[发明专利]一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置

说明书

技术领域

本发明属于脉冲发生技术领域，具体涉及一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置。

背景技术

高压高频脉冲信号在压电材料的驱动，光电晶体的调制，光电管、光谱仪、微机电、纳米科技工程等方面都有广泛的应用。在高重复频率高压脉冲源的研制上，有很多技术困难。国外在这一领域的研究已经进行了多年，且取得了实质性的突破和很多实用性的成果。国内在高压脉冲领域的研究主要集中在高功率强电流等用于理论物理方面的脉冲电源，对于在生化、离子检测、光电调制等领域需要的小功率的高频高压电源很少提及，有的也只局限在介质放电等方面的研究。对于小功率的高频高压电源，特别是应用于特定场合涉及容性负载的高频高压电源的研究，国内依然是一段空白，而国外的美国DEI/IXYS公司一直从事该领域的研究，有许多突破性的成果，但产品价格昂贵，且重复频率有限。

常规的对于阻性负载的高频高压电路常使用单开关电路，直流高电压输入开关后，利用小信号控制开关，最终输出高频高压的脉冲信号。对于容性负载，由于负载的电荷存储效应，单开关电路在开关打开时，可以实现负载的充电效果，但单开关在关闭时由于放电回路的缺失，容性负载上的电荷将持续储存在两个电极直接，使整个电路不能实现完整的充放电功能，从而使输出波形不为正常脉冲波。通常在容性负载两端并联一个大功率电阻形成放电回路，但这种方法会影响充电效果，且电路达不到高的充放电重复频率。由此可见，对于容性负载的高速驱动，同时需要充电与放电两条回路。为了控制充放电的有效性，需要合理的控制系统充放电的时间，以防止充放电同时进行，造成短时间的短路现象，损坏电路。在此基础上需要进一步解决高压脉冲引起的技术难题。

2004年中国科学院光电技术研究所的凡木文提出了一种适合容性负载的高压大功率放大器，该高压放大器在驱动等效电容为60nF的压电陶瓷时,单端到地输出电压为-600～+600V，电压增益42dB，大信号带宽800Hz，小信号带宽7kHz，充放电电流可达200mA，静态电流可达1.4mA。该放大器的带宽较窄，重复频率较低，且充放电电流限定的较小。

2008年中北大学的陈天志在标题为“2000V高压250KHz高频非对称脉冲电源设计”的论文中提出了一种开关式的脉冲电源，其根据高场非对称波形离子迁移谱技术对高频高压非对称脉冲波形的要求，提出并设计了一种新颖的采用功率MOSFET管为关键器件的高频高压非对称方波脉冲电源。该电路方法新颖，带宽有所提升。但该电路在容性负载的研究方面还有所欠缺，且重复频率较低，仍有待提高。

2012年复旦大学的吴晓震在标题为“纳秒脉冲驱动等离子体显示平板提高光效研究”一文中，提出了运用快脉冲技术自行设计纳秒脉冲驱动源实现正负300伏双极纳秒脉冲驱动PDP工作在单子场维持期的方法，单子场内，输出峰值电流40安培，脉宽最小值为350ns，带载PDP上升沿最小值120ns。该设计电路输出端采用全桥高速MOSFET开关，适用于容量较小的容性负载。但对于较大容量的容性负载问题的解决没有提及，且上升下降时间较慢，重复频率也有待提高，不适用于高速的适用场合；除此之外，整个电源实用性也有待提高。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出了一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置，重复频率高，转换速率快，电路结构简单，实用性强，且尤其适用于容量较高的容性负载。

一种适用于容阻性负载宽频带的高压简易脉冲发生装置，包括：

信号转换电路，用于将外部设备提供的一路脉冲信号转换为两路互补且在整个宽频带内具有相对死区时间的脉冲开关信号；

充放电开关电路，由充电回路和放电回路组成，且受两路脉冲开关信号作用，将外部设备提供的正负极两路直流高压分别转换为正脉冲电压和负脉冲电压；

滤波整形保护电路，用于对所述的正脉冲电压和负脉冲电压进行整形后输出一路高压脉冲并加载至负载上，以对上级充放电开关电路实现保护。

优选地，所述的信号转换电路的任一输出端依次连接有光电隔离电路和驱动保护电路；所述的光电隔离电路用于对脉冲开关信号进行隔离，所述的驱动保护电路用于对经隔离的脉冲开关信号进行功率放大后输出给充放电开关电路。采用光电隔离既不影响传输的带宽，又可实现高速的方波传输隔离；驱动保护电路在实现放大作用的前提下且能够降低输出阻抗。