专利名称：基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种重复频率高功率超宽谱脉冲发生器，尤其是一种基于SOS (Semiconductor Opening Switch,半导体断路开关)的百kHz超宽谱脉冲发生器。
背景技术：
超宽谱脉冲是指前沿时间小于I 2纳秒、相对带宽超过25%的高压电脉冲。其频谱可以从几十MHz到上GHz。高重复频率超宽谱脉冲(重复频率几十kHz到百kHz ;脉冲宽度亚ns到几个ns)在电子对抗、生物医疗、等离子体产生等领域有着广阔的应用前景，产生高重复频率超宽谱脉冲的关键在于产生快脉冲前沿的高压短脉冲。以气体开关为主开关的超宽谱脉冲源，虽然，功率可以达到几十GW，但受气体绝缘 恢复能力和电极烧蚀等因素的限制，重复频率最高为几kHz，且寿命有限；半导体开关在高重频性能方面具有突出的优势。功率电子器件，如金属氧化物场效应晶体管(M0SFET)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)等，具有高重频、高可靠性、长寿命的特点，但功率容量和开关速度有限，所以，直接利用这类器件很难获得高功率的短脉冲。近十多年发展的一类所谓脉冲功率器件，如快速电离负阻晶体管(FID)、漂移阶跃恢复二极管(DSRD)、半导体断路开关(SOS)等，其重复频率、脉冲功率、开关速度等性能参数得到了很大提闻，使广生闻重频短脉冲成为可能。FID是一种闭合开关，单片工作电压大于2kV，工作电流kA量级，导通时间小于Ins,间歇工作模式下的重复频率达百kHz，开关抖动时间小于50ps。FID器件具有重频高、频带宽、体积小、重量轻，稳定性好等优点，同时极易串并联使用，通过MARX等电路可以产生较高功率的短脉冲，但随着重复频率的增加，功率急剧降低。雪崩二极管和三极管也可以用来产生高重频短脉冲，用法与FID类似，但单片电压更低，产生IOkV以上的高压脉冲非常困难。DSRD和SOS均是断路开关。利用这类开关建立的脉冲发生器的储能方式为电感储能，能量以电流形式储存在电感回路中，开关快速截断，在与之并联的负载上产生高压脉冲。DSRD是1983年I V Grekhov教授提出并实现的一种p+_n_n+结构的二极管,单片工作电压约为lkV，截断电流密度为200A μπΤ2，截断时间O. 5 10ns。DSRD的工作需要双向泵浦电流，由于掺杂浓度只有1014cm_3，DSRD的截断电流的能力并不高。DSRD器件可以通过简单的串并联方式提高工作电压和电流，恢复时间约I μ s，理论上具有MHz重频工作能力。俄罗斯约飞实验室V M Efanov等人1997年利用DSRD串联研制的脉冲发生器NPG-80，输出电压80kV，电流800A，脉冲宽度2ns，脉冲前沿O. 9ns,重复频率IkHz。韩国电工技术研究所GH Rim等人2004年采用饱和直线型脉冲变压器泵浦DSRD，正向泵浦电流200A、200ns，反向泵浦电流500A、50ns，在负载电阻13Ω上获得电压8. 17kV，脉冲宽度6ns，脉冲前沿7ns，重复频率IkHz的脉冲输出。SOS与DSRD具有同样的结构和泵浦截断机制，但SOS在纳秒级时间内可以截断数kA · cm_2的高密度电流。同时，SOS器件的恢复时间小于等于I μ s，理论上同样具有MHz级重频工作能力。俄罗斯电物理所和西北核技术研究所的实验研究表明=SOS正向泵浦电流时间从300 600ns降到35 50ns，反向电流时间从80 IOOns降到10 15ns时，电流截断时间就从5 IOns降到500 700ps。因此，SOS适合产生高功率高重频短脉冲。
