專利名稱：采用固態(tài)開關(guān)的高壓脈沖電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生高壓脈沖的系統(tǒng)和方法。具體地，本發(fā)明涉及用于通 過(guò)固態(tài)開關(guān)控制產(chǎn)生高壓脈沖的系統(tǒng)和方法?，F(xiàn)有技術(shù)許多應(yīng)用領(lǐng)域都需要能夠傳輸高壓脈沖的脈沖電源。分光計(jì)、加速器、雷 達(dá)發(fā)射機(jī)、高阻抗電子槍、離子管、液體偏振單元等均為需要高壓脈沖的應(yīng)用 實(shí)例。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，脈沖電源使用高壓脈沖形成網(wǎng)絡(luò)和諸如觸發(fā)管或者閘流 管的一些種類的開關(guān)。通常采用Marx發(fā)生器的原理而形成上述類型的脈沖電源。通常來(lái)說(shuō)，Marx 發(fā)生器是一種通過(guò)對(duì)一組電容器并聯(lián)充電然后對(duì)這些電容器串聯(lián)放電而產(chǎn)生 電壓脈沖的電路。圖l所示為典型Marx發(fā)生器的實(shí)施例。在圖1中，將充電 電壓101施加給脈沖形成網(wǎng)絡(luò)100。級(jí)聯(lián)電容器104通過(guò)電阻器102進(jìn)行并聯(lián) 充電。觸發(fā)管106防止電容器104在滿足一定條件之前向負(fù)載108放電。當(dāng)對(duì)電容器104充分充電時(shí)，通常會(huì)使最低間隙發(fā)生擊穿(break down) 或者觸發(fā)，使得兩個(gè)電容器有效串聯(lián)連接并且下一間隙擊穿。很快，所有間隙 擊穿。該過(guò)程的結(jié)果為電容器104串聯(lián)連接并產(chǎn)生電壓脈沖同時(shí)將其傳輸給負(fù) 載108。還可以采用感應(yīng)器或者一系列變壓器對(duì)Marx發(fā)生器的電容器104充 電。在其他實(shí)施例中，采用感應(yīng)器代替電阻器102?？蛇x地，可通過(guò)諸如閘流 管的開關(guān)替代觸發(fā)管。由于對(duì)Marx發(fā)生器進(jìn)行并聯(lián)充電，通過(guò)添加附加充電部分(section)可 以增加電壓脈沖幅值。但是，人們發(fā)現(xiàn)許多層疊在一起的充電部分受到寄生電 容的限制。隨著脈沖形成網(wǎng)絡(luò)中所述部分?jǐn)?shù)量的增加，接地的寄生電容也隨之 增加。寄生電容的影響之一在于將電流轉(zhuǎn)移到地。同時(shí)該寄生電容還對(duì)電壓脈 沖的上升時(shí)間和/或下降時(shí)間存在不利影響。因此該寄生電容限制了可以包括
在脈沖發(fā)生器中的部分的數(shù)量。該寄生電容還會(huì)對(duì)特定部分處確定的電壓有影響。此外，通過(guò)Marx發(fā)生 器的一個(gè)部分所確定的寄生電容通常不同于通過(guò)其另一部分所確定的寄生電 容。由于寄生電容在整個(gè)脈沖發(fā)生器的部分中不平衡，會(huì)使某些部分可能具有 較高的電壓并因此產(chǎn)生故障。盡管大多數(shù)系統(tǒng)都受到寄生電容的影響，但是對(duì) 脈沖發(fā)生器中的電容器進(jìn)行充電所需的感應(yīng)器、電阻器、變壓器和隔離型電源 還是會(huì)向該脈沖發(fā)生器中引入寄生電容。換句話說(shuō)，傳統(tǒng)脈沖發(fā)生器的各元件 向該系統(tǒng)中引入了附加寄生電容并進(jìn)一步降低了可以有效連接在一起的部分 數(shù)量。由于Marx發(fā)生器通常用于產(chǎn)生高壓，因此其具有非常大的尺寸和重量。 而且，產(chǎn)生上百千伏的Marx發(fā)生器通常采用油。油通常是必不可少的，但是 通常不受歡迎。傳統(tǒng)脈沖式電源或者M(jìn)arx發(fā)生器通常體積較大而且昂貴，會(huì) 受到寄生電容的限制，而且使用降低其可靠性的元件(諸如閘流管)。發(fā)明內(nèi)容通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施方式可以克服這些和其他缺點(diǎn)，本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電 壓脈沖的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，將一系列具有低電壓要求的電 壓?jiǎn)卧?lián)連接在一起，每個(gè)電壓?jiǎn)卧ㄅc可以接通和關(guān)斷的開關(guān)(諸如固 態(tài)開關(guān))串聯(lián)連接的電容器。在將多個(gè)電壓?jiǎn)卧B接起來(lái)以形成脈沖發(fā)生器時(shí)， 采用一個(gè)或者多個(gè)開關(guān)并聯(lián)充電電壓?jiǎn)卧碾娙萜鞑⑶掖?lián)放電電壓?jiǎn)卧?電容器。至少使用主開關(guān)使電容器放電并且至少使用返回開關(guān)對(duì)電容器進(jìn)行充 電。在連接電壓?jiǎn)卧獣r(shí)，例如，串聯(lián)連接電容器和主開關(guān)。電容器通過(guò)關(guān)斷的 主開關(guān)彼此隔離。當(dāng)主開關(guān)接通時(shí)，電容器串聯(lián)連接同時(shí)產(chǎn)生電壓脈沖。當(dāng)主 開關(guān)關(guān)斷時(shí)，返回開關(guān)接通并為對(duì)電壓?jiǎn)卧碾娙萜鬟M(jìn)行充電的電流提供返回 通路。因此，當(dāng)主開關(guān)接通時(shí)關(guān)斷返回開關(guān)使得電容器向負(fù)載放電。這樣的優(yōu) 勢(shì)在于，可以在沒(méi)有感應(yīng)器、電阻器或者隔離型電源的情況下對(duì)電容器進(jìn)行充 電，從而減少與傳統(tǒng)Marx發(fā)生器相關(guān)的某些寄生電容。此外，還可以在不采 用感應(yīng)器、電阻器、隔離型電源以及降壓型電源的情況下使用輔助電源驅(qū)動(dòng)開 關(guān)。
