一种纳秒级高压脉冲发生器的制作方法

1.本实用新型涉及高压脉冲技术领域，尤其涉及一种纳秒级高压脉冲发生器。


背景技术：

2.高电压技术，特别是瞬时高压技术是一种把低电压、低功率的电能存储起来后通过升压变换和瞬时释放进而产生超高电压脉冲的技术。脉冲功率技术是一种将存储的能量以电能的形式，用单脉冲或重复频率的短脉冲方式加到负载上的技术，目前广泛应用在雷达发射机、高压脉冲电场杀菌、绝缘材料电脉冲破碎等一系列军工、能源、材料、生物领域。实现这一技术的关键是设计高压、大功率的高压脉冲发生器。产生高压脉冲大致有两条途径：一是由相对较低的直流电电逆变成低压脉冲，然后经脉冲升压器得到高压脉冲；另一种是由高压直流电源供电，利用脉冲储能电容储能，然后通过高压开关将其变为高压脉冲。
3.由于大功率的高压脉冲升压器较难研制，价格昂贵，且一旦出现故障难以维修，因此第一种方法适合小功率应用；第二种方法直接由高压直流电源提供电压，而高压直流电源的研究技术已经非常成熟，且很容易实现高压、大功率，因此适合于大功率应用场合。然而第二种方法需研制能承受高压、大功率的开关。早期一般采用真空开关、气体开关、闸流管等开关，但这些开关使用寿命短、开关速度慢、可控性差，因此限制了脉冲功率技术的发展。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种纳秒级高压脉冲发生器，能够产生上升时间1.4ns、幅值3kv的高压脉冲，可编程控制，一键操作，操作方便。
5.本实用新型采用的技术方案为：
6.一种纳秒级高压脉冲发生器，包括系统电源、辅助电源、单片机、显示控制模块、直流高压驱动电路、直流高压开关电路、放电保护电路和反馈保护电路；所述的系统电源连通辅助电源、单片机和直流高压驱动电路并供电，所述的单片机分别连通显示控制模块、直流高压驱动电路、直流高压开关电路和反馈保护电路；辅助电源的输出端连接直流高压开关电路的供电端，直流高压开关电路的开启受控端连接直流高压驱动电路的输出端，直流高压开关电路通过反馈保护电路连接单片机，直流高压开关电路还连接放电保护电路。
7.所述的直流高压驱动电路包括ttl信号驱动模块，ttl信号驱动模块的受控端连接单片机，ttl信号驱动模块的输出端连接直流高压开关电路的开启受控端。
8.所述的直流高压开关电路包括依次电连接的pwm调制驱动模块、pwm高压前级驱动模块、整流检测模块、整流倍压模块、高压开关模块和直流高压脉冲输出模块，所述的pwm高压前级驱动模块、整流检测模块、整流倍压模块、高压开关模块分别与反馈保护电路连接，整流检测模块通过查分检测模块连接单片机，整流倍压模块连接放电保护电路，高压开关模块的受控端连接ttl信号驱动模块的输出端。
9.所述的高压开关模块由高压脉冲模块和外围电路组成，所述的外围电路包括耦合
电阻，缓冲电容、限流电阻、rc吸收电路和反馈电阻，ttl信号驱动模块的输出端通过耦合电阻连接到高压脉冲模块的信号接收端口，ttl信号驱动模块的输出信号做为高压脉冲模块的触发信号；辅助电源通过缓冲电容连接到高压脉冲模块的供电端口；高压脉冲模块的报警反馈端口连接单片机的报警端，高压脉冲模块的高压输入端通过限流电阻连接高压源，高压脉冲模块还连接rc吸收电路，高压脉冲模块通过反馈电阻输出脉冲直流信号。
10.本实用新型根据显示控制模块输入的命令，stm32单片机分别向ttl信号驱动模块及pwm调制驱动器输出指令，采用了stm32嵌入式单片机，通过预编程，实现了一键控制，便于操作。同时，触发pwm高压前级驱动模块导通工作，之后，经过整流检测模块、整流倍压模块进行整流处理，输出设定的高压进入高压开关模块。ttl信号驱动模块输出的可调ttl信号，触发高压开关模块的驱动前级，从而控制内部mosfet开通与关断，在阻容负载上输出可控、可编程的直流脉冲信号。工作过程中，pwm高压前级驱动模块、高压检测模块、高压开关模块会受到反馈保护电路的实时检测，出现问题会自动停机，提示报警。
附图说明
11.图1为本发明的电路原理框图；
12.图2为本发明的高压开关模块电路原理框图；
13.图3为本发明的流程图；
14.图4为本发明的单个脉冲频率演示图。
具体实施方式
15.如图1所示，本实用新型的纳秒级高压脉冲发生器包括系统电源、辅助电源、单片机、显示控制模块、直流高压驱动电路、直流高压开关电路、放电保护电路和反馈保护电路；所述的系统电源连通辅助电源、单片机和直流高压驱动电路并供电；市电220v经过滤波、整流，进入系统电源电路，分别提供给辅助电源及ttl信号驱动模块和stm32单片机电路供电电源。所述的单片机分别连通显示控制模块、直流高压驱动电路、直流高压开关电路和反馈保护电路。为了保证数字化可视环境方便操作控制，采用了stm32嵌入式单片机，通过预编程，实现了一键控制，产生所需要的脉冲信号源。
16.辅助电源的输出端连接直流高压开关电路的供电端，直流高压开关电路的开启受控端连接直流高压驱动电路的输出端，直流高压开关电路通过反馈保护电路连接单片机，直流高压开关电路还连接放电保护电路。
