本發(fā)明涉及一種改進的新型高壓脈沖發(fā)生器，尤其適用于高壓絕緣技術(shù)中。

背景技術(shù)：

脈沖功率技術(shù)越來越廣泛地被應(yīng)用到高科技研究、高新技術(shù)和民用工業(yè)等研究領(lǐng)域。就高科技研究領(lǐng)域而言，將高壓脈沖電場應(yīng)用于高精度同位素豐度分析的tof-sims是一項具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)，這對于月球和隕石樣品的氧同位素和稀土元素分析，以及某些金屬礦床的硫等穩(wěn)定同位素微區(qū)原位分析，解決礦床成因等資源領(lǐng)域的課題，帶動地球化學(xué)和宇宙化學(xué)新的發(fā)展具有巨大的研究意義。隨著高壓脈沖技術(shù)的發(fā)展，脈沖上升沿快、開關(guān)頻率高以及電壓幅值高勢必會成為未來高壓脈沖技術(shù)的發(fā)展方向，而對于tof-sims技術(shù)，利用聚焦的一次離子束在樣品上進行穩(wěn)定的轟擊需要在短時間內(nèi)積累巨大的能量，因此研制出一套多參數(shù)脈沖(幅值、脈寬、重復(fù)頻率)可調(diào)的高壓納秒級脈沖發(fā)生器具有十分必要的研究意義。

現(xiàn)有的高壓脈沖發(fā)生器利用marx發(fā)生器因為可方便地通過級聯(lián)產(chǎn)生高壓而被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，如德克薩斯大學(xué)chenyj和neuberaa等人采用高儲能密度電容器制作的緊湊型marx發(fā)生器，可以直接用于驅(qū)動反射三極管產(chǎn)生高功率微波，但是此發(fā)生器的輸出脈沖前沿比較緩慢，整體波形也類似rlc振蕩。在固體器件脈沖源技術(shù)研究方面,knetehc、fdteehnology等公司用半導(dǎo)體器件研制出幅度幾kv到幾十kv、前沿幾個ns以下、脈沖寬度幾個ns的脈沖源產(chǎn)品，雖然產(chǎn)生的脈沖幅值較高，但是實驗裝置體積龐大、控制電路復(fù)雜，其使用壽命和頻率受到很大的限制，幅值和脈寬的調(diào)節(jié)也很困難，鑒于此，本發(fā)明結(jié)合marx發(fā)生器原理和全固態(tài)半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)，以fpga為同步信號控制核心，研制出了輸出脈沖幅值連續(xù)可調(diào)、脈寬靈活可變、頻率獨立可控，前后沿均為納秒級的全固態(tài)高壓脈沖發(fā)生器裝置，為進一步探索tof-sims技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的高壓脈沖下降沿慢，控制電路復(fù)雜，幅值和脈寬的調(diào)節(jié)也很困難，使用壽命和頻率等問題，提供一種納秒級高壓脈沖發(fā)生器裝置；

本發(fā)明的目的是提供一種納秒級高壓脈沖發(fā)生器裝置的工作方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種納秒級高壓脈沖發(fā)生器裝置，是由可調(diào)高壓直流電源1經(jīng)單極性marx

電路2和單驅(qū)動圖騰柱電路3與負載4連接，單驅(qū)動圖騰柱電路3經(jīng)高壓衰減探頭8與示波器13連接，高壓衰減探頭8經(jīng)虛擬儀器14與顯示器19連接，同步觸發(fā)5經(jīng)fpga6、邏輯信號處理9、光纖信號發(fā)生器10、光纖信號接收器11、驅(qū)動芯片12和柵極驅(qū)動變壓器7與單驅(qū)動圖騰柱電路3連接，直流電源18經(jīng)dc/dc24v/15v直流轉(zhuǎn)換模塊17、驅(qū)動芯片12和柵極驅(qū)動變壓器7與單極性marx電路2連接，直流電源18經(jīng)dc/dc24v/5v直流轉(zhuǎn)換模塊16與光纖信號接收器11連接，直流電源18經(jīng)dc/dc24v/3.3v直流轉(zhuǎn)換模塊15與fpga6鏈接構(gòu)成。

fpga6是由時鐘94經(jīng)倍頻95和寄存器96與脈寬計數(shù)器97連接，寄存器96與頻率計數(shù)器100連接構(gòu)成。

邏輯信號處理9是由電平轉(zhuǎn)換芯片98分別與pwm1同步觸發(fā)99和pwm2同步觸發(fā)101連接構(gòu)成。

虛擬儀器14是由arm單片機103經(jīng)程序邏輯處理104和labview數(shù)據(jù)讀取存儲器105與labview波形圖106表連接構(gòu)成。

