全固态高压脉冲模块开关组制造技术

本发明专利技术公开的全固态高压脉冲模块开关组，包括：直流电压源模块、前级开关模块、驱动模块、扩压模块、脉冲压缩模块以及负载模块；直流电压源模块与前级开关模块的输入端连接；驱动模块与前级开关模块的控制端连接；前级开关模块的输出端与扩压模块的输入端连接；扩压模块的输出端与脉冲压缩模块的输入端连接；脉冲压缩模块的输出端与负载模块连接。该全固态高压脉冲模块开关组，具有简单易于实现、工作频率稳定的优点。稳定的优点。稳定的优点。

【技术实现步骤摘要】
全固态高压脉冲模块开关组


[0001]本专利技术涉及脉冲功率
，具体涉及一种全固态高压脉冲模块开关组。

技术介绍

[0002]全固态高压脉冲一直是脉冲功率
的重要追求目标之一，广泛应用于激光、探地雷达、高速相机和高能物理等领域，具有重要的研究和实用价值。开关是脉冲功率系统的核心器件，其中半导体固态开关普遍具有单器件输出电压较低的特点，往往需要采取相适用的技术手段才能实现系统输出高压脉冲。例如，多个半导体固态开关器件串联电路、Marx电路或两者混合的电路等。开关的串联电路对器件的一致性要求较高，器件需筛选，否则在串联工作过程中容易损坏，并且多管级联时要求供电电压较高、功耗大。Marx电路由多级电路构成，需要为开关器件提供相互隔离的多路同步驱动信号，通常光纤信号隔离(或变压器隔离、光耦隔离等)的数量不少于开关器件的数量。甚至还需后续利用传输线变压器等进行电路拓扑，完成脉冲的功率合成才能满足需求。因此为实现开关器件的同步触发以及隔离保护等，使得Marx电路结构较为复杂，并且Marx电路的输出效率随着级数的增加显著降低。多管串联的Marx电路，每级由多只串联开关器件代替单只开关器件，其直流耐压水平显著提高，以提高输出电压，但受到充电速度和开关器件所承受的电流过流倍数的影响，很难在较高的频率下工作，并且多管串联的Marx电路同样具有电路复杂的缺点。上述几种高压脉冲模块开关组具有结构复杂，使用器件多，体积大，成本高的缺点，导致在很多高压场合的应用受到限制。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种全固态高压脉冲模块开关组，具有简单易于实现、工作频率稳定的优点。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是，全固态高压脉冲模块开关组，包括：直流电压源模块、前级开关模块、驱动模块、扩压模块、脉冲压缩模块以及负载模块；
[0005]直流电压源模块与前级开关模块的输入端连接；驱动模块与前级开关模块的控制端连接；前级开关模块的输出端与扩压模块的输入端连接；扩压模块的输出端与脉冲压缩模块的输入端连接；脉冲压缩模块的输出端与负载模块连接。
[0006]本专利技术的特征还在于，
[0007]驱动模块为驱动器；负载模块为负载电阻R
L
。
[0008]直流电压源模块包括有直流电压源、限流电阻R1及储能电容C1；
[0009]直流电压源提供正向直流电压；
[0010]直流电压源的V
in+
端与限流电阻R1的第一端连接，直流电压源的V
in
‑
端分别与储能电容C1的第二端、脉冲压缩模块及负载电阻R
L
的第一端连接；限流电阻R1的第二端分别与储能电容C1的第一端及前级开关模块连接。
[0011]前级开关模块包括有动态均压电阻R2、动态均压二极管D1、动态均压电容C2、静态
均压电阻R3及前级开关器件；
[0012]前级开关器件开通后致使所述扩压模块和脉冲压缩模块中的所有开关器件自击穿；
[0013]均压器件的参数设置必须满足所述前级开关器件的分压值被限制在击穿电压之下，确保所述前级开关器件的安全性和稳定性；
[0014]前级开关器件为MOSFET、IGBT或晶闸管；前级开关器件为MOSFET时，动态均压电阻R2的第一端、动态均压二极管D1的阳极、静态均压电阻R3的第一端、前级开关器件MOSFET的漏极均与限流电阻R1的第二端连接；
[0015]动态均压电阻R2的第二端分别与动态均压二极管D1的阴极、动态均压电容C2的第一端连接；
[0016]前级开关器件MOSFET的源极分别和静态均压电阻R3的第二端、动态均压电容C2的第二端以及扩压模块的输入端连接；前级开关器件MOSFET的栅极与驱动器的输出端连接。
[0017]扩压模块包括半导体放电管组、动态均压电阻R4、动态均压二极管D2、动态均压电容C3及静态均压电阻R5；
[0018]半导体放电管组的首端分别与前级开关器件MOSFET的源极、静态均压电阻R5的第一端、动态均压电阻R4的第一端以及动态均压二极管D2的阳极连接；
[0019]动态均压电阻R4的第二端分别与动态均压二极管D2的阴极以及动态均压电容C3的第一端连接；
[0020]半导体放电管组的尾端分别和静态均压电阻R5的第二端、动态均压电容C3的第二端及脉冲压缩模块的输入端连接。
