非线性传输线高压脉冲锐化制造技术

一些实施例包括高压非线性传输线，高压非线性传输线包括：高压输入，被配置为接收具有大于5kV的第一峰值电压的电脉冲，第一峰值电压具有第一上升时间；多个电路元件，多个电路元件中的每一个具有电阻器和非线性半导体结电容器件；多个电感器，多个电感器至少其中之一电耦接在多个电路元件中的两个电路元件之间；以及高压输出，用于提供具有第二上升时间的第二峰值电压，第二上升时间比第一上升时间更快。

High Voltage Pulse Sharpening for Nonlinear Transmission Lines

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】非线性传输线高压脉冲锐化
技术介绍
产生具有快速上升时间的高压脉冲是具有挑战性的。例如，为了实现高电压(例如大于10kV)脉冲的快速上升时间(例如小于50ns)，脉冲上升的斜率必须非常陡。这种陡的上升时间非常难以产生，尤其对于以紧凑方式使用标准电气部件来说更难。此外，难以产生这种具有可变脉冲宽度和/或高脉冲重复率的、具有快速上升时间的高压脉冲。
技术实现思路
一些实施例包括高压非线性传输线，该高压非线性传输线包括：高压输入，被配置为接收具有大于5kV的第一峰值电压的电脉冲，所述第一峰值电压具有第一上升时间；与地电耦接的多个电路元件，所述多个电路元件中的每一个包括电阻器和非线性半导体结电容器件；多个电感器，所述多个电感器至少其中之一电耦接在所述多个电路元件中的两个电路元件之间；以及高压输出，用于提供具有第二上升时间的第二峰值电压，所述第二上升时间比所述第一上升时间更快。在一些实施例中，所述第二峰值电压与所述第一峰值电压基本相同。在一些实施例中，所述多个电感器中的每一个具有小于约500nH的电感。在一些实施例中，所述多个电阻器中的每一个具有小于约1000欧姆的电阻。在一些实施例中，所述多个非线性半导体结电容器件中的每一个具有小于约100nH的电感。在一些实施例中，所述非线性半导体结电容器件中的每一个包括二极管。在一些实施例中，所述非线性半导体结电容器件中的每一个具有随电压非线性变化的电容。在一些实施例中，所述多个电路元件包括至少10个电路元件。在一些实施例中，所述非线性半导体结电容器件中的每一个包括并联和/或串联布置的多个非线性半导体结电容器件。在一些实施例中，所述非线性半导体结电容器件具有小于10nF的电容。附图说明当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点。图1是根据一些实施例的纳秒脉冲发生器和非线性传输线的方框图。图2是根据一些实施例的非线性传输线的电路图。图3是根据一些实施例的非线性传输线的电路图。图4是根据一些实施例的非线性传输线的电路图。图5是包括任何数量个NSJC器件的串联组合的非线性传输线的电路图。图6是包括任何数量个NSJC器件的串联组合的非线性传输线的电路图。图7示出非线性传输线的输入脉冲波形和输出波形。图8和图9是具有高脉冲重复频率的波形。具体实施方式公开了一种非线性传输线。在一些实施例中，非线性传输线可包括多个非线性半导体结电容器件(例如，非线性电感器和/或非线性电容器)。在一些实施例中，非线性传输线可以锐化高压输入脉冲的上升时间，该高压输入脉冲例如可具有可变脉冲宽度和/或高脉冲重复率。本专利技术的一些实施例包括使用非线性半导体结电容器件。在一些电压状态下的非线性半导体结电容器件可具有随着非线性半导体结电容器件两端的电压而变化的电容。非线性半导体结可包括P型结或N型结。由P型和N型导电材料的区域之间的边界限定的半导体结在某些条件下是电容器。该结电容从与该结相关联的耗尽层或空间电荷区域的电荷产生。空间电荷区域识别两侧上与结相邻的体积：在该体积中由于电离的杂质原子的存在而引起的净固定电荷未被移动电荷载流子中和。