1kV场效应管纳秒高压宽脉冲驱动源

MOS型功率场效应管具有大的脉冲开关电流(数十安培)、较高的漏源电压(达千伏)、小的导通内阻(欧姆量级)和较快的导通时间(数纳秒)。由于其输入输出电容大，故用其制作的脉冲源抗脉冲电磁干扰能力较强，也因此它的开关速度较慢。采用过驱动能提高MOS型功率场效应管的开关速度。就是使栅极驱动脉冲波形的前沿很快且上冲大大超过额定的栅源驱动电压。为此，在研制过程中，解决了用多个场效应管串、并联组合，形成具有纳秒级陡峭前沿的大电流开关；用多个脉冲变压器并联，对大电流开关输出的信号进行放大和成形；用脉冲变压器的技术解决了大功率脉冲功率合成等关键技术，采用稳定的开关器件等技术和工艺，解决低压电路抗高速高压强电干扰。实现了用固体器件—场效应管，替代国外氢闸流管部分用途的功能。     

真空绝缘子脉冲表面电场在线测量系统的实现

基于Kerr电光效应,建立了用以对纳秒脉冲高电压作用下的真空绝缘子表面电场进行在线测量的实验系统。该测量系统由快脉冲高电压源、YAG激光器、同步控制系统、被测中空薄壁绝缘子及Kerr效应单元、光学相位差检测系统等部分构成。利用YAG激光器输出的激光脉冲,触发导通快脉冲高压源中的高压气体开关,使其给被测绝缘子试品上施加一个脉宽100ns的高压脉冲方波。利用同步控制,使得探测激光在试品上的脉冲方波达到幅值后,入射到Kerr腔体中对Kerr效应进行探测。从而实现了对绝缘子表面电场的在线测量,并给出了初步的测量结果。     

低抖动纳秒级前沿的氢闸流管高压脉冲源

 试验用功率MOSFET驱动氢闸流管，做成幅度可达15kV、前沿小于10ns、抖动低于1ns的高压纳秒级前沿脉冲源。简要介绍了脉冲源的电路结构，着重从氢闸流管储氢器加热电压、阴极加热电压、触发脉冲幅度、前沿和延迟几方面测量分析了其对脉冲源输出特性的影响。     

模块化多路同步快脉冲触发源设计

基于超快速高压大功率半导体开关、脉冲形成电路以及同心等间距传输的关键技术,提出一种模块化多路同步快脉冲触发源技术方案。设计出在负载阻抗为50Ω时,可同步输出两种快脉冲触发信号:一种幅度大于20V(4路)、脉冲前沿小于820ps、脉冲宽度大于100ns;另一种则是幅度大于100V(4路)、前沿小于1.4ns、脉宽大于100ns;在外触发作用下,触发源系统抖动和脉冲输出同步分散性分别达到2ns和36.6ps。电路结构上充分利用等间距电信号传输的原理,实现了快脉冲触发源模块化的设计。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了在外触发脉冲单次和重频(5kHz)作用下该同步快脉冲触发源输出的实验结果。     

基于SI-GaAs材料的新型脉冲压缩二极管

针对快前沿高重频脉冲的应用需求,设计并研制了一种基于半绝缘砷化镓（SI-GaAs）材料的新型脉冲压缩二极管,通过实验对其压缩性能和重频运行能力进行了测试。实验结果表明,利用此开关能够将前级脉冲的上升沿压缩约270倍和脉宽压缩14倍;并在50 Ω负载上,获得脉冲幅度1.3 kV、上升沿约1.6 ns、脉宽40.59 ns的电脉冲,重复频率达1 kHz,总计运行47 min,触发约两百万次。为研究脉冲压缩二极管的工作原理,对其静态伏安特性进行测试。分析认为,在电压初步加载阶段,SI-GaAs材料内的电场增强型的俘获与离化机制导致耐压增强,二极管在实验过程中出现延迟击穿现象;逆向偶极畴效应产生牵引机制,引发快速上升的位移电流,进而导致反偏结雪崩击穿,二极管表现出瞬间负阻特性,在负载上输出高压纳秒电脉冲。新型脉冲压缩二极管无外加触发快脉冲的前级器件,自身可以维持一定时间的强烈雪崩击穿状态,因此具有体积小、生产成本低的优点,可用于制作小型化高重频的纳秒脉冲功率源。     

低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源研制

给出了基于远程和本地两种控制方式,作为低抖动快前沿重复频率高压脉冲触发源系统的设计原理和方法。研制了一台重复频率为0.01~1Hz、脉冲输出幅度为10~20kV、前沿小于10ns、脉宽大于500ns以及抖动小于1ns的高压脉冲触发源。设计上将程控和手动触发信号分别作为重复频率和单次预触发脉冲,驱动后级触发器绝缘栅双极型晶体管,经脉冲变压器变换后控制氢闸流管VE4141放电,实现输出高压脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了外触发脉冲情况下高压脉冲输出的实验结果。     

