[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

说明书

本发明公开了一种紧凑型固态双极性快沿纳秒脉冲电源系统和操作方法，涉及脉冲功率技术和快脉冲电源领域。该电源系统包括双极脉冲电源M，双极脉冲电源M包括开关驱动模块、脉冲变压模块、双极脉冲调制模块、双极高压直流电源；其中开关驱动模块与脉冲变压模块、双极脉冲调制模块依次相连；同时双极脉冲调制模块还与双极高压直流电源的电源输出端相连接；双极脉冲调制模块的共同输出端与负载相连接，形成完整的电流回路。本发明能够解决窄脉冲输出能力且脉宽可调、幅值精准且抖动小、ns级上升下降沿、结构紧凑、高可靠性等综合需求，设计简单但能获得优异的高幅值脉冲产生效果，损失效率低、使用寿命长等优点，在脉冲电源应用领域中具有重要应用。

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术和快脉冲电源领域领域，具体涉及一种紧凑型固态双极性快沿纳秒脉冲电源系统和操作方法，可应用于医疗与科研激光器以及电子加速器等系统中。

背景技术

在医疗与科研激光器、医疗电子仪器、电子加速器、分幅相机测试等领域，快沿纳秒脉冲电源有着广泛的应用。特别是在医疗与科研激光器系统中使用的电光调Q技术，需要利用快沿纳秒脉冲电源产生一定脉宽和幅值的快沿脉冲驱动调Q开关，控制电光开关的开启关闭，从而调整光学谐振腔内的损耗控制，实现对激光脉冲的整形。随着激光技术应用场合的扩展，激光器的输出脉冲宽度需要控制在纳秒级，控制精确度与通用性需要进一步提高，同时对电光调Q其他技术指标的要求也逐步提高。在激光器等领域的需求牵引下，对快沿纳秒脉冲电源的功能指标要求也不断提高，其中窄脉冲输出能力且脉宽可调、幅值精准且抖动小、ns级上升下降沿、结构紧凑、高可靠性等技术要求成为重点关注的对象。

现有的脉冲驱动电源种类繁多，各有优劣，但均不能同时覆盖各项技术需求。基于气体开关、磁开关等作为开关器件的纳秒脉冲电源，重量和体积较大，且难以实现高重复频率。因此，采用半导体固态器件(主要有MOSFET、雪崩管等)作为开关的技术在部分领域逐渐成为主流技术路线。基于雪崩管Marx电路原理研制的脉冲电源，输出窄脉宽脉冲，且前沿达到ps级，但其脉宽参数不能调节；受限于单管耐压较低，高幅值设计下Marx级数过多，可靠性降低。基于MOSFET器件设计的纳秒脉冲电源占据主流市场，基本能够满足大多数对于纳秒脉冲输出的功能指标要求，但也存在一定缺陷和发展空间：一是保证快上升下降沿和脉宽可调的基础上，较难同时做到20ns内的窄脉宽输出；二是在脉冲调制电路拓扑设计中，常会以增加设计复杂度和损失效率为代价来解决开关器件的均压问题；三是现有纳秒脉冲源多为仪表式设备，缺乏兼顾功能指标与紧凑外形的综合设计。

发明内容

为了克服现有技术中上述高压脉冲电源存在的缺陷,本发明提供紧凑型固态双极性快沿纳秒脉冲电源系统及操作方法，能够解决窄脉冲输出能力且脉宽可调、幅值精准且抖动小、ns级上升下降沿、结构紧凑、高可靠性等综合需求。

本发明采用的技术方案如下：

一种紧凑型固态双极性快沿纳秒脉冲电源系统，该电源系统包括一个或多个双极脉冲电源M，每一个双极脉冲电源M包括开关驱动模块、脉冲变压模块、双极脉冲调制模块、双极高压直流电源四个部分；

其中开关驱动模块与脉冲变压模块、双极脉冲调制模块依次相连；同时双极脉冲调制模块还与双极高压直流电源的电源输出端相连接；双极脉冲调制模块的共同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具有一定脉宽和强驱动能力的驱动信号；两路驱动信号均通过脉冲变压模块产生电磁隔离后的两路驱动信号；隔离后的两路驱动信号分别作为双极脉冲调制模块的开启、关闭驱动信号，控制双极脉冲调制模块内部的MOSFET开关，从而产生具有正负极性的高压快脉冲输出。

所述双极高压直流电源将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提供足够的高压直流供电。