一种纳秒陡脉冲小型发生器的制作方法

本发明涉及一种脉冲发生装置，具体涉及一种纳秒陡脉冲小型发生器。

背景技术：

电声脉冲法广泛应用于聚合物材料中空间电荷、介质老化、瞬态击穿等问题的研究，缺少高性能的脉冲发生器是限制目前测量技术进步的主要阻碍。作为电声脉冲法测量聚合物材料特性的核心组件，脉冲发生器必须产生高重复频率、几纳秒脉冲级别的陡脉冲才能实现高速、灵敏、精确的测量。提高脉冲发生器性能一直是电声脉冲法的研究热点和难点，主要因素在于高的重复频率会导致高耗散功率，电路布局、封装屏蔽技术对脉冲的幅值、脉宽、波形影响甚大，目前现有的脉冲发生器很难达到这样的技术目标。

为了实现脉冲发生器产生高频率、纳秒陡脉冲的目标，国内外学者采用微分电路、峰化电路、脉冲形成线等技术实现窄脉冲的发生，其中脉冲形成线技术形成的方波较微分电路、峰化电路更为方整，其中又以Blumlein传输线的使用最为广泛。

在现阶段，已经有用于产生如此高频率、纳秒陡脉冲的工业级脉冲发生器模块，但是此类模块在使用过程中必须辅以高压直流源、5V直流偏置电源以及相配套的电阻、电容。更为制约的是，该模块发热受外接电阻、电容、杂散电阻、杂散电容以及封装屏蔽技术的影响尤为明显，若是电阻、电容选择不当，电路布局不够优良，不仅不能将该模块的性能全部展现出，还极易由于发热功率太大、散热不足造成模块损坏。为实现方便使用电声脉冲法测量聚合物绝缘材料性质，迫切需要研制一种成套的高性能、高重复频率、纳秒陡脉冲发生器。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种纳秒陡脉冲小型发生器，该发生器集成多个模块，并且运行稳定可靠，具有较高的重复频率，能够实现装置小型化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

包括设置于同一个盒体内的整流模块、斩波模块、固态开关、直流偏置模块、脉冲信号发生器以及散热模块；所述盒体的内部空间通过屏蔽板分隔为三个区域，且用于形成固态开关所需高压直流电源的整流模块和斩波模块位于第一区域，所述的固态开关单独位于第二区域，直流偏置模块、脉冲信号发生器以及散热模块位于第三区域；所述的整流模块和斩波模块串联后经过限流电阻连接固态开关，固态开关并联有作为储能单元的储能电容；脉冲信号发生器接地并联防止信号在始端反射的匹配电阻，直流偏置模块接地并联用于减小电压脉动的匹配电容；固态开关的输出端通过同轴电缆连接负载电阻及负载电容，并输出脉冲。

所述的散热模块包括吸气式散热器以及水冷散热器。

所述固态开关的输出端连接用于抑制噪声的降噪电阻和降噪电容。

所述的限流电阻采用1～10K欧姆的金属膜电阻，匹配电阻采用50欧姆的金属膜电阻，匹配电容采用10uF的电解电容，降噪电阻采用0～50欧姆的金属膜电阻，降噪电容采用0～100pF的陶瓷电容，储能电容采用22nF的陶瓷电容，负载电阻采用50欧姆的金属膜电阻，负载电容采用40pF的陶瓷电容，同轴电缆的特征阻抗为50欧姆。

所述的固态开关外接用于缓和输出电压的第一附加电容和第二附加电容。

所述整流模块输入220V的交流电，输出24V的直流电；斩波模块输入24V的直流电，输出8000V的直流电。所述脉冲信号发生器采用工作电压为5V-10V、驱动电流为1.0A、占空比调节范围为5％-95％、频率范围为200Hz-3000Hz的N555触发模块；直流偏置模块的输入电压为24V，输出电压为5V。所述固态开关的设计参数为：8000V直流输入电压，3V-6V触发电信号，5V直流偏置电压，输出为5ns窄脉冲。

所述的固态开关采用德国BEHLKE公司生产的HTS-50-08型号开关。

所述的盒体以及屏蔽板均通过铝材制作而成。

与现有技术相比，本发明通过将整流模块、斩波模块、固态开关、直流偏置模块、脉冲信号发生器以及散热模块设置于同一个盒体内，实现了脉冲发生器的小型化，从整体上提高了脉冲发生器的集成度，尤其是将直流高压源进行内置化处理，使用方便。盒体的内部空间通过屏蔽板分隔为三个区域，固态开关工作时需要良好屏蔽的空间环境，而整流模块和斩波模块在工作时会对周围环境产生电磁干扰，散热模块的电机在运行过程中也会对周围产生电磁干扰，将固态开关单独隔离出来，保证各模块的正常、高效运转。此外，固态开关工作于高重复频率时，会由于电容的反复充电、放电过程产生热量，同时由于电路中的电阻产生焦耳热损耗，固态开关产生的巨大热量不仅会限制其性能的充分发挥，以致不能产生所需的高重复频率纳秒陡脉冲，甚至会因为过热而造成器件的烧毁或者击穿。通过散热模块实现固态开关及装置整体的散热，保证器件工作于合理的温度，同时最大限度的发挥器件性能。