通過(guò)二極管鏈電源線可以對(duì)每個(gè)電壓?jiǎn)卧碾娙萜鬟M(jìn)行充電。通過(guò)返回開 關(guān)對(duì)充電電流提供返回通路。當(dāng)電容器正在充電或者已充電時(shí)，位于連續(xù)電容 器之間的主開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)并防止電容器串聯(lián)放電。當(dāng)主開關(guān)接通時(shí)，電容 器串聯(lián)連接并放電。在放電期間，返回開關(guān)關(guān)斷。為了對(duì)電容器再次充電，主 開關(guān)關(guān)斷并且返回開關(guān)重新接通。在一實(shí)施方式中，返回開關(guān)還可以在放電期 間接通以通過(guò)提供用于對(duì)寄生電容放電的通路而幫助降低脈沖的下降時(shí)間。還可以設(shè)計(jì)電壓?jiǎn)卧援a(chǎn)生正或者負(fù)電壓脈沖。在一實(shí)施方式中，雙極脈 沖發(fā)生器將包括配置用于產(chǎn)生正脈沖的一系列電壓?jiǎn)卧碾娙萜鹘M與包括配 置用于產(chǎn)生負(fù)脈沖的一系列電壓?jiǎn)卧碾娙萜鹘M連接，所述雙極脈沖發(fā)生器可 以同時(shí)對(duì)兩組電壓?jiǎn)卧乃须娙萜鬟M(jìn)行充電。可以控制各電容器組中的開關(guān) 以放電一組電容器從而產(chǎn)生正脈沖或者負(fù)脈沖。此外，可以添加配置用于串聯(lián) 充電的電壓?jiǎn)卧蕴峁┕潭ㄆ羁刂撇⒖刂飘a(chǎn)生的電壓脈沖的形狀。每個(gè)電壓?jiǎn)卧€可以包括平衡由電壓?jiǎn)卧鸬募纳娙莸钠胶饩W(wǎng)絡(luò)。由 于在一系列電壓?jiǎn)卧械拿總€(gè)電壓?jiǎn)卧?引起"不同的寄生電容，因此該平 衡網(wǎng)絡(luò)可以適用于匹配由電壓?jiǎn)卧鸬募纳娙?。這有利于平衡由每個(gè)單元 引起的電壓。通過(guò)控制哪個(gè)單元工作可以采用電壓?jiǎn)卧{(diào)整電壓脈沖。換句話說(shuō)，可以 使一個(gè)或者多個(gè)電壓?jiǎn)卧还ぷ饕栽诓挥绊懏a(chǎn)生電壓脈沖能力的情況下改變 電壓脈沖。同時(shí)，特定單元的失效不會(huì)阻止脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖。因此，本發(fā) 明的實(shí)施方式可以控制電壓脈沖的幅值，電壓脈沖的持續(xù)時(shí)間和寬度，電壓脈 沖的上升和下降時(shí)間以及類似或者其任意組合。在如下的說(shuō)明書中將對(duì)本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行闡述，并且部分可以 通過(guò)說(shuō)明書顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而獲得。通過(guò)在所附權(quán)利要求書中 所具體指出的方式和組合可以實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)如下的描 述和所附的權(quán)利要求書將使本發(fā)明的所述和其他特征更加顯而易見(jiàn)，或者通過(guò) 實(shí)施以下描述的本發(fā)明了解本發(fā)明的這些和其他特征。
為了描述獲得上述內(nèi)容以及本發(fā)明其他優(yōu)點(diǎn)和特征的方法，這里將通過(guò)參 照附圖中所示的具體實(shí)施方式
對(duì)上述發(fā)明進(jìn)行具體描述。應(yīng)該理解這些附圖僅
描述了本發(fā)明的典型實(shí)施方式，因此并非用于限定本發(fā)明的范圍，通過(guò)采用附 圖對(duì)本發(fā)明的附加特征和細(xì)節(jié)進(jìn)行描述和說(shuō)明，其中圖1所示為采用觸發(fā)管產(chǎn)生電壓脈沖的Marx發(fā)生器實(shí)施例；圖2所示為使用開關(guān)控制一系列電壓?jiǎn)卧拿}沖發(fā)生器實(shí)施例；圖3A所示為一系列電壓?jiǎn)卧⑹境鲇糜诖?lián)連接電壓?jiǎn)卧须娙萜鞯闹鏖_關(guān)和為充電電流提供返回通路的返回開關(guān)；圖3B為脈沖發(fā)生器實(shí)施方式的更詳細(xì)示圖并示出各電壓?jiǎn)卧ㄟ^(guò)二極管串供電的充電電流通路以及向開關(guān)驅(qū)動(dòng)提供輔助能量的二極管串；圖4示出排列用于產(chǎn)生正電壓脈沖的一系列電壓?jiǎn)卧膶?shí)施方式； 圖5示出排列用于產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖的一系列電壓?jiǎn)卧膶?shí)施方式； 圖6為可以產(chǎn)生正、負(fù)脈沖的脈沖發(fā)生器的實(shí)施方式； 圖7示出包括排列用于對(duì)電壓脈沖提供固定偏差(dro叩)控制的電壓?jiǎn)卧拿}沖發(fā)生器的另一實(shí)施方式。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電壓脈沖的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施方式可以控制 電壓脈沖的幅值，電壓脈沖的持續(xù)時(shí)間和寬度、電壓脈沖的上升時(shí)間、電壓脈 沖的下降時(shí)間及其他或者其組合。