一種納秒級高壓脈沖發(fā)生器裝置的工作方法，包括以下步驟：

步驟1：接通可調(diào)高壓直流電源1，單極性marx電路2中高壓電容進入充電過程；

步驟2：fpga6通過對邏輯信號處理9產(chǎn)生兩類pwm波信號，pwm1同步觸發(fā)信號分為五路信號控制單極性marx電路2，同時pwm2同步觸發(fā)信號為一路信號控制單驅(qū)動圖騰柱電路3；

步驟3：同步觸發(fā)參數(shù)5利用高速fpga6產(chǎn)生原始控制信號，經(jīng)過邏輯信號處理9后轉(zhuǎn)換為同步觸發(fā)控制信號，再通過光纖通信送入sicmosfet驅(qū)動芯片12轉(zhuǎn)為驅(qū)動信號，經(jīng)過柵極驅(qū)動變壓器7隔離產(chǎn)生兩類pwm波驅(qū)動信號，其中pwm1驅(qū)動信號分為五路信號控制單極性marx電路2，同時pwm2驅(qū)動信號為一路信號控制單驅(qū)動圖騰柱電路3；

步驟4：pwm1和pwm2隔離驅(qū)動信號控制sicmosfet開通與關(guān)斷，在玻璃釉阻容負載4上產(chǎn)生納秒級快雙沿高壓脈沖；

步驟5：通過tektronix示波器13實時檢測負載4上產(chǎn)生的高電壓脈沖，高壓脈沖衰減信號通過虛擬儀器14處理后，在pc機19上顯示負載4高壓脈沖的實時參數(shù)：電壓、電流、功率。

有益效果：本發(fā)明電路簡單，體積較??；在納秒級高壓脈沖發(fā)生器裝置中首次采用marx電路與單驅(qū)動圖騰柱電路架構(gòu)，可以滿足各種負載應(yīng)用情況，對于阻容性負載不僅得到納秒級高壓脈沖上升沿，而且得到納秒級的下降沿，提出了單驅(qū)動圖騰柱電路結(jié)構(gòu)，摒棄了現(xiàn)有一對一驅(qū)動串聯(lián)開關(guān)管的復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)，為了控制高壓脈沖輸出的寬度、頻率，同步信號控制單元以fpga為同步控制核心，不僅可以彌補傳統(tǒng)高壓脈沖發(fā)生器壽命和頻率的限制，以及幅值和脈寬難以調(diào)節(jié)的難題，而且可以提高同步控制信號的精度與響應(yīng)速度。利用usb數(shù)據(jù)采集技術(shù)實時快速的采集負載上的參數(shù)情況，從而解決了傳統(tǒng)示波器單一測量參數(shù)的局限性，真正做到機器與界面的交互式融合，簡單有效，操作性強，縮短了實驗結(jié)果處理時間，提高了工作效率。

附圖說明

圖1為一種納秒級高壓脈沖發(fā)生器裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖2為五級marx電路與單驅(qū)動圖騰柱電路圖

ⅰ部分為五級marx電路，ⅱ部分為單驅(qū)動圖騰柱電路

圖3為pwm1、pwm2同步信號控制示意圖

圖4為圖1中fpga同步觸發(fā)控制脈沖結(jié)構(gòu)框圖

圖5為圖1中邏輯信號處理結(jié)構(gòu)框圖

圖6為圖1中虛擬儀器高壓脈沖參數(shù)測量結(jié)構(gòu)框圖

1可調(diào)高壓直流電源，2單極性marx電路，3單驅(qū)動圖騰柱電路，4負載，5同步觸發(fā)，6fpga，7柵極驅(qū)動變壓器，8高壓衰減探頭，9顯示器，10光纖信號發(fā)生器，11光纖信號接收器，12驅(qū)動芯片，13示波器，14虛擬儀器，153.3v直流轉(zhuǎn)換模塊，165v直流轉(zhuǎn)換模塊，1715v直流轉(zhuǎn)換模塊，18直流電源，19pc顯示器，94時鐘，95倍頻，96寄存器，97脈寬計數(shù)器連接，98電平轉(zhuǎn)換芯片，99pwm1同步觸發(fā)，100頻率計數(shù)器，101pwm2同步觸發(fā)，103arm單片機104程序邏輯處理，105labview數(shù)據(jù)讀取存儲器，106labview波形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的具體說明：