基于SOS的重复频率脉冲发生器，一般由初级充电电源、磁脉冲压缩单元、半导体断路开关和负载四个部分组成。俄罗斯电物理研究所2008年研制出基于SOS的重复频率脉冲功率源SM-7N，在125Ω电阻负载上输出电压约50kV，脉冲宽度8 10ns，连续模式下重复频率20kHz，间歇模式下重复频率100kHz，1999年研制出了基于SOS的脉冲功率源SM-3NS，输出电压150 400kV，电流O. 3 3kA，脉冲宽度5. 5 6. 5ns，连续模式下重频300Hz，间歇模式下的最高重频为2kHz，SOS的正向泵浦电流I. 5kA、40ns，反向泵浦电流4kA、15ns，截断时间为O. 6 I. 5ns，整机能量效率低于20%。西北核技术研究所2009年研制出了重复频率20kHz的SOS型全固态脉冲功率源，输出功率为8丽，脉冲宽度约10ns，脉冲前沿约4. 5ns。2009年研制出了 SOS型脉冲功率源SPG100S，磁脉冲压缩系统采用两级 磁饱和脉冲变压器和两级磁开关组成，其中磁开关MS2磁芯材料为铁氧体，线圈匝数为I。SOS的正向泵浦电流825A、60ns，反向泵浦电流I. 3kA、30ns，截断时间约2ns。在125Ω负载上输出电压120kV，脉冲宽度5 6ns，最高重复频率为1kHz，系统能量效率低于10%。现有利用SOS产生高压短脉冲技术存在能量效率低，重复频率和脉冲宽度难以兼得等问题。为了克服上述问题，获得高功率高重复频率的超宽谱脉冲，本发明提出利用LTD快速泵浦SOS产生超宽谱脉冲的方法。LTD为I :1的脉冲变压器，可以在几十ns时间内传输较大的电流，正向泵浦SOS，LTD磁芯饱和，电流反向泵浦S0S，泵浦时间可以短到十几ns，当电流接近最大值时，SOS截断，在负载上直接产生脉冲前沿约Ins的短脉冲。为了提供正向几十ns的脉冲，LTD的初级开关采用工作电压约IkV的射频MOSFET器件，射频MOSFET器件的重复频率可达MHz。利用射频MOSFET作为初级开关的单模块LTD泵浦SOS产生超宽谱脉冲的幅度约为I I. 5kV。为了获得更高的电压，多个模块串接起来，次级为同轴结构，泵浦时间也可以短到十几ns。因此，利用这种方法可以产生电压几十kV，重复频率上百kHz的超宽谱脉冲。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术中基于SOS的脉冲发生器的超宽谱脉冲输出和高重复频率工作问题，提出一种基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器。本发明的技术方案是一种基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器，由多个完全相同的单模块串联构成；各单模块的部件均置于铺覆有绝缘材料层的金属基底上形成层结构；参阅图2、图3，所述单模块的中心为圆柱结构13 ;圆柱结构13外部为环形盒状结构11，两者材料均为导电材料，且两者同轴；环形盒状结构11外部周向均布若干个导电材料的小柱10 ;环形盒状结构11内装有环状的变压器磁芯12 ;单模块的最外周周向均布有若干组由初级储能电容7、M0SFET8和触发器9构成的初级低压快脉冲产生单元2 ;初级低压快脉冲产生单元2内，M0SFET8的栅极与触发器9电连接，M0SFET8的漏极与初级储能电容7的一端电连接，M0SFET8的源极与金属基底电连接，金属基底和初级储能电容7的另一端与环形盒状结构11电连接；
各单模块中心的圆柱结构13及小柱10为共用的贯通结构，且和各层的金属基底电连接；各单模块中M0SFET8的漏极均与充电电源I电连接；各单模块共用的圆柱结构13与泵浦电容4串联后，与S0S5和负载6的并联结构串联，接入小柱10。参阅图1，所述基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器可以等效为依次包括充电电源I、初级低压快脉冲产生单元2、磁饱和直线变压器3、泵浦电容4、S0S5和负载6六个部分的电路。