17.所述的直流高压驱动电路包括ttl信号驱动模块，ttl信号驱动模块的受控端连接单片机，ttl信号驱动模块的输出端连接直流高压开关电路的开启受控端。由cpld器件产生脉宽可编程控制的5v的ttl信号。ttl信号驱动模块可编程控制，可输出0～5khz频率、步进一定的ttl信号，用来控制高压开关模块的通断。
18.所述的直流高压开关电路包括依次电连接的pwm调制驱动模块、pwm高压前级驱动模块、整流检测模块、整流倍压模块、高压开关模块和直流高压脉冲输出模块，所述的pwm高压前级驱动模块、整流检测模块、整流倍压模块、高压开关模块分别与反馈保护电路连接，整流检测模块通过查分检测模块连接单片机，整流倍压模块连接放电保护电路，高压开关模块的受控端连接ttl信号驱动模块的输出端。其中，本实用新型的调制信号电压受编程控
制连续可调，pwm调制驱动模块发送pwm可编程调制信号经pmw高压前级驱动模块产生一次高压，后输出至整流检测模块和整流倍压模块，从而得到二次高压，即200v～3000kv的直流高压，再通过缓冲电容器储能，输出到直流高压脉冲输出模块，作为直流高压源。
19.如图2所示，所述的高压开关模块由高压脉冲模块和外围电路组成，所述的外围电路包括耦合电阻，缓冲电容、限流电阻、rc吸收电路和反馈电阻，ttl信号驱动模块的输出端通过耦合电阻连接到高压脉冲模块的信号接收端口，ttl信号驱动模块的输出信号做为高压脉冲模块的触发信号；辅助电源通过缓冲电容连接到高压脉冲模块的供电端口；高压脉冲模块的报警反馈端口连接单片机的报警端，高压脉冲模块的高压输入端通过限流电阻连接高压源，高压脉冲模块还连接rc吸收电路，高压脉冲模块通过反馈电阻输出脉冲直流信号。
20.如图2所示，高压开关模块由高压脉冲模块u1及外围电路构成，高压脉冲模块u1（1）脚接辅助+5v电源，通过缓冲电容c1为内部电路提供工作电源，高压脉冲模块u1（2）脚接外部输入的ttl脉冲信号做为内部驱动电路的触发信号。电阻r1为信号耦合电阻，对输入的ttl信号进行整形减少振铃信号。ttl信号连续触发频率小于5khz,最大脉冲群信号不大于1mhz,当输入的ttl信号不正确时，高压脉冲模块u1（4）脚输出高电平信号做为保护信号，输出至stm32单片机电路进行故障保护。高压脉冲模块u1（3）脚和（6）脚分别做为低压接地端和高压接地端，采用星形接法与缓冲电容c2、输出端子接地端共同接入地，从而尽可能减少信号干扰。高压脉冲模块u1（5）脚通过串联限流电阻r5接直流高压电源端，r5为限流电阻，可以改变限流电阻r5的阻值以适应测量或应用的要求。r2、c3串联组成rc吸收电路，通过调整r2、c3的大小尽可能消除改善输出直流脉冲的振铃干扰。r4为反馈电阻，由于高压脉冲模块u1设定为固定的开通时间为150ns，负载电容不大于3nf，最大峰值电流由反馈电阻r4的电阻值决定，r4的电阻值计算公式；
21.其中，vo是直流高压，i
p
是最大峰值电流，r
start
为高压脉冲模块u1的静态电阻值，r3为负载电阻，高压直流信号通过r5、r3、u1形成所需要的脉冲直流信号，通过反馈电阻r4输出至外部端子座。
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.具体，如图1和图2所示，首先，市电220v经过滤波、整流，进入系统电源电路，分别提供给辅助电源及ttl信号驱动模块和stm32单片机电路供电电源。之后，通过显示控制模块输入指令参数，单片机接收到指令后，向ttl信号驱动模块发送信号，使得ttl信号驱动模块再向高压开关模块发送一个高频信号，使得高压开关模块导通；同时，stm32单片机向pwm调制驱动模块发送一个信号指令，之后，pwm调制驱动模块发送pwm可编程调制信号经pmw高压前级驱动模块产生一次高压，后输出至整流检测模块和整流倍压模块，从而得到二次高压，即200v～3000kv的直流高压，再通过缓冲电容器储能，输出到直流高压脉冲输出模块，作为直流高压源。
24.如图3所示，本实用新型的工作原理如下：
25.步骤1. 接通系统电源，经整流滤波后分别向stm32单片机（2）、ttl信号驱动模块
（6）及24v辅助电源（8）供电。系统复位，等待操作指令。
26.步骤2. 根据显示控制模块（3）输入的命令，stm32单片机（2）分别向ttl信号驱动模块（6）及pwm调制驱动器（4）输出指令，触发pwm高压前级驱动模块（9）导通工作，之后，经过整流检测模块（10）、整流倍压模块（11）进行整流处理，输出设定的高压进入高压开关模块（12）。
27.步骤3. ttl信号驱动模块（6）输出的可调ttl信号，触发高压开关模块（12）的驱动前级，从而控制内部mosfet开通与关断，在玻璃釉阻容负载上输出可控、可编程的直流脉冲信号。
28.步骤4. 工作过程中，pwm高压前级驱动模块（9）、高压检测模块（10）、高压开关模块（12）会受到反馈保护电路（7）的实时检测，出现问题会自动停机，提示报警。
29.步骤5. 关机后，放电保护电路（14）自动对缓冲电容上的高压放电，从而起到安全保护作用。
30.如图4所示，演示出单个脉冲频率显示图。
31.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。