场效应管的独立驱动，又可实现低压侧和高压侧的电隔离。该部分电路根据输出脉冲幅度的大小及所选MOSFET场效应管耐压值的大小，确定MOSFET场效应管串联的个数，各高压开关MOSFET场效应管偏置电压由高压电容分压产生。本实施实例中选用STF3NK100Z场效应管，其耐压值是1000V，当需要输出6kV的幅值脉冲时，上升沿与下降沿开关电路需6只STF3NK100Z场效应管串联。输出10kV的幅值脉冲时，只需10只STF3NK100Z场效应管串联即可。本发明的工作过程如下：

直流高压单元2将24V供电电压经PWM变换和倍压整流后，得到0～10kV连续可调的直流高压，且正极与上升沿高压开关MOSFET场效应管相连。当外部引入的标准脉冲、调制信号或内部脉冲信号输入到由FPGA构成的逻辑控制单元4电路时，该电路将输入信号的上升沿转化为一定宽度的上升沿高压开关电路控制信号，经前置驱动与隔离单元6进行功率与波形变换后，控制驱动上升沿高压开关MOSFET场效应管导通，使输出端连接到直流高压单元2的正极端，形成高压脉冲前沿(输出高压脉冲的上升沿)，输出高电压，并保持到下降沿开关的导通。当输入信号变为低电平时，逻辑控制单元4电路将该信号下降沿转化为一定宽度的下降沿高压开关电路控制信号，控制驱动下降沿高压开关MOSFET场效应管导通，形成高压脉冲后沿(输出高压脉冲的下降沿)，使输出端连接到地，并一直保持到下一个上升沿开关的导通。这样在上升与下降沿控制信号的控制下，经前置驱动生成所需驱动波形，控制驱动上升与下降沿高压开关MOSFET场效应管轮流导通，使输出端轮流连接到直流高压单元2高压源的正极或地，输出一定宽度与幅度的快沿高频高压脉冲。电路中采用了震荡抑制和阻抗匹配电路，结合有较高瞬间峰起电压值的较为理想的快沿驱动脉冲波形，既可实现对干扰的抑制，又可提高高压开关MOSFET场效应管的开关速度，保证了高压开关MOSFET场效应管快速无误的导通与关断，从而输出快沿高频高压脉冲。

本发明实施例中，输出快沿高频高压脉冲的脉宽、频率与输入的脉冲信号一致，仅延迟约120ns。快沿高频高压脉冲波形的占空比、幅度和频率连续可调，图5、6所示为实测结果，输出高压脉冲采用分压测试。输出快沿高频高压脉冲的上升和下降沿时间均小于12ns，实测结果如图7和图8所示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上下”、“左右”、“厚度”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。