工作原理是充电电源I向初级储能电容7充电，触发M0SFET8开关，通过磁饱和直线变压器3向泵浦电容4充电，脉冲电流时间为几十ns至百ns，并正向泵浦S0S5 ;充电结束时刻，变压器磁芯12饱和，泵浦电容4反向放电并反向泵浦S0S5，由于磁饱和直线变压器3次级为若干小柱10和圆柱结构13组成的同轴鼠笼结构，反向泵浦电流时间可控制在十ns至几十ns范围；在这样的正反向泵浦电流作用下，S0S5的截断时间为亚ns或ns量级，从而当反向泵浦电流达到最大值时，S0S5截断电流，在负载6上形成高压超宽谱脉冲输出。本发明的有益效果是本发明各单模块的最外周周向均布的若干组初级低压快脉冲产生单元2，增大了初级电流输出能力。采用触发器9控制M0SFET8导通关断，产生重复频率百kHz几十ns至百ns脉冲。采用磁饱和直线变压器3，即多个完全相同的单模块串联构成。一方面，可通过增加单模块的串联级数提高输出电压。另一方面，变压器磁芯12饱和后，次级为一个同轴鼠笼式结构10/13，减小了反向泵浦电感，缩短了反向电流泵浦时间，S0S5快速截断电流，在负载6上产生高压超宽谱脉冲。采用初级储能大电容7向次级泵浦小电容4失谐充电方式，一方面在泵浦电容4上得到高电压；另一方面，在相同目标电压下，降低了磁饱和直线变压器3的串联级数，减小了反向泵浦电感，有利于产生超宽谱脉冲。S0S5在正向泵浦电流时间几十ns至百ns、反向泵浦电流时间十ns至几十ns时，截断时间亚ns或ns量级，在负载6上形成高压超宽谱脉冲输出。基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器，可以产生输出电压I 50kV可调，电流100 1000A，脉冲宽度几个ns，重复频率达百kHz。
图I是本发明提出的基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器的电路原理2是单模块结构上视3是图2的A —A剖视中I 一充电电源，2 —初级低压快脉冲产生单元，3 —磁饱和直线变压器，4 一泵浦电容，5 — S0S, 6 —负载，7 —初级储能电容，8 — M0SFET，9 —触发器，10 —小柱，11 —环形盒状结构，12 一变压器磁芯，13 一圆柱结构
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的一种快速泵浦SOS产生超宽谱脉冲的装置做详细描述。实施例I本实施例中的基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器，由I个单模块构成；该单模块、的部件均置于铺覆有FR - 4型号绝缘材料层的铜基底上形成层结构；参阅图2、图3，该单模块的中心为圆柱结构13 ;圆柱结构13外部为环形盒状结构11，两者材料均为铜，且两者同轴；环形盒状结构11外部周向均布8个铜材料的小柱10;环形盒状结构11内装有环状的变压器磁芯12 ;单模块的最外周周向均布有4组由初级储能电容7、M0SFET8和触发器9构成的初级低压快脉冲产生单元；初级储能电容7为150nF ;初级低压快脉冲产生单元内，M0SFET8的栅极与触发器9电连接，M0SFET8的漏极与初级储能电容7的一端电连接，M0SFET8的源极与金属基底电连接，金属基底和初级储能电容7的另一端与环形盒状结构11电连接；该单模块中M0SFET8的漏极与充电电源I电连接；圆柱结构13与8nF的泵浦电容4串联后，与S0S5和阻值100 Ω的负载6并联结构串联，接入小柱10。本实施例中，S0S5在正向泵浦时间约50ns，反向泵浦时间约20ns时，截断时间约1ns，在负载6上得到电压幅值约3. 8kV、脉冲宽度约2ns，脉冲前沿约Ins的超宽谱脉冲输 出，重复频率为IOOkHz。