附图说明

图1本发明各模块连接结构框图；

图2本发明各模块的空间布局示意图；

图3本发明整体电路连接示意图；

附图中：1-整流模块；2-斩波模块；3-固态开关；4-直流偏置模块；5-脉冲信号发生器；6-散热模块；R₁-限流电阻；R₂-匹配电阻；C₁-匹配电容；C₂-第一附加电容；C₃-第二附加电容；C_B-储能电容；C_BP-降噪电容；R_S-降噪电阻；R_L-负载电阻；C_L-负载电容。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明针对电声脉冲法研究聚合物材料中使用的高集成度、内置高压源、高重复频率纳秒陡脉冲小型发生器，包括整流模块1、斩波模块2、脉冲信号发生器5、直流偏置模块4、固态开关3、散热模块6，其中固态开关3采用德国BEHLKE公司HTS-50-08型号的开关，散热模块6采用吸气式散热器、导流板以及水冷散热系统。整流模块1的设计参数为：输入220V交流电，输出为24V直流电；直流斩波模块的设计参数为：输入为24V直流电，输出为8000V直流电；脉冲信号发生器5采用N555触发模块，其设计参数为：工作电压5V-10V，驱动电流1.0A(集电极开路输出)，占空比调节范围5％-95％，频率范围200HZ-3000Hz；直流偏置模块4的设计参数为：输入24V，输出5V；固态开关3的设计参数为：输入8000V高压直流电，3V-6V的触发信号，5V直流偏置，输出为5ns的窄脉冲；散热模块6的设计参数为：220V交流供电，2300转/分钟的吸气式散热器。交流220V经过整流模块转换为直流24V，通过斩波模块2将24V直流电升压为8000V直流电，作为固态开关3的高压直流源输入；脉冲信号发生器5为固态开关3提供一个触发电压；5V直流模块将24V直流降压为5V，为固态开关3提供一个辅助电压；铜排粘附于固态开关3的背部，将水管至于铜排间隙，水管末端接一风扇辅助散热，同时在装置背部接吸气式散热器以进一步提升散热能力。

参见图2，本发明脉冲发生器由整流模块1、斩波模块2、固态开关3、直流偏置模块4、脉冲信号发生器5以及散热模块6共计六个模块组成。装置的内部空间分为三个区域，装置壳体以及各分割面均为铝板材，仅在需要位置开小孔以穿过导线实现各模块的连接。

第一区域为整流模块1、斩波模块2，用以形成固态开关3所需的高压直流电源，但在运行过程中会对固态开关3产生电磁干扰，因此要将整流模块1、斩波模块2与第二区域中的固态开关3用铝板隔开。第二区域为固态开关3，固态开关3在使用过程中易受外界电磁环境的干扰，所以必须尽可能的提升该区域的封闭性。第三区域包括直流偏置模块4、脉冲信号发生器5、散热模块6共计三个模块。铜排紧贴固态开关3，铜排的间隙布置水管，水管末端接小型电风扇来加快散热，使用吸气式散热器提高装置散热效果，因为散热模块6与外界环境相接，电机在运行过程中会对周围产生电磁干扰，所以将第二区域与第三区域充分隔离。

参见图3，本发明整流模块1和斩波模块2串联之后经过限流电阻R1连接固态开关3，固态开关3并联有作为储能单元的储能电容C_B；脉冲信号发生器5接地并联有防止信号在始端反射的匹配电阻R₂，直流偏置模块4接地并联有用于减小电压脉动的匹配电容C₁；固态开关3的输出端通过同轴电缆连接负载电阻R_L及负载电容C_L，并输出脉冲。

限流电阻R₁为1～10K欧姆的金属膜电阻；

匹配电阻R₂为50欧姆的金属膜电阻，实现始端阻抗匹配，避免信号在始端的反射；

匹配电容C₁为10uF的电解电容，与5V偏置电源并联，以减小5V电压的脉动；

第一附加电容C₂和第二附加电容C₃为数值非常小的电容，用以缓和输出电压；

降噪电阻R_S采用0～50欧姆的金属膜电阻，与降噪电容C_BP配合，以减小、抑制噪声；

降噪电容C_BP采用0～100pF的陶瓷电容，与降噪电阻R_S配合，以减小、抑制噪声；

储能电容C_B采用22nF的陶瓷电容，与固态开关3并联，作为储能单元；

负载电阻R_L为50欧姆的金属膜电阻；

负载电容C_L为40pF的陶瓷电容；

同轴电缆的特征阻抗为50欧姆。

本发明整体电路在布线方面有以下的要求：1.各元件尽可能的靠近固态开关3，连接线尽可能的短，同时考虑减少线路的电感；2.禁止使用绕线电阻；3.感应电感的环路面积应尽可能的小；4.星型单点接地，尽可能的避免接地环路，减小接地电感。