一種納秒級高壓脈沖發(fā)生器裝置，是由可調(diào)高壓直流電源1經(jīng)單極性marx電路2和單驅(qū)動圖騰柱電路3與負載4連接，單驅(qū)動圖騰柱電路3經(jīng)高壓衰減探頭8與示波器13連接，高壓衰減探頭8經(jīng)虛擬儀器14與pc顯示器19連接，同步觸發(fā)5經(jīng)fpga6、邏輯信號處理9、光纖信號發(fā)生器10、光纖信號接收器11、驅(qū)動芯片12和柵極驅(qū)動變壓器7與單驅(qū)動圖騰柱電路3連接，直流電源18經(jīng)dc/dc24v/15v直流轉(zhuǎn)換模塊17、驅(qū)動芯片12和柵極驅(qū)動變壓器7與單極性marx電路2連接，直流電源18經(jīng)dc/dc24v/5v直流轉(zhuǎn)換模塊16與光纖信號接收器11連接，直流電源18經(jīng)dc/dc24v/3.3v直流轉(zhuǎn)換模塊15與fpga6連接構(gòu)成。

fpga6是由時鐘94經(jīng)倍頻95和寄存器96與脈寬計數(shù)器97連接，寄存器96與頻率計數(shù)器100連接構(gòu)成。

邏輯信號處理9是由電平轉(zhuǎn)換芯片98分別與pwm1同步觸發(fā)99和pwm2同步觸發(fā)101連接構(gòu)成。

虛擬儀器14是由arm單片機103經(jīng)程序邏輯處理104和labview數(shù)據(jù)讀取存儲器105與labview波形圖106表連接構(gòu)成。

一種納秒級高壓脈沖發(fā)生器裝置的工作方法，包括以下步驟：

步驟1：接通可調(diào)高壓直流電源1，單極性marx電路2中高壓電容進入充電過程；

步驟2：fpga6通過對邏輯信號處理9產(chǎn)生兩類pwm波信號，pwm1同步觸發(fā)信號分為五路信號控制單極性marx電路2，同時pwm2同步觸發(fā)信號為一路信號控制單驅(qū)動圖騰柱電路3；

步驟3：同步觸發(fā)參數(shù)5利用高速fpga6產(chǎn)生原始控制信號，經(jīng)過邏輯信號處理9后轉(zhuǎn)換為同步觸發(fā)控制信號，再通過光纖通信送入sicmosfet驅(qū)動芯片12轉(zhuǎn)為驅(qū)動信號，經(jīng)過柵極驅(qū)動變壓器7隔離產(chǎn)生兩類pwm波驅(qū)動信號，其中pwm1驅(qū)動信號分為五路信號控制單極性marx電路2，同時pwm2驅(qū)動信號為一路信號控制單驅(qū)動圖騰柱電路3；

步驟4：pwm1和pwm2隔離驅(qū)動信號控制sicmosfet開通與關(guān)斷，在玻璃釉阻容負載4上產(chǎn)生納秒級快雙沿高壓脈沖；

步驟5：通過tektronix示波器13實時檢測負載4上產(chǎn)生的高電壓脈沖，高壓脈沖衰減信號通過虛擬儀器14處理后，在pc機19上顯示負載4高壓脈沖的實時參數(shù)：電壓、電流、功率。

如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計的一種納秒級高壓脈沖發(fā)生器裝置，包括：高壓脈沖陡前沿處理單元、高壓脈沖陡下降沿處理單元、sicmosfet同步信號控制單元、弱電電源單元和高電壓顯示單元。其中，高壓脈沖陡前沿處理單元是由五階單極性marx電路2構(gòu)成。高壓脈沖陡下降沿處理單元，是由單驅(qū)動圖騰柱電路3構(gòu)成。sicmosfet同步信號控制單元，由高速fpga6通過外圍電路對邏輯信號進行高速處理9，高速信號輸出接口與光纖信號發(fā)射器10連接，同步控制信號通過等長度光纖傳遞到光纖信號接收器11裝置中，光纖信號接收器11與sicmosfet專用驅(qū)動芯片12連接，驅(qū)動信號通過柵極驅(qū)動變壓器7隔離出兩類sicmosfet控制信號分別為pwm1和pwm2，其中pwm1同步控制信號分為五路信號連接到單極性marx電路2，pwm2同步控制信號為一路信號連接到單驅(qū)動圖騰柱電路3。弱電電源單元由24v直流電源18供電，利用直流斬波技術(shù)，通過24v/5v直流轉(zhuǎn)換模塊15分別連接到高速fpga6和光纖信號接收器11供電，24v/15v直流轉(zhuǎn)換模塊17連接到驅(qū)動芯片12驅(qū)動sicmosfet。高電壓顯示單元由高壓衰減探頭8連接至高壓負載4玻璃釉電阻兩端，高壓衰減電壓信號一路通過tektronix示波器13顯示高電壓波形，另一路通過虛擬儀器14將實時波形在pc機19上顯示出來。