在耗尽层之外，移动载流子(即P型材料中的空穴和N型材料中的电子)以几乎正好适当的数量存在，以中和固定电荷。如果通过向结的一侧上的触点施加电压而使结在正向或反向上略微偏置，则该电压促使空穴和电子分布分别朝向或远离彼此移动。当耗尽层变窄或变宽时，附加的空穴和电子在触点处进入或离开半导体，以保持P型区域和N型区域的中性。因此，在器件的端子处引入一定量的电荷，并忽略电荷载流子的复合或生成，如果施加的电压变回零，则相同量的电荷返回。因此，半导体结器件类似于电容器。施加的电压与在端子处引入的电荷量之间的关系是非线性的，即电容(被定义为随电压变化的电荷变化率)取决于电压。非线性半导体结还可包括金属-半导体结，其中金属与半导体材料紧密接触。金属与半导体材料之间的这种紧密接触可以产生结电容，结电容可以随施加的电压而变化。金属-半导体结可称为肖特基势垒二极管、肖特基势垒结或点接触二极管。金属-半导体结例如可包括具有P型或N型半导体区域的金属。在一些实施例中，NSJC器件可以是一个电容器或多个电容器。在一些实施例中，NSJC器件可包括在电路板上蚀刻的两个并联导体(或电容器)。图1是根据一些实施例的具有高压脉冲发生器(highvoltagepluser)105和非线性传输线115的系统的方框图。该系统可包括或不包括与非线性传输线115的输出耦接的输出120。在一些实施例中，例如，高压脉冲发生器105的浮动输出可以与非线性传输线115电耦接。高压脉冲发生器105例如可包括多个固态开关(例如，IGBT、MOSFET、FET、SiC、GaN开关)和/或变压器。高压脉冲发生器105例如可以设计和/或构造为具有低杂散电感和/或低杂散电容。高压脉冲发生器105例如可以产生高压脉冲，该高压脉冲具有快速上升时间、高电压(例如大于1kV)、可变脉冲宽度、高重复率等。可以使用任何类型的高压脉冲发生器。高压脉冲发生器105可包括在美国专利公开第2015/0130525号和/或美国专利公开第2015/0318846号中所述的高压纳秒脉冲发生器，其全部内容通过参考合并于此以公开脉冲发生器105。在一些实施例中，高压脉冲发生器105例如可以以可变脉冲宽度、大于1kV(或甚至高达100kV)的电压和/或10kHz-100kHz的脉冲重复频率操作。在一些实施例中，高压脉冲发生器105可以以单脉冲状态操作，或者以具有长脉冲的状态操作。例如，非线性传输线115可以锐化高压脉冲发生器105产生的一个或多个高压脉冲的上升时间(例如，缩短上升时间、加快上升时间等)。锐化的输出脉冲可以具有与高压脉冲发生器105所产生的一个或多个电压脉冲基本相同的高电压、基本相同的重复率和/或基本相同的可变脉冲宽度。非线性传输线115可包括非线性传输线200、300、400、500、600或它们的一些变型。在一些实施例中，输出120可以产生高压输出，其具有与由输入(例如，来自高压脉冲发生器105)提供的电压大致相同的电压。在一些实施例中，输出脉冲可具有比输入上升时间更快的上升时间。例如，输入脉冲可以具有10kV的电压和20ns的上升时间；输出脉冲可以具有10kV的电压和10ns的上升时间。图2是根据一些实施例的非线性传输线200的电路图。非线性传输线200可包括能够连接到高压脉冲发生器105的输入。在一些实施例中，非线性传输线200可包括高压脉冲发生器105。非线性传输线200包括第一电路元件250A，第一电路元件250A包括第一电阻器210A、第一非线性半导体结电容(NSJC)器件205A和第一电感器215A。在一些实施例中，第一电路元件250A可以电耦接到高压脉冲发生器105和地两者。非线性传输线200包括第二电路元件250B，第二电路元件250B包括第二电阻器210B、第二NSJC器件205B和第二电感器215B。在一些实施例中，第二电路元件250B可以电耦接到第一电感器215A和地两者。