[0021]压缩模块包括有储能电容C4、半导体放电管TSS0及脉冲压缩二极管；
[0022]储能电容C4的第一端与直流电压源的V
in
‑
端连接，储能电容C4的第二端、半导体放电管TSS0的首端均与半导体放电管组的尾端连接；半导体放电管TSS0的尾端与脉冲压缩二极管的阳极连接，脉冲压缩二极管的阴极与负载电阻R
L
的第二端连接。
[0023]半导体放电管的导通速度小于1ns。
[0024]脉冲压缩二极管包括有由上至下依次设置的上电极、p型外延层、半绝缘层、下p型层及下电极；上电极与半导体放电管TSS0的尾端连接，下电极与负载电阻R
L
的第二端连接。
[0025]脉冲压缩二极管的开通时间最快为500ps。
[0026]上电极为金锗镍欧姆接触电极或银电极或铂金电极；p型外延层为p+GaAs上外延层，外延厚度为2nm
‑
100um，外延掺杂浓度为1
×
10
14
/cm3‑9×
10
20
/cm3；半绝缘层为半绝缘GaAs层或外延本征砷化镓层或外延低温半绝缘砷化镓层；半绝缘层为半绝缘GaAs层时其电子迁移率为1000cm2/Vs
‑
12000cm2/Vs，电阻率106‑
10
10
Ω/cm；下p型层为p+GaAs下外延层，外延厚度2nm
‑
100um，外延掺杂浓度为1
×
10
14
/cm3‑9×
10
20
/cm3；下层电极为金锗镍欧姆接触电极或银电极或铂金电极。
[0027]本专利技术的有益效果是：
[0028]本专利技术提供的全固态高压脉冲模块开关组，仅用一级所述的驱动模块来控制前级开关模块，通过扩压模块的升压技术，实现高压开关功能；后续电路有效的利用了脉冲压缩模块的压缩特性，实现在所述负载模块上输出高压快脉冲。本专利技术提供的全固态高压脉冲模块开关组，具有简单易于实现、工作频率稳定、散热效果好、效率高、体积小以及成本低等
优点。
附图说明
[0029]图1是本专利技术全固态高压脉冲模块开关组的原理框图；
[0030]图2是本专利技术全固态高压脉冲模块开关组的实施例1的电路图；
[0031]图3是本专利技术全固态高压脉冲模块开关组的实施例2的电路图；
[0032]图4是本专利技术全固态高压脉冲模块开关组的实施例3的电路图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.全固态高压脉冲模块开关组，其特征在于，包括：直流电压源模块(10)、前级开关模块(20)、驱动模块(30)、扩压模块(40)、脉冲压缩模块(50)以及负载模块(60)；所述直流电压源模块(10)与所述前级开关模块(20)的输入端连接；所述驱动模块(30)与所述前级开关模块(20)的控制端连接；所述前级开关模块(20)的输出端与所述扩压模块(40)的输入端连接；所述扩压模块(40)的输出端与所述脉冲压缩模块(50)的输入端连接；所述脉冲压缩模块(50)的输出端与所述负载模块(60)连接。2.根据权利要求1所述的全固态高压脉冲模块开关组，其特征在于，所述驱动模块(30)为驱动器；所述负载模块(60)为负载电阻R
L
。3.根据权利要求2所述的全固态高压脉冲模块开关组，其特征在于，所述直流电压源模块(10)包括有直流电压源、限流电阻R1及储能电容C1；直流电压源的V
in+
端与限流电阻R1的第一端连接，直流电压源的V
in
‑
端分别与储能电容C1的第二端、脉冲压缩模块(50)及负载电阻R
L
的第一端连接；限流电阻R1的第二端分别与储能电容C1的第一端及前级开关模块(20)连接。4.根据权利要求3所述的全固态高压脉冲模块开关组，其特征在于，所述前级开关模块(20)包括有动态均压电阻R2、动态均压二极管D1、动态均压电容C2、静态均压电阻R3及前级开关器件MOSFET(201)；动态均压电阻R2的第一端、动态均压二极管D1的阳极、静态均压电阻R3的第一端、前级开关器件MOSFET(201)的漏极均与限流电阻R1的第二端连接；动态均压电阻R2的第二端分别与动态均压二极管D1的阴极、动态均压电容C2的第一端连接；前级开关器件MOSFET(201)的源极分别和静态均压电阻R3的第二端、动态均压电容C2的第二端以及扩压模块(40)的输入端连接；前级开关器件MOSFET(201)的栅极与驱动器的输出端连接。5.根据权利要求4所述的全固态高压脉冲模块开关组，其特征在于，所述扩压模块(40)包括半导体放电管组、动态均压电阻R4、动态均压二极管D2、动态均压电容C3及静态均压电阻R5；半导体放电管组的首端分别与前级开关器件MOSFET(201)的源极、静态均压电阻R5的第一端、动态均压电阻R...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈光辉，汪雅馨，刘园园，赵国强，庞于立，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：