[发明专利]一种产生高压脉冲的装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于高压脉冲领域，具体涉及一种产生高压脉冲的装置和方法。

背景技术

现有的高压脉冲产生方法和装置主要采用以下方法实现：

(1)基于铁氧体传输线的高压脉冲产生方法：非线性铁氧体传输线(Nonlinear Ferrite Transmission Line)是一种脉冲整形器件，可以将几十纳秒的高压脉冲前沿陡化至几纳秒，将几纳秒的前沿陡化至百皮秒，可陡化的电压幅值从几千伏到几百千伏。

(2)基于阶跃漂移二极管的高压脉冲产生方法：阶跃漂移恢复二极管(Drift Step Recovery Diode,DSRD)或阶跃恢复二极管(Drift Recovery Diode,DRD)是硅基断路型开关器件，单片DSRD/DRD的工作电压0.1-0.5kV，开关时间为0.5-1.0ns，多片DSRD/DRD串联后可以达到更高的高压脉冲。

(3)基于雪崩陡化开关的高压脉冲产生方法：延迟击穿二极管(Delayed Breakdown Diode,DBD)是一种闭合型雪崩陡化脉冲功率开关，常用来陡化半导体断路开关(Semiconductor Opening Switches,SOS)产生的纳秒级高功率脉冲,基于SOS/DBD器件的全固态电路可以产生高压脉冲源。

(4)基于快速电离晶体管的高压脉冲产生方法：快速电离器件(Fast Ionization Dynistor,FID)是一种纳秒/亚纳秒闭合型开关，可通过简单的串联实现更高电压脉冲输出。

(5)基于光导开关的高压脉冲产生方法：光导开关(Photoconductivity Semiconductor Switches,PCSS)具有高增益特性，使高电场偏置的PCSS导通所需的触发光能比低场时减小了3-5数量级。基于PCSS器件的电路也可以产生快速上升沿的高压脉冲。

目前最成熟的高压脉冲电路主要是基于气体火花开关设计的，相对通流能力也较大，但缺点是重复频率不高、电压调节困难，电极的烧蚀较严重，寿命不高。伪火花开关也是国外研制高压脉冲电源较为常用的一种开关器件。磁开关根据单级和多级磁压缩特点，可以产生高压脉冲，但是输出频率一般在较低。由于磁开关电源是负载决定输出，因此在应用中，一般会在放电回路并联一定阻值的纯电阻负载。基于半导体开关的高压脉冲电源需要对开关器件进行串并联，较为成熟的半导开关件电源输出电压一般在10kV以下。

虽然国内外高压脉冲产生的方法和装置很多，但是，目前尚未见到高压脉冲波形参数可变的产生方法和装置。本发明提出了一种高压脉冲产生方法和装置，通过对固态开关的悬浮级联，可以使全部固态开关的开关时序和通断时间等可调，从而输出输出周期的、非周期、或者是任意数目的高压脉冲，这些高压脉冲的上升沿、下降沿、脉冲宽度，波形形状、频率、脉冲数等和高压脉冲相关的全部参数全部可以连续或非连续的调节。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种产生高压脉冲的装置和方法，通过控制悬浮级联在一起的多个开关组的开关的时序和开关持续时间，以及开关组之间开关状态的任意组合，实现输出高压脉冲参数的调节功能。

为了达到上述目的，一种产生高压脉冲的装置，包括高压直流电压模块，高压直流电压模块通过控制模块连接开关模块，高压直流电压模块、控制模块和开关模块通过低压电源模块供电；

开关模块包括m组固态开关组SW1，SW2…SWm，每组固态开关组均连接高压直流电压模块中与其对应的高压直流电源DCm，每组固态开关均包括串联而成的高端固态开关K1和低端固态开关K2，高端固态开关K1和低端固态开关K2均具有控制端G、高压端D和低压端S，高端固态开关K1的低压端S和低端固态开关K2的高压端D相连接，作为每一组开关的输出端Vout，高端固态开关K1的D端和低端固态K2的S端分别作为每组开关的固态开关组中高压直流输入的电源端Vp和地端GND，高端固态开关K1和低端固态开关K2的控制端G均连接控制模块中与其对应的控制信号Gm，每个控制信号Gm对应各自的接地端GNDm，m＝1,2,…,m，GNDm和每一个固态开关组的地端GND及高压直流电源DCm的负端L相连。

固态开关组至少设置两组。

同一组直接串联的高端固态开关K1和低端固态开关K2的控制端G的控制信号是反相同步的。

高端固态开关K1通过电源端Vp连接高压直流电源DCm的正端H。

高端固态开关K1包括若干开关Ka1，Ka2，…，Kax，所有开关Ka1，Ka2，…，Kax并联或串联或串并联混合组成；