圖2是本發(fā)明中的五級marx電路和單驅(qū)動圖騰柱電路，其中，ⅰ部分為五級marx電路，本發(fā)明中五級marx電路包含可調(diào)高壓直流電源47、bypass電容46、限流電阻25、高壓快速恢復(fù)二極管20、21、22、23、24、48、49、50、51、52、高壓電容26、29、32、35、38、場效應(yīng)管sicmosfet27、30、33、35、39、sicmosfet源柵極間穩(wěn)壓管41、42、43、44、45、續(xù)流二極管28、31、34、37、40。其連接關(guān)系是，對于marx高壓脈沖發(fā)生器電路第一級，bypass電容46并聯(lián)在可調(diào)高壓直流電源1兩端，起到去耦、濾波、儲能的作用。高壓直流電源1依次與高壓限流電阻25、高壓快速恢復(fù)二極管20連接，高壓快速恢復(fù)二極管20分別與高壓電容26、場效應(yīng)管sicmosfet27連接，同時高壓快速恢復(fù)二極管48分別連接到高壓電容26、場效應(yīng)管sicmosfet27的另外一端。穩(wěn)壓管41連接至場效應(yīng)管sicmosfet27柵極和源級兩端，保護柵極驅(qū)動信號由于過沖電壓擊穿sicmosfet柵極，二極管28反并聯(lián)在sicmosfet27兩端，同樣本發(fā)明電路中marx電路的第2級、第3級、第4級、第5級與第1級連接方式相同，接通可調(diào)高壓直流源1,當場效應(yīng)管sicmosfet27、30、33、36、39關(guān)斷時，高壓電容26、29、32、35、38以并聯(lián)連接形式迅速被充電至高壓直流電源，當場效應(yīng)管sicmosfet導(dǎo)通時，由于電容的電壓暫態(tài)不變性，會使高壓快速恢復(fù)二極管20、21、22、23、24、48、49、50、51、52以納秒級速度關(guān)斷，這時高壓電容迅速以串聯(lián)連接方式向阻容負載放電，由此，通過marx電路中高壓電容26、29、32、35、38并聯(lián)充電串聯(lián)放電原理，會在阻容負載4產(chǎn)生納秒級上升沿高壓脈沖，其中高壓脈沖幅值為

u＝k*vin

其中u為阻容負載上的電壓值，k為marx電路級數(shù)，vin為可調(diào)高壓直流電壓輸出值。

本發(fā)明中marx電路拓撲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的高壓輸出脈沖來源于高壓電容的儲能，因此必然會在阻容負載產(chǎn)生一個高壓脈沖的電壓降，根據(jù)高壓理論研究表明，電壓降為

其中δt是高壓脈寬，δv是高壓脈沖電壓降，z是負載阻抗，c是高壓電容值，k是marx電路級數(shù)。

圖2中ⅱ部分為單驅(qū)動圖騰柱電路，本發(fā)明中單驅(qū)動圖騰柱電路包含均壓電阻73、74、75、76、77、sicmosfet源柵極間穩(wěn)壓管58、59、60、61、62、場效應(yīng)管sicmosfet63、64、65、66、67、續(xù)流二極管68、69、70、71、72、柵極自舉電容54、55、56、57、二極管78、80、82、84、86、吸收電阻88、89、90、91、92、吸收電容79、81、83、85、87，其連接關(guān)系是，sicmosfet63、64、65、66、67依次串聯(lián)連接，這是因為單個mosfe能承擔(dān)的電壓有限，所以為防止漏源級間電壓過高擊穿，要采取串聯(lián)連接方式，柵極自舉電容54、55、56、57的同一端與sicmosfet63的漏級連接到一起，均壓電阻73、74、75、76、77分別并聯(lián)在場效應(yīng)管sicmosfet63、64、65、66、67兩端，起到靜態(tài)均壓的作用，二極管78與吸收電阻88并聯(lián)連接，公共端與吸收電容79連接，構(gòu)成rcd吸收網(wǎng)絡(luò)保護電路并聯(lián)在均壓電阻73兩端，rcd吸收網(wǎng)絡(luò)之所以能夠起到保護作用，是因為把能量從sicmosfet轉(zhuǎn)移到吸收電容上，并最終消耗在吸收電阻上。本發(fā)明的巧妙之處在于，僅利用單個驅(qū)動就可以同時控制5個sicmosfet關(guān)斷與開通，從而很好解決了多開關(guān)同步問題，其中驅(qū)動電路1、驅(qū)動電路2、驅(qū)動電路3、驅(qū)動電路4、驅(qū)動電路5、由同步觸發(fā)控制信號pwm1同步控制，驅(qū)動電路6由觸發(fā)控制信號pwm2同步控制，如下圖3為本發(fā)明中同步控制信號pwm1、pwm2波形相位示意圖。其中pft為阻容負載上的高壓脈沖平頂時間，dt為死區(qū)時間，經(jīng)過死區(qū)時間dt后，驅(qū)動電路6施加pwm2控制信號，這時由于sicmosfet同時導(dǎo)通，所以阻容負載電壓瞬間鉗位到零值附近，從而達到本發(fā)明中關(guān)于高壓脈沖下降沿也能達到納秒級的目的。