本發(fā)明的實(shí)施方式包括通常具有串聯(lián)的電容器和開關(guān)的電壓?jiǎn)卧?。一系?電壓?jiǎn)卧械牡谝缓妥詈笠粋€(gè)電壓?jiǎn)卧糜谶B接到負(fù)載。在大多數(shù)電壓?jiǎn)卧?還包括返回開關(guān)。返回開關(guān)為通過(guò)二極管鏈或者二極管鏈電源線施加的充電電 流提供通路。其優(yōu)勢(shì)在于，返回開關(guān)可以不必采用傳統(tǒng)脈沖發(fā)生器中通用的感 應(yīng)器、電阻器和隔離型電源。同時(shí)，通過(guò)輔助二極管鏈對(duì)開關(guān)驅(qū)動(dòng)施加能量， 從而消除了對(duì)于感應(yīng)器、電阻器、隔離型電源以及其他需要向開關(guān)驅(qū)動(dòng)提供輔 助功率的降壓型電源的需要。此外，去除這些元件降低了與這里所述的系統(tǒng)和方法相關(guān)的接地寄生電容，這使得可以串聯(lián)層疊更多的電壓?jiǎn)卧筒糠?。圖2示出用于產(chǎn)生并向負(fù)載傳輸高壓脈沖的脈沖發(fā)生器或者系統(tǒng)的實(shí)施 方式框圖。具體地，系統(tǒng)200產(chǎn)生并向負(fù)載206傳輸高壓脈沖。在系統(tǒng)200 中，開關(guān)電容器組202包括一個(gè)或者多個(gè)通常串聯(lián)排列的電容器或者電壓?jiǎn)卧?210。電壓?jiǎn)卧?10用于將傳送給負(fù)載206的能量存儲(chǔ)為電壓脈沖。
電壓?jiǎn)卧?10通常與通過(guò)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器204控制的開關(guān)212連接。通過(guò)控制 控制信號(hào)208，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器204打開/關(guān)閉開關(guān)212。開關(guān)212的狀態(tài)決定電壓 單元210充電還是通過(guò)負(fù)載206放電。在一實(shí)施方式中，減少了寄生電容的影 響從而可以串聯(lián)連接更多的電壓?jiǎn)卧Ｓ捎诳梢源?lián)連接更多電壓?jiǎn)卧?，因?可以使用較低鬼壓源產(chǎn)生較大電壓脈沖。此外，可以將該開關(guān)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定為較 低電壓。因此，通常可以降低該脈沖發(fā)生器的成本和尺寸。在系統(tǒng)200的實(shí)施方式中，通過(guò)控制開關(guān)212的狀態(tài)對(duì)電壓?jiǎn)卧M(jìn)行并聯(lián) 充電并使電壓?jiǎn)卧?lián)放電。系統(tǒng)200的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于在一個(gè)或者多個(gè)電壓?jiǎn)?元210失效的情況下不會(huì)阻止該系統(tǒng)向負(fù)載206傳輸高壓脈沖?？梢栽O(shè)計(jì)系統(tǒng) 200傳輸正電壓脈沖、傳輸負(fù)電壓脈沖或者既可以傳輸正電壓脈沖又可以傳輸 負(fù)電壓脈沖(雙極輸出)。此外，采用控制信號(hào)208控制電壓脈沖的持續(xù)時(shí)間、 電壓脈沖的幅值、電壓脈沖的上升時(shí)間以及其他或者任意組合。在一實(shí)施方式 中，該控制信號(hào)可以光學(xué)耦合到開關(guān)驅(qū)動(dòng)器204。圖3A示出用于存儲(chǔ)高電壓脈沖和/或向負(fù)載傳輸高電壓脈沖的系統(tǒng)的實(shí) 施方式圖。具體地，圖3A示出一些串聯(lián)連接的電壓?jiǎn)卧?，但是熟悉本領(lǐng)域的 技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，可以包括更多或者更少的電壓?jiǎn)卧?。類似地設(shè)計(jì)并一起 操作各電壓?jiǎn)卧獜亩?i)并聯(lián)或者獨(dú)立于其他電壓?jiǎn)卧鴮?duì)電容器進(jìn)行充電 并且(ii)對(duì)電容器進(jìn)行串聯(lián)放電。例如，在該實(shí)施例中，電壓?jiǎn)卧?62包括用于存儲(chǔ)電荷的電容器366。同 時(shí)，電壓?jiǎn)卧?74中的電容器378也用于存儲(chǔ)電荷。在存儲(chǔ)電荷時(shí)，開關(guān)364 和376 (以及其他電壓?jiǎn)卧械念愃崎_關(guān))斷開。因此，電容器366和378可 以并聯(lián)或者獨(dú)立充電。通過(guò)電源線388對(duì)電容器366和378充電，并由于開關(guān)364和376斷開， 返回開關(guān)368和380接通從而為通過(guò)電源線388施加的充電電流提供返回通 路。如圖3B所示，電源線388為二極管鏈并且通常包括一個(gè)或者多個(gè)隔離電 壓?jiǎn)卧亩O管。開關(guān)驅(qū)動(dòng)370和382分別控制開關(guān)364和376的狀態(tài)。開關(guān) 驅(qū)動(dòng)372和384分別控制開關(guān)368和380的狀態(tài)?？刂凭€390用于控制開關(guān) 364、 376的狀態(tài)以及返回開關(guān)368和380的狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)364和376接通而返回開關(guān)368和380斷開時(shí)，電容器366和378 串聯(lián)連接并對(duì)負(fù)載392放電。換句話說(shuō)，以串聯(lián)形式連接并放電的電容器366 和378產(chǎn)生施加到負(fù)載392的高電壓脈沖。關(guān)斷開關(guān)364和376可以終止該脈 沖。因此，可以通過(guò)控制開關(guān)364和376而控制脈沖的持續(xù)時(shí)間。如果特定的 龜壓?jiǎn)卧В瑒t電源線為在脈沖傳輸期間電流可跟隨通路的實(shí)施例。換句話 說(shuō)，失效的電壓?jiǎn)卧粫?huì)防止產(chǎn)生脈沖或者向負(fù)載392傳輸脈沖。
