一种基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器，主要包括高压直流电源、信号发生模块、Marx发生器M1、Marx发生器M2、光电转换电路、驱动芯片、电阻R1、电阻R2和负载R3。本专利提供了一种通过两路Marx发生器相切的原理来产生在高阻抗下脉宽最小能达到10ns的纳秒脉冲。

An all solid state nanosecond pulse generator based on two-way Marx tangency

【技术实现步骤摘要】
一种基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器
本专利技术涉及等离子体放电领域，具体是一种基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器。
技术介绍
近年来，随着脉冲功率技术的快速发展和应用的领域不断拓宽，脉冲发生器在生物医学、食品加工、电磁成形、等离子体研究等领域的需求有着良好的应用前景。目前针对于食品加工和处理的研究中，主要分为加热处理与非热处理，由于加热处理会影响食品的天然特性，所以，现在正大力发展非热处理技术。脉冲电场(PEF)技术是目前在非热处理中效果最好，最有工业前景的技术。而研究表明短脉冲能够起到有效杀菌的作用，并且当脉冲足够短时会引起新的生物化学效应。但是由于一般食品溶液都呈高阻态特性，目前使用的全固态脉冲源的脉宽几乎没有达到100ns以下，所以研制一台是脉冲宽度小于数十ns，具有很强的高阻抗负载适应性的全固态纳秒脉冲源对于食品处理的发展趋势有着重大意义。基于全固态半导体开关研制出来的高压脉冲源主要为Marx发生器、形成线脉冲源、直线型变压器驱动源(LTD)等。但是要产生灵活可调的并适用于高阻抗的纳秒窄脉冲，以上传统的全固态脉冲源都有其局限性。全固态Marx发生器由于受到开关驱动芯片的带宽和驱动功率的以及开关本身的动作特性限制，很难使得脉宽下到几十纳秒，并且在高阻抗下，由于放电回路时间常数较大，下降沿会有严重的拖尾，即使采用尾切开关缩短下降沿，但是由于需要考虑到尾切开关死区设置时间，也很难使得脉冲下降沿时间缩短到20ns以下。全固态LTD虽然能产生更快前沿和更窄脉冲，但是和Marx一样受到开关驱动和开关动作特性的限制，并且在高阻抗下也拥有严重拖尾，所以LTD适用于低阻抗大电流的应用。形成线虽然能产生窄脉冲，但是其需要阻抗匹配并且只能通过调节传输线长度来调节脉宽，调节不够灵活，适应性不强。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器，主要包括高压直流电源、信号发生模块、Marx发生器M1、Marx发生器M2、光电转换电路、驱动芯片、电阻R1、电阻R2、负载R3和隔离电源模块。所述隔离电源模块为光电转换电路和驱动芯片供电。所述高压直流电源为Marx发生器M1、Marx发生器M2和负载供电。所述信号发生模块产生TTL电信号，并发送至光电转换电路。所述光电转换电路主要包括光纤接收器和光纤发射器。所述光纤发射器将TTL电信号转换为光信号，并发送至光纤接收器。所述光纤接收器将光信号还原为TTL电信号，并将TTL电信号发送至驱动芯片，使驱动芯片产生开关驱动信号。所述驱动芯片根据开关驱动信号控制Marx发生器M1和Marx发生器M2中开关管的通断。所述Marx发生器M1并联电阻R1。所述Marx发生器M2并联电阻R2。负载R3以差分方式连接在Marx发生器M1和Marx发生器M2的输出端之间。Marx发生器M1和Marx发生器M2在负载R3上相切产生脉宽和幅值可调的纳秒脉冲。Marx发生器M1和Marx发生器M2均由n级模块化Marx电路堆叠而成。任一个模块化Marx电路集成在PCB板上。n个PCB板之间采用铜柱连接。n为正整数。优选的，n＝7。任一个模块化Marx电路包括一个储能电容、两个二极管和一个半导体开关管。Marx发生器M1中第i个模块化Marx电路如下所示：二极管VD1-i1的阴极串联电容C1-i后连接二极管VD1-i2的阳极。二极管VD1-i2的阴极串联半导体开关管S1-i的源极。半导体开关管S1-i的栅极悬空。半导体开关管S1-i的漏极串联二极管VD1-(i+1)1的阳极。Marx发生器M1中第一个模块化Marx的二极管VD1-11的阳极串联电阻Rc1后连接高压直流电源。Marx发生器M2中第i个模块化Marx电路如下所示：二极管VD2-i1的阴极串联电容C2-i后连接二极管VD2-i2的阳极。二极管VD2-i2的阴极串联半导体开关管S1-i的源极。半导体开关管S1-i的栅极悬空。半导体开关管S1-i的漏极串联二极管VD2-(i+1)1的阳极。Marx发生器M2中第一个模块化Marx的二极管VD2-11的阳极串联电阻Rc2后连接高压直流电源。i＝1,2，…，n。Marx发生器M1和Marx发生器M2相连的一端接地。当Marx发生器M1和Marx发生器M2处于充电状态时，Marx发生器M1和Marx发生器M2的所有半导体开关管关断，高压直流电源通过二极管VD1-i1和二极管VD1-i2对储能电容C1-i充电，通过二极管VD2-i1和二极管VD2-i2对储能电容C2-i充电。Marx发生器M1和Marx发生器M2充电完成后，Marx发生器M1接收TTL电信号，使开关管S1-i导通。