sicmosfet同步信號控制單元以fpga為控制核心，并通過良好的人機交互界面來實現(xiàn)整個高壓脈沖發(fā)生器裝置的智能調(diào)控。圖4是本發(fā)明中的fpga同步觸發(fā)控制脈沖結(jié)構(gòu)框圖，包括同步觸發(fā)參數(shù)93、60mhz時鐘94、倍頻95、寄存器96、脈寬計數(shù)器97、頻率計數(shù)器100構(gòu)成。其連接關(guān)系為，外界同步觸發(fā)脈沖參數(shù)輸入到fpga6,高速fpga通過內(nèi)置的寄存器96、頻率計數(shù)器100和脈寬計數(shù)器97對60mhz基準時鐘信號94的頻率和脈寬進行調(diào)整，從而達到控制高壓脈沖輸出的寬度、頻率的目的，并實時產(chǎn)生原始控制信號，由于fpga輸出多路初始脈沖信號電平為3.3v，因此需要5v電平轉(zhuǎn)換芯片將其電平轉(zhuǎn)換成5v，如圖5所示為邏輯信號處理單元結(jié)構(gòu)框圖，包括5v電頻轉(zhuǎn)換芯片98、pwm1同步觸發(fā)脈沖99、pwm2同步觸發(fā)脈沖101。其連接關(guān)系為，高速fpga產(chǎn)生的原始控制信號經(jīng)過5v電平轉(zhuǎn)換芯片98后轉(zhuǎn)換為兩類同步控制信號，分別為pwm1同步觸發(fā)脈沖99和pwm2同步觸發(fā)脈沖101。

弱電電源單元提供整個裝置弱電部分的工作電壓。如圖1所示，外界給納秒級高壓脈沖發(fā)生器裝置提供+24v直流電壓18，電源選為臺灣明緯開關(guān)電源nes-100-24100w24v4.5a，通過電源轉(zhuǎn)換芯片將+24v電壓轉(zhuǎn)換為+15v、+5v、3.3v，來分別提供給sicmosfet專用驅(qū)動芯片、同步控制信號光纖接收器和fpga邏輯信號處理單元。

如圖6所示，為虛擬儀器數(shù)據(jù)采集方式下高壓脈沖參數(shù)測量結(jié)構(gòu)框圖，包括高壓脈沖衰減探頭8、arm單片機adc103、程序邏輯處理104、labview數(shù)據(jù)讀取存儲器105、labview波形圖表106、pc顯示器19。其連接關(guān)系是，經(jīng)過高壓脈沖衰減探頭8測量阻容負載上高壓脈沖衰減信號，通過arm單片機adc103集成模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在本發(fā)明中，arm單片機型號選用stm32f103zt6，其內(nèi)核是cortex-m3。經(jīng)過程序邏輯處理單元104，在ni-visa子程序控件協(xié)議下，通過usb直接與labview進行快速實時通信，labview通過編寫動態(tài)鏈接庫dll文件將讀取的usb傳輸數(shù)據(jù)存放到labview數(shù)據(jù)讀取存儲器105中，通過調(diào)用labview波形圖表106，把讀取的數(shù)據(jù)以圖表的形式在pc顯示器19上實時的顯示出來，通過這種方式可以把阻容負載多方面參數(shù)(電壓、電流、功率)以動態(tài)曲線的形式同時在一個界面上顯示出來，因此可以更加方便的對阻容負載高壓脈沖情況進行深入的研究。

本發(fā)明中所有的sicmosfet場效應(yīng)管均采用鋁合金散熱片進行散熱，大大減少了器件在工作時，由于發(fā)熱對器件性能的影響。高壓脈沖發(fā)生器裝置中限流電阻選用超高頻高電流氧化膜無感電阻，該電阻超高頻性能穩(wěn)定，能夠響應(yīng)裝置輸出的高壓納秒級脈沖信號。