圖3B示出高壓脈沖發(fā)生器的實(shí)施方式。該實(shí)施方式包括三個(gè)電壓?jiǎn)卧?但是如上所述，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，可以包括更多或者更少的 級(jí)。在該實(shí)施例中，電容器310、 314和318存儲(chǔ)電荷。通過(guò)關(guān)斷開關(guān)308、 312和316而存儲(chǔ)電荷。
在對(duì)電容器310、 314和318充電時(shí)，返回開關(guān)332、 334和336處于接通 狀態(tài)而主開關(guān)308、 312和316處于關(guān)斷狀態(tài)。通路326表示來(lái)自電源304的 對(duì)電容器318進(jìn)行充電的電流通路。同時(shí)，電源304通過(guò)通路324傳輸電流以 對(duì)電容器314進(jìn)行充電。在經(jīng)過(guò)電容器314以后，通路324經(jīng)由接頭330經(jīng)過(guò) 返回開關(guān)336。采用經(jīng)過(guò)二極管320和返回開關(guān)334和336的相似通路對(duì)電容 器310充電。對(duì)電容器310充電的電流流經(jīng)接頭328然后通過(guò)返回開關(guān)334 和336。 二極管320和322將電源304與脈沖隔離并確保電流在放電期間流向 負(fù)載306。同時(shí)，所述二極管允許脈沖繞過(guò)任意失效的電壓?jiǎn)卧?br>
在電容器放電期間，采用分別施加給開關(guān)驅(qū)動(dòng)338、 342和346的控制信 號(hào)接通開關(guān)308、 312和316。同時(shí)，將控制信號(hào)傳輸給開關(guān)驅(qū)動(dòng)340、 344和 348以關(guān)斷返回開關(guān)332、 334和336。當(dāng)關(guān)斷返回開關(guān)332、 334和336時(shí)， 放電電流不會(huì)流過(guò)返回開關(guān)，而是傳輸給負(fù)載306。如圖3B所示，將接頭330表示為感應(yīng)器，而將接頭328表示為導(dǎo)線或者 短路體。通常，在電壓?jiǎn)卧兴薪宇^都是相同的，但是為了描述本發(fā)明的附 加實(shí)施方式，在該實(shí)施例中示出了兩種類型的接頭。當(dāng)接頭為類似接頭330 的感應(yīng)器時(shí)，可能會(huì)延遲接通開關(guān)316和關(guān)斷返回開關(guān)之間的時(shí)序。電感接頭 330增加了脈沖上升沿的上升時(shí)間。
例如，當(dāng)開關(guān)308、 312和316接通并且返回開關(guān)332、 334和336也接通 時(shí)，電流開始在類似接頭330的電感接頭中累積。在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)累積后，返回 開關(guān)332、 334和336會(huì)關(guān)斷。因此在關(guān)斷開關(guān)308、 312和316和接通返回開 關(guān)332、 334和336時(shí)會(huì)存在延遲。然后，將存儲(chǔ)在電感接頭330中的能量添 加到從電容器310、 314和318中釋放的能量中。電感接頭330的感應(yīng)能量與
電容器310、 314和318中存儲(chǔ)的電容能量的結(jié)合會(huì)產(chǎn)生電壓脈沖的更快上升 時(shí)間。但是熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，電感接頭并不需要引入接通開 關(guān)308、 312和316和關(guān)斷返回開關(guān)332、 334和336之間的延遲。當(dāng)脈沖發(fā)生器準(zhǔn)備終止高電壓脈沖時(shí)，通常關(guān)斷開關(guān)308、 312和316。 通過(guò)接通返回開關(guān)332、 334和336可以改善高電壓脈沖的下降時(shí)間。經(jīng)過(guò)返 回開關(guān)打開通路會(huì)有助于對(duì)寄生電容和/或負(fù)載電容放電，這可以改善高電壓 脈沖的下降時(shí)間。圖4示出包括多個(gè)電壓?jiǎn)卧?也稱之為級(jí)或者部分)的脈沖發(fā)生器的方框 圖。圖4所示的脈沖發(fā)生器的實(shí)施例產(chǎn)生正電壓脈沖。圖4示出采用通過(guò)開關(guān) 驅(qū)動(dòng)448、 452、 456和460控制的主開關(guān)414、 416、 418和420以及通過(guò)開關(guān) 驅(qū)動(dòng)446、 450、 454和458控制的返回開關(guān)438、 440、 442和444以如上所述 方式連接的電壓?jiǎn)卧?74、 472、 470和468。在該實(shí)施例中，來(lái)自電源線404 的返回通路包括從充電電容器422、 424、 426和428連接到返回開關(guān)的電感接 頭415、 417和419。圖4還示出由電源466使用的輔助通路473，其用于向開關(guān)驅(qū)動(dòng)446、448、 450、 452、 454、 456< 458和460 (446-460)提供能量。