储能电容C1-i放电，并在电阻R1上输出电压幅值为的正极性脉冲。UC1-i为储能电容C1-i的充电电压。在延时tp时刻之后，Marx发生器M2接收TTL电信号，使开关管S2-i导通。储能电容C2-i放电，并在电阻R2上输出电压幅值为的正极性脉冲。UC2-i为储能电容C2-i的充电电压。此时，Marx发生器M1和Marx发生器M2在负载R3上相切产生脉宽为tp的纳秒脉冲。本专利技术的技术效果是毋庸置疑的。本专利提供了一种通过两路Marx发生器相切的原理来产生在高阻抗下脉宽最小能达到10ns的纳秒脉冲。本专利技术提供的一种纳秒窄脉冲发生器体积小、全固态、高重频、脉冲的上升时间与下降时间都在10ns左右、脉冲宽度及脉冲幅值可以进行灵活调节。附图说明图1为双Marx相切基本原理图。图2为单路Marx电路工作图。图3为全固态双Marx相切电路拓扑图。图4为一个周期的脉冲形成时序图。图5为10ns脉宽不同幅值的电压波形。图6为20ns脉宽不同幅值的电压波形。图7为不同脉宽的输出电压波形。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。实施例1：参见图1至图4，一种基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器，主要包括高压直流电源、信号发生模块、Marx发生器M1、Marx发生器M2、光电转换电路、驱动芯片、电阻R1、电阻R2、负载R3和隔离电源模块。所述隔离电源模块为光电转换电路和驱动芯片供电。所述高压直流电源为Marx发生器M1、Marx发生器M2和负载供电。所述信号发生模块产生TTL电信号，并发送至光电转换电路。所述光电转换电路主要包括光纤接收器和光纤发射器。所述光纤发射器将TTL电信号转换为光信号，并发送至光纤接收器。所述光纤接收器将光信号还原为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器，其特征在于：主要包括高压直流电源、信号发生模块、Marx发生器M1、Marx发生器M2、光电转换电路、驱动芯片、电阻R1、电阻R2和负载R3。/n所述高压直流电源为Marx发生器M1、Marx发生器M2和负载供电；/n所述信号发生模块产生TTL电信号，并发送至光电转换电路；所述光电转换电路主要包括光纤接收器和光纤发射器；/n所述光纤发射器将TTL电信号转换为光信号，并发送至光纤接收器；/n所述光纤接收器将光信号还原为TTL电信号，并将TTL电信号发送至驱动芯片，使驱动芯片产生开关驱动信号；所述驱动芯片根据开关驱动信号控制Marx发生器M1和Marx发生器M2中开关管的通断；/n所述Marx发生器M1并联电阻R1；/n所述Marx发生器M2并联电阻R2；/nMarx发生器M1和Marx发生器M2在负载R3上相切产生脉宽和幅值可调的纳秒脉冲。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器，其特征在于：主要包括高压直流电源、信号发生模块、Marx发生器M1、Marx发生器M2、光电转换电路、驱动芯片、电阻R1、电阻R2和负载R3。
所述高压直流电源为Marx发生器M1、Marx发生器M2和负载供电；
所述信号发生模块产生TTL电信号，并发送至光电转换电路；所述光电转换电路主要包括光纤接收器和光纤发射器；
所述光纤发射器将TTL电信号转换为光信号，并发送至光纤接收器；
所述光纤接收器将光信号还原为TTL电信号，并将TTL电信号发送至驱动芯片，使驱动芯片产生开关驱动信号；所述驱动芯片根据开关驱动信号控制Marx发生器M1和Marx发生器M2中开关管的通断；
所述Marx发生器M1并联电阻R1；
所述Marx发生器M2并联电阻R2；
Marx发生器M1和Marx发生器M2在负载R3上相切产生脉宽和幅值可调的纳秒脉冲。


2.根据权利要求1或2所述的基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器，其特征在于：电阻R1和电阻R2的阻值相等。


3.根据权利要求1或2所述的基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器，其特征在于：还包括隔离电源模块；所述隔离电源模块为光电转换电路和驱动芯片供电。


4.根据权利要求1所述的基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器，其特征在于：负载R3以差分方式连接在Marx发生器M1和Marx发生器M2的输出端之间。


5.根据权利要求1所述的基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器，其特征在于：Marx发生器M1和Marx发生器M2均由n级模块化Marx电路堆叠而成；任一个模块化Marx电路集成在PCB板上；n个PCB板之间采用铜柱连接；n为正整数；
任一个模块化Marx电路包括一个储能电容、两个二极管和一个半导体开关管；
Marx发生器M1中第i个模块化Marx电路如下所示：
二极管VD1-i1的阴极串...

【专利技术属性】
技术研发人员：余亮，马剑豪，董守龙，姚陈果，何映江，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50