实施例2一种基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器，由10个完全相同的单模块串联构成；各单模块的部件均铺覆有FR - 6型号绝缘材料层的钢基底上形成层结构；参阅图2、图3，所述单模块的中心为圆柱结构13 ;圆柱结构13外部为环形盒状结构11，两者材料均为钢，且两者同轴；环形盒状结构11外部周向均布16个钢材料的小柱10 ;环形盒状结构11内装有环状的变压器磁芯12 ;单模块的最外周周向均布有6组由初级储能电容7、M0SFET8和触发器9构成的初级低压快脉冲产生单元；初级储能电容7为150nF ;初级低压快脉冲产生单元内，M0SFET8的栅极与触发器9电连接，M0SFET8的漏极与初级储能电容7的一端电连接，M0SFET8的源极与金属基底电连接，金属基底和初级储能电容7的另一端与环形盒状结构11电连接；各单模块中心的圆柱结构13及小柱10为共用的贯通结构，且和各层的金属基底电连接；各单模块中M0SFET8的漏极均与充电电源I电连接；各单模块共用的圆柱结构13与O. 56nF的泵浦电容4串联后，与S0S5和阻值50 Ω的负载6并联结构串联，接入小柱10。本实施例中，S0S5在正向泵浦时间约40ns，反向泵浦时间约15ns时，截断时间小于I. 5ns，在负载6上得到电压幅值约10kV、脉冲宽度约2ns、脉冲前沿约I. 5ns的超宽谱脉冲输出、重复频率IOOkHz。
权利要求
1.一种基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器，由多个完全相同的单模块串联构成；各单模块的部件均置于铺覆有绝缘材料层的金属基底上形成层结构； 參阅图2、图3，所述单模块的中心为圆柱结构(13);圆柱结构(13)外部为环形盒状结构(11)，两者材料均为导电材料，且两者同轴；环形盒状结构(11)外部周向均布若干个导电材料的小柱(10);环形盒状结构(11)内装有环状的变压器磁芯(12);单模块的最外周周向均布有若干组由初级储能电容(7)、MOSFET (8)和触发器(9)构成的初级低压快脉冲产生单元；初级低压快脉冲产生单元内，MOSFET (8)的栅极与触发器(9)电连接，MOSFET (8)的漏极与初级储能电容(7)的一端电连接，MOSFET (8)的源极与金属基底电连接，金属基底和初级储能电容(7)的另一端与环形盒状结构(11)电连接； 各单模块中心的圆柱结构(13)及小柱(10)为共用的贯通结构，且和各层的金属基底电连接； 各单模块中MOSFET (8)的漏极均与充电电源(I)电连接；各单模块共用的圆柱结构(13)与泵浦电容(4)串联后，与SOS (5)和负载(6)的并联结构串联，接入小柱(10)。
全文摘要
本发明的一种基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器，属于脉冲功率技术领域。所述脉冲发生器依次包括充电电源、初级低压快脉冲产生单元、磁饱和直线变压器、泵浦电容、SOS和负载六个部分。本发明各单模块最外周均布的若干组初级低压快脉冲产生单元，增大了初级电流输出能力。采用触发器控制MOSFET导通关断，产生重复频率百kHz以上几十ns至百ns脉冲。采用磁饱和直线变压器，即多个完全相同的单模块串联构成。一方面，可通过增加单模块的串联级数提高输出电压。另一方面，变压器磁芯饱和后，次级为一个同轴鼠笼式结构，减小了反向泵浦电感，缩短了反向电流泵浦时间，SOS快速截断电流，在负载上产生高压超宽谱脉冲。采用初级储能大电容向次级泵浦小电容失谐充电方式，一方面在泵浦电容上得到高电压；另一方面，在相同目标电压下，降低了单模块的串联级数，减小了反向泵浦电感，有利于产生百kHz超宽谱脉冲。
文档编号H03K3/02GK102739201SQ201210219150
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者丁臻捷, 方旭, 浩庆松, 潘亚峰, 王刚, 胡龙, 苏建仓, 范菊平, 袁雪林 申请人:西北核技术研究所