輔助通路473包括輔 助二極管476、 478、 480和482 (476-482)。該輔助二極管476- 482幫助隔 離電源466并有助于向負(fù)載402傳輸脈沖。包括所述輔助二極管476-482的輔助二極管鏈在該二極管鏈的各二極管上 都存在壓降。因此，在二極管鏈中位于特定級(jí)的可用電壓受到其中二極管正向 壓降的影響。由輔助電源466提供的電壓僅提供充分的電壓來(lái)克服二極管的正 向壓降和/或所述充電開關(guān)壓降。如果包括大量的電壓?jiǎn)卧?，則可以包括升壓 (boost)電壓源以提供足夠的電壓級(jí)。在一實(shí)施方式中，開關(guān)驅(qū)動(dòng)或者開關(guān)446- 460可以是本領(lǐng)域中公知的任意 類型的固態(tài)開關(guān)。雙極節(jié)型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、IGBT (絕緣柵雙極晶體 管)、達(dá)林頓雙極晶體管、固態(tài)開關(guān)等均為這里可以采用的開關(guān)的實(shí)施例。每 個(gè)電壓?jiǎn)卧ㄓ糜谥鏖_關(guān)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)和用于返回開關(guān)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)。例如，電 壓?jiǎn)卧?68包括用于控制主開關(guān)414的開關(guān)驅(qū)動(dòng)448。在該實(shí)施例中，通過(guò)開 關(guān)驅(qū)動(dòng)448控制主開關(guān)414的柵。開關(guān)驅(qū)動(dòng)446控制返回開關(guān)438的狀態(tài)。通常由于在二極管鏈和開關(guān)中的前級(jí)二極管上分布?jí)航刀档土诉B續(xù)開關(guān)驅(qū)動(dòng)中開關(guān)驅(qū)動(dòng)446- 460可用的電壓。每個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)或者由地驅(qū)動(dòng)或者由上 一電壓?jiǎn)卧M(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在一實(shí)施方式中，可以使用DC-DC轉(zhuǎn)換器提供足夠的 電壓。在另一實(shí)施方式中，開關(guān)驅(qū)動(dòng)與地光學(xué)耦合。通過(guò)二極管406、 408、 410和412以及返回開關(guān)對(duì)能量存儲(chǔ)龜容器422、 424、 426和428進(jìn)行充電。以該方式充電電容器可不必使用傳統(tǒng)Marx發(fā)生器 中通用的感應(yīng)器、電阻器或者隔離型電源。此外，還可以通過(guò)輔助通路473 中的二極管鏈提供驅(qū)動(dòng)開關(guān)所需的能量，而不必采用感應(yīng)器、電阻器或者隔離 型電源或者其他所需的降壓型電源。開關(guān)可以通過(guò)諸如光纖耦合、變壓器耦合 或者通過(guò)輔助功率二極管進(jìn)行觸發(fā)。包括二極管406、 408、 410和412的二極管鏈具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先， 二極管鏈在脈沖期間將每個(gè)電壓?jiǎn)卧蛘唠妷杭?jí)與其他電壓?jiǎn)卧蛘呒?jí)隔離。 該二極管鏈還可以在特定電壓?jiǎn)卧拈_關(guān)無(wú)法接通或者存在延遲的情況提供 繞過(guò)該特定電壓?jiǎn)卧蛘呒?jí)的替代電流通路。該二極管鏈在即使電壓?jiǎn)卧嬖?延遲或者失效的情況下仍然能夠傳輸電壓脈沖。圖4還示出平衡網(wǎng)絡(luò)430、 432、 434和436。每個(gè)平衡網(wǎng)絡(luò)通常包括與電 阻器串聯(lián)連接的電容器并且每個(gè)平衡網(wǎng)絡(luò)幫助平衡接地的寄生電容。平衡網(wǎng)絡(luò) 中的電容在電壓脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間期間逐部分等量分配電壓。由于與 脈沖變壓器的特定電壓?jiǎn)卧B接的接地寄生電容通常不同于和其他電壓?jiǎn)卧?連接的接地寄生電容，因此每個(gè)電壓?jiǎn)卧碾娙莺?或電阻均適用于匹配由該 電壓?jiǎn)卧?引起"的寄生電容。因此平衡網(wǎng)絡(luò)430的電容可以不同于平衡網(wǎng)絡(luò) 432、 434和436的電容。每個(gè)平衡網(wǎng)絡(luò)中的電阻有助于降低寄生電感和/或寄 生電容的振鈴(ringing)。電源462在負(fù)載402的高壓端提供功率源。例如，如果負(fù)載402為脈沖管， 則電源462可以提供用于脈沖管的燈絲和加熱器的能量。因此電源462在不需 附加設(shè)備的情況下即可在高壓端提供功率源。圖5示出脈沖發(fā)生器的另一實(shí)施方式。圖5類似于圖4所示的脈沖發(fā)生器， 二者存在的區(qū)別在于圖5的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖而圖4的脈沖發(fā)生器產(chǎn) 生正脈沖。配置充電二極管502、 504、 506、 508和510以及輔助二極管512、 514、 516和518以適合負(fù)功率源500和520。所述開關(guān)和返回開關(guān)也適用于負(fù) 電源。
