[发明专利]一种紧凑型固态双极性快沿纳秒脉冲电源系统及操作方法

权利要求书

1.一种紧凑型固态双极性快沿纳秒脉冲电源系统，其特征在于，该电源系统包括一个或多个双极脉冲电源M，当包括多个双级脉冲电源M时多个双级脉冲电源M串联连接，每一个双极脉冲电源M包括开关驱动模块（1）、脉冲变压模块（2）、双极脉冲调制模块（3）、双极高压直流电源（4）四个部分；

其中开关驱动模块（1）与脉冲变压模块（2）、双极脉冲调制模块（3）依次相连；同时双极脉冲调制模块（3）还与双极高压直流电源（4）的电源输出端相连接；双极脉冲调制模块（3）的输出端与负载相连接，形成完整的电流回路；

当外部控制信号传输到双极脉冲电源M后，首先由开关驱动模块（1）对控制信号进行处理，并分别根据控制信号的前后沿同时产生两路驱动信号S₁、S₂；两路驱动信号S₁、S₂均通过脉冲变压模块（2）产生电磁隔离后的两路驱动信号S₁′、S₂′；隔离后的两路驱动信号S₁′、S₂′分别作为双极脉冲调制模块（3）的开启、关闭驱动信号，控制双极脉冲调制模块（3）内部的MOSFET开关，从而产生具有正负极性的高压快脉冲输出；所述双极性快沿纳秒脉冲电源系统最终输出的高压快脉冲的幅值为所有双极脉冲电源M的叠加输出，且高压快脉冲的脉冲宽度和工作频率由外部控制信号决定；

所述开关驱动模块（1）包含单稳态触发器、高速驱动器、MOSFET驱动级三个层级，当外部控制信号进入开关驱动模块（1）后，首先由两路单稳态触发器分别对控制信号的上升沿和下降沿进行触发响应，各自均产生预设脉宽的输出正脉冲；

所述高速驱动器用于将由单稳态触发器产生的两路5V脉冲信号转化为幅值为12V、前沿为ns级、脉宽小于10ns的驱动脉冲，并用于驱动后级MOSFET驱动级；MOSFET驱动级根据需要将来自前级高速驱动器的两路驱动脉冲转换并产生两路驱动信号S₁、S₂；该驱动信号S₁、S₂上升沿和下降沿均优于10ns，且脉宽小于20ns；

所述脉冲变压模块（2）采用线缆穿过磁环的方式，构成变比为1:1的脉冲变压器；

所述双极脉冲调制模块（3）采用正负双极脉冲叠加模式，通过一路正脉冲与一路负脉冲叠加后形成两倍幅值脉冲，主要由充电限流电阻R₁、R₂、储能电容C₁、C₂、阻尼电阻R₃、R₄、对称MOSFET双开关模块组成，其中电源输入HV+与充电限流电阻R₁连接，充电限流电阻R₁的另一端同时连接储能电容C₁和MOSFET开关Q₁的漏极，MOSFET开关Q₁的源极同时与阻尼电阻R₃和MOSFET开关Q₃的漏极连接，MOSFET开关Q₁和MOSFET开关Q₃的栅极分别与两路驱动信号S₁′、S₂′相连；电源输入HV-与充电限流电阻R₂连接，充电限流电阻R₂的另一端同时连接储能电容C₂和MOSFET开关Q₂的漏极，MOSFET开关Q₂的源极同时与阻尼电阻R₄和MOSFET开关Q₄的漏极连接，MOSFET开关Q₂和MOSFET开关Q₄的栅极也分别与两路驱动信号S₁′、S₂′相连；MOSFET开关Q₃的漏极和MOSFET开关Q₄的漏极均接地，阻尼电阻R₃、R₄的另一端分别与负载CL的两端相连接。

2.如权利要求1所述的一种紧凑型固态双极性快沿纳秒脉冲电源系统，其特征在于，所述双极高压直流电源（4）将24V直流输入转换为正负两路高压直流输出，为双极脉冲调制模块（3）提供足够的高压直流供电。