非线性传输线200包括第三电路元件250C，第三电路元件250C包括第三电阻器210C、第三NSJC器件205C和第三电感器215C。在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高压非线性传输线，包括：高压输入，被配置为接收具有大于5kV的第一峰值电压的电脉冲，所述第一峰值电压具有第一上升时间；多个电路元件，所述多个电路元件中的每一个具有电阻器和非线性半导体结电容器件；多个电感器，所述多个电感器至少其中之一电耦接在所述多个电路元件中的两个电路元件之间；以及高压输出，用于提供具有第二上升时间的第二峰值电压，所述第二上升时间比所述第一上升时间更快。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.11 US 62/406,710;2017.04.04 US 15/479,1831.一种高压非线性传输线，包括：高压输入，被配置为接收具有大于5kV的第一峰值电压的电脉冲，所述第一峰值电压具有第一上升时间；多个电路元件，所述多个电路元件中的每一个具有电阻器和非线性半导体结电容器件；多个电感器，所述多个电感器至少其中之一电耦接在所述多个电路元件中的两个电路元件之间；以及高压输出，用于提供具有第二上升时间的第二峰值电压，所述第二上升时间比所述第一上升时间更快。2.根据权利要求1所述的高压非线性传输线，其中，所述第二峰值电压与所述第一峰值电压基本相同。3.根据权利要求1所述的高压非线性传输线，其中，所述多个电感器中的每一个具有小于约500nH的电感。4.根据权利要求1所述的高压非线性传输线，其中，所述多个电阻器中的每一个具有小于约1000欧姆的电阻。5.根据权利要求1所述的高压非线性传输线，其中，所述多个非线性半导体结电容器件中的每一个具有小于约100nH的电感。6.根据权利要求1所述的高压非线性传输线，其中，所述非线性半导体结电容器件中的每一个包括二极管。7.根据权利要求1所述的高压非线性传输线，其中，每个所述非线性半导体结电容器件具有随电压非线性变化的电容。8.根据权利要求1所述的高压非线性传输线，其中，所述多个电路元件包括至少10个电路元件。9.根据权利要求1所述的高压非线性传输线，其中，每个所述非线性半导体结电容器件包括并联和/或串联布置的多个非线性半导体结电容器件。10.根据权利要求1所述的高压非线性传输线，其中，所述非线性半导体结电容器件具有小于5nF的电容。11.一种非线性传输线，包括：高压输入，被配置为接收具有大于5kV的第一峰值电压的电脉冲，所述第一峰值电压具有第一上升时间；第一电路元件，与所述高压输入电耦接，所述第一电路元件包括：第一非线性半导体结电容器件；第一电阻器，与所述第一非线性半导体结电容器件串联电耦接；以及第一电感器；第二电路元件，与所述第一电感器电耦接，所述第二电路元件包括：第二非线性半导体结电容器件；第二电阻器，与所述第二非线性半导体结电容器件串联电耦接；以及第二电感器；第三电路元件，与所述第二电感器电耦接，所述第三电路元件包括：第三非线性半导体结电容器件；第三电阻器，与所述第三非线性半导体结电容器件串联电耦接；以及第三电感器；第四电路元件，与所述第三电感器电耦接，所述第四电路元件包括：第四非线性半导体结电容器件；第四电阻器，与所述第四非线性半导体结电容器件串联电耦接；以及第四电感器；第五电路元件，与所述第四电感器电耦接，所述第五电路元件包括：第五非线性半导体结电容器件；第五电阻器...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·R·普拉格，迪麦西·M·津巴，肯尼斯·E·米勒，
申请(专利权)人：鹰港科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US