圖6示出具有雙極輸出的脈沖發(fā)生器的實(shí)施方式。換句話說(shuō)，圖6所示的 脈沖發(fā)生器600既可以產(chǎn)生正電壓脈沖又可以產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖。通過(guò)將配置用 于產(chǎn)生正電壓脈沖的電壓?jiǎn)卧c配置用于產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖的電壓?jiǎn)卧?lián)連 接而產(chǎn)生雙極脈沖。在圖6中，正鬼壓?jiǎn)卧?18產(chǎn)生正型電壓脈沖而負(fù)電壓?jiǎn)卧?20產(chǎn)生負(fù)電 壓脈沖。電壓?jiǎn)卧?18與電壓?jiǎn)卧?20串聯(lián)連接。在該實(shí)施例中，用于在電壓 單元618中用于對(duì)電容器充電的二極管鏈602通過(guò)接頭606與電壓?jiǎn)卧?20 的返回線開關(guān)鏈604連接。同樣地，用于在電壓?jiǎn)卧?20中對(duì)電容器充電的二 極管鏈610通過(guò)接頭608與電壓?jiǎn)卧?18的返回線開關(guān)鏈622連接。負(fù)電源輔 助二極管鏈614采用反向DC-DC電源612與正電源輔助二極管鏈616連接。 位于正電壓?jiǎn)卧?18和負(fù)電壓?jiǎn)卧?20中的所有電容器可以同時(shí)進(jìn)行充電。圖7示出包括固定偏差校正的脈沖發(fā)生器的實(shí)施方式。具體地，圖7示出 用于負(fù)脈沖發(fā)生器的固定偏差校正。圖7所示的脈沖發(fā)生器的實(shí)施方式包括如 前所述的多個(gè)電壓?jiǎn)卧?14。在該實(shí)施例中，該電壓?jiǎn)卧?14與不同于該電壓 單元714的一系列單元702連接。在該實(shí)施例中，設(shè)計(jì)電壓?jiǎn)卧?02使其以串聯(lián)形式充電而以并聯(lián)形式放 電。開關(guān)驅(qū)動(dòng)708、 716、 718、 720和722控制開關(guān)706、 732、 734、 736和 738使得電容器704、 724、 726、 728、 730和740串聯(lián)充電。同時(shí)，對(duì)電壓?jiǎn)?元714的存儲(chǔ)電容器并聯(lián)充電。但是，設(shè)計(jì)電壓?jiǎn)卧?02以提供固定偏差校正。當(dāng)電壓?jiǎn)卧?02中的開關(guān)接通時(shí)，電容器串聯(lián)充電。在電壓脈沖期間，對(duì) 電壓?jiǎn)卧?02放電從而調(diào)整電壓脈沖的形狀。在一實(shí)施方式中，通過(guò)在電壓?jiǎn)?元702中控制或者延遲所述電容器的放電而對(duì)整個(gè)脈沖進(jìn)行偏差校正。在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，脈沖可以通過(guò)需要復(fù)位(reset)的核而驅(qū)動(dòng) 脈沖變壓器。包括一與充電開關(guān)的接地端串聯(lián)連接的復(fù)位電源以對(duì)所述核提供 復(fù)位電流。這消除了對(duì)于核復(fù)位感應(yīng)器的需求。在不脫離本發(fā)明精神和其實(shí)質(zhì)特性的情況下，可以通過(guò)其他具體形式實(shí)施 本發(fā)明。某種程度上應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，所述實(shí)施方式僅為示例性的而非限制性的。 因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定而非由上述描述限定。所有落入權(quán)利 要求的內(nèi)容和其等效范圍內(nèi)的變化均包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種產(chǎn)生施加給負(fù)載的電壓脈沖的脈沖發(fā)生器，包括 一個(gè)或者多個(gè)串聯(lián)連接的電壓?jiǎn)卧?，每個(gè)電壓?jiǎn)卧?電容器；與所述電容器串聯(lián)連接的主開關(guān)，其中當(dāng)所述主開關(guān)接通時(shí)，所述電容器 與所述一個(gè)或者多個(gè)電壓?jiǎn)卧械钠渌娙萜鞔?lián)連接；以及返回開關(guān)，用于在所述主開關(guān)關(guān)斷時(shí)，為對(duì)電容器充電的電流提供返回通路；與所述一個(gè)或者多個(gè)電壓?jiǎn)卧械拿恳粋€(gè)連接的二極管鏈，其中通過(guò)所述 二極管鏈向所述電容器施加充電電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，每個(gè)電壓?jiǎn)卧€包 括用于控制所述主開關(guān)的第一開關(guān)驅(qū)動(dòng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，每個(gè)電壓?jiǎn)卧€包 括用于控制所述返回開關(guān)的第二開關(guān)驅(qū)動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括與每個(gè)電壓 單元的第一開關(guān)驅(qū)動(dòng)和第二開關(guān)驅(qū)動(dòng)連接的第二二極管鏈。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括從所述電容 器到所述返回開關(guān)的電感接頭。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，相對(duì)于所述主開關(guān) 的接通時(shí)間而對(duì)所述返回開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間的控制通過(guò)在所述電感接頭中存儲(chǔ) 感應(yīng)能量而降低電壓脈沖的上升時(shí)間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，配置所述二極管鏈、 主開關(guān)和返回開關(guān)以產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖、正電壓脈沖和雙極電壓脈沖其中之一。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括與所述返回 開關(guān)串聯(lián)連接的復(fù)位電源，其中所述復(fù)位電源向所述負(fù)載提供復(fù)位電流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括具有串聯(lián)充 電的附加電容器的一個(gè)或者多個(gè)附加電壓?jiǎn)卧?，其中附加開關(guān)控制附加電容器 的放電以調(diào)整所述電壓脈沖的固定偏差。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，每個(gè)電壓?jiǎn)卧€包 括與所述主開關(guān)和所述電容器連接的平衡網(wǎng)絡(luò)，該平衡網(wǎng)絡(luò)具有用來(lái)匹配由所 述電壓?jiǎn)卧鸬募纳娙莸娜菘埂?br>
11. 一種用于產(chǎn)生施加到負(fù)載的電壓脈沖的脈沖發(fā)生器，包括 第一電容器組，包括一個(gè)或者多個(gè)主開關(guān)；與該一個(gè)或者多個(gè)開關(guān)串聯(lián)連接的一個(gè)或者多個(gè)電容器，使得每個(gè)開關(guān)后 面都連接有電容器；與所述第一 電容器組連接的二極管鏈電源，其中通過(guò)所述二極管鏈向所述 一個(gè)或者多個(gè)電容器提供充電電流；與所述第一電容器組連接的一個(gè)或者多個(gè)返回開關(guān)，其中在所述一個(gè)或者 多個(gè)返回開關(guān)接通時(shí)，該返回開關(guān)為充電電流提供返回通路；以及一個(gè)或者多個(gè)主開關(guān)驅(qū)動(dòng)，用于接通所述一個(gè)或者多個(gè)主開關(guān)從而放電所 述一個(gè)或者多個(gè)電容器并且關(guān)斷一個(gè)或者多個(gè)主開關(guān)從而充電所述一個(gè)或者 多個(gè)電容器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括一個(gè)或者 多個(gè)返回開關(guān)驅(qū)動(dòng)，用于接通一個(gè)或者多個(gè)返回開關(guān)從而為充電電流提供返回 通路并且在一個(gè)或者多個(gè)主開關(guān)接通時(shí)關(guān)斷一個(gè)或者多個(gè)返回開關(guān)驅(qū)動(dòng)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括輔助二極 管鏈電源，其用于向一個(gè)或者多個(gè)主開關(guān)驅(qū)動(dòng)和一個(gè)或者多個(gè)返回開關(guān)驅(qū)動(dòng)提 供能量。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括將所述一 個(gè)或者多個(gè)返回開關(guān)連接到電容器組的一個(gè)或者多個(gè)連接器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，所述一個(gè)或者多 個(gè)連接器為短路接頭。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，所述一個(gè)或者多 個(gè)連接器為電感接頭。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，相對(duì)于所述一個(gè) 或者多個(gè)主開關(guān)的接通時(shí)間而延遲所述一個(gè)或者多個(gè)返回開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，從 而使得在所述電感接頭中累積感應(yīng)能量以減少所述電壓脈沖的上升時(shí)間。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，在關(guān)斷所述一個(gè) 或者多個(gè)主開關(guān)以前接通所述一個(gè)或者多個(gè)返回開關(guān)以減少所述電壓脈沖的 下降時(shí)間。
19. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，還包括第二電容 器組，其中所述第二電容器組的一個(gè)或者多個(gè)主開關(guān)以及所述第二電容器組的 一個(gè)或者多個(gè)返回開關(guān)反相從而使得第二組電壓?jiǎn)卧獋鬏斬?fù)脈沖。
20. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，同時(shí)從電源對(duì)所 述第一電容器組的一個(gè)或者多個(gè)電容器以及所述第二電容器組的一個(gè)或者多 個(gè)電容器進(jìn)行充電。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，所述二極管鏈與 一個(gè)或者多個(gè)和所述第二電容器組連接的返回開關(guān)連接，并且用于向所述第二 電容器組的一個(gè)或者多個(gè)電容器傳輸充電電流的第二二極管鏈與連接到所述 第一電容器組的一個(gè)或者多個(gè)返回開關(guān)連接。
22. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的脈沖發(fā)生器，其特征在于，第二輔助二極管 鏈通過(guò)反向DC/DC電源與第一輔助二極管鏈連接。
23. —種與其他電壓?jiǎn)卧?lián)連接以形成產(chǎn)生電壓脈沖的脈沖發(fā)生器的電 壓?jiǎn)卧撾妷簡(jiǎn)卧ㄅ渲糜糜谂c另一電壓?jiǎn)卧碾娙萜鞔?lián)連接的主開關(guān)； 與所述主開關(guān)串聯(lián)連接的電容器，并且配置該電容器與不同電壓?jiǎn)卧闹鏖_關(guān)串聯(lián)連接；配置用于接通和關(guān)斷所述主開關(guān)的主開關(guān)驅(qū)動(dòng)； 配置用于與其他電壓?jiǎn)卧姆祷亻_關(guān)串聯(lián)連接的返回開關(guān)； 配置用于接通和關(guān)斷所述返回開關(guān)的返回開關(guān)驅(qū)動(dòng)；以及 位于所述電容器和返回開關(guān)之間的接頭，其中所述接頭為用于對(duì)所述電容器充電的充電電流提供通路。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓?jiǎn)卧?，其特征在于，位于所述電容器?返回開關(guān)之間的接頭為短路接頭。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓?jiǎn)卧?，其特征在于，位于所述電容器?返回開關(guān)之間的接頭為電感接頭。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓?jiǎn)卧涮卣髟谟?，所述主開關(guān)為場(chǎng)效 應(yīng)晶體管、雙極節(jié)型晶體管、絕緣柵雙極晶體管其中之一，并且所述返回開關(guān) 為與主開關(guān)同一類型的開關(guān)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓?jiǎn)卧?，其特征在于，還包括與所述主開 關(guān)和電容器連接的二極管，其中通過(guò)所述二極管接收充電電流并對(duì)電容器進(jìn)行 充電。
28. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓?jiǎn)卧?，其特征在于，還包括跨接在所述 主開關(guān)和電容器之間的平衡網(wǎng)絡(luò)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的電壓?jiǎn)卧?，其特征在于，所述平衡網(wǎng)絡(luò)包括 與電阻串聯(lián)連接的平衡電容器，配置所述平衡電容器用于匹配由所述電壓?jiǎn)卧?引起的寄生電容以及選擇用于降低電壓脈沖中的振鈴的電阻。
30. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓?jiǎn)卧?，其特征在于，通過(guò)主開關(guān)驅(qū)動(dòng)和 返回開關(guān)驅(qū)動(dòng)接收控制信號(hào)，所述控制信號(hào)控制所述主開關(guān)接通和關(guān)斷并且控 制所述返回開關(guān)接通和關(guān)斷。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電壓?jiǎn)卧涮卣髟谟?，通過(guò)在所述主開關(guān) 接通延遲一定時(shí)間后關(guān)斷所述返回開關(guān)而控制電壓脈沖的上升時(shí)間，使得在位 于所述電容器和返回開關(guān)之間的接頭中累積感應(yīng)能量，其中所述感應(yīng)能量用于 在返回開關(guān)關(guān)斷時(shí)增加所述電壓脈沖的上升時(shí)間。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電壓?jiǎn)卧?，其特征在于，在電壓脈沖結(jié)束時(shí) 接通所述返回開關(guān)從而對(duì)負(fù)載的寄生電容放電并提高所述電壓脈沖的下降時(shí) 間。
33. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電壓?jiǎn)卧涮卣髟谟?，所述電壓?jiǎn)卧c其 他電壓?jiǎn)卧B接，并且使所述電壓?jiǎn)卧还ぷ鲝亩档退鲭妷好}沖的幅值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于產(chǎn)生高壓脈沖的系統(tǒng)和方法。連接一系列的電壓?jiǎn)卧獜亩梢酝ㄟ^(guò)并聯(lián)方式對(duì)充電電容器進(jìn)行充電并且以串聯(lián)方式使其放電。每個(gè)單元包括主開關(guān)和返回開關(guān)。當(dāng)主開關(guān)接通時(shí)，該單元中的電容器串聯(lián)連接并放電。當(dāng)主開關(guān)關(guān)斷且返回開關(guān)接通時(shí)，電容器并聯(lián)充電。一個(gè)或者多個(gè)單元可以不工作而不阻止產(chǎn)生脈沖?？梢酝ㄟ^(guò)電壓?jiǎn)卧刂品?、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間和下降時(shí)間。每個(gè)電壓?jiǎn)卧€包括平衡網(wǎng)絡(luò)以匹配由每個(gè)電壓?jiǎn)卧鸬募纳娙荨?br>
文檔編號(hào)H02M3/07GK101124714SQ200580014096
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2005年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月4日
發(fā)明者理查德·L·卡斯?fàn)?申請(qǐng)人:斯坦格尼斯工業(yè)公司