一种100 kV Mini-Marx发生器触发源的设计

根据100kV Mini-Marx脉冲发生器对触发源的技术要求,设计了一种基于VE4141型氢闸流管气体开关器件的高压脉冲触发源。该触发源系统输出高压脉冲幅度达到0～30kV、脉冲前沿小于15ns、脉冲宽度大于500ns,不仅可以接收光、电和手动信号触发,而且还可以通过接口来控制调整100kV Mini-Marx发生器的充电电压以及电压显示。采用固态IGBT半导体开关器件产生预触发和主触发脉冲,控制气体开关氢闸流管VE4141瞬间导通放电输出高压脉冲信号,触发后级Mini-Marx脉冲发生器产生不小于100kV的高压脉冲。     

一种用于电光开关的高速、高压电脉冲的产生

介绍了一种用于电光开关驱动源的高压超快电脉冲产生技术；电路采用级联的雪崩晶体管串和微波传输线结构，输出阻抗50Ω；在50Ω负载情况下，获得脉冲下降时间为1ns、幅度达到5kV、峰值电压为6.4 kV、幅度和半宽度稳定性优于2％、触发晃动为±15ps、触发延时为30 ns，脉冲峰值电流为128 A的高压高速大电流脉冲.     

基于MOSFET的高重复频率高压脉冲源设计

设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的高压脉冲电源。该发生器采用多只MOSFET的串联技术,形成高压、高重复频率开关组件。用高压开关组件开展脉冲发生器设计,搭建了一个15只1 kV的高速MOSFET串联的脉冲发生器实验装置,在500 Ω负载上获得前沿小于5 ns、幅度大于10 kV、脉宽约100 ns,瞬态频率达400 kHz的高压脉冲。设计的高压开关组件结构紧凑,可靠性高,可应用于多种脉冲发生器。     

高压串级延迟击穿开关在快前沿脉冲触发源中的应用

 报导了一种高压串级延迟击穿（DBD）开关在快脉冲触发源中的应用，介绍了脉冲源的电路结构和工作原理，并将DBD开关成功应用于快前沿脉冲触发源，获得了明显的脉冲陡化效果。串级DBD开关的级数为15级，直流击穿电压45 kV，脉冲工作电压60 kV，脉冲前沿由95 ns减小到21.5 ns，脉冲宽度50 ns。     

新型半导体开关高压电磁脉冲产生技术

基于独特结构和物理特性的两类高性能新型高压半导体开关漂移阶跃恢复二极管和快速离化开关,提出一种新型高功率高压纳秒电磁脉冲产生方法,其技术路径是通过高压漂移阶跃恢复二极管开关将高贮能电感能量向高压快速离化开关及负载转移,产生高功率、高重复频率纳秒电磁脉冲,并用实验验证该方法在高重复频率（120,200,300 kHz）下产生高功率、高重复频率纳秒脉冲的有效性,输出脉冲电压分别为1.62,1.41,1.36 kV。     

小型高压冷阴极触发管性能分析

触发管作为一种高压开关，基于其导通时间短，可承受数千安培脉冲电流等特点被广泛应用于触发器、快脉冲产生器及大电流脉冲发生器中。随着系统精良小型化的发展需求，相应对触发管导通时间、脉冲电流和导通时间晃动等参数也提出了更高的要求。     

纳秒和亚纳秒光学分幅图像记录系统

提出了一种光学亚纳秒分幅时间多幅数字图像记录系统,能够满足激光飞片和爆磁箍缩等极端条件下,对频率在108~1010Hz的高速摄影需求。介绍了系统的设计方案和工作原理,提出了制约系统指标的关键技术如精密同步、高速高压脉冲源及解决方案。利用后台集中控制加上高精度的延迟单元提供各子系统的精密同步,利用雪崩三极管阵列构造纳秒和亚纳秒级的高压脉冲源驱动电光晶体偏转,利用8位可编程模拟延迟器件DS1023-25和FPGA器件结合获得ps精度的时间延迟。实验获得了幅度4 000 V、前沿小于5 ns的脉冲,任意时长、ps级精度的同步单元,对各子系统的同步协同工作也进行了调试。     

触发预电离一体化脉冲氙灯电源设计

采用高压触发预电离为一体+脉冲形成网络触发氙灯的技术路线,分别设计了脉冲氙灯电源系统中高压触发、预燃电流维持两个功能单元。根据脉冲氙灯160mm×9mm、极间距70mm的技术指标,成功设计了一台具有手动和电脉冲触发功能的方波脉冲氙灯电源。氙灯充电电压300~900V可调,光脉冲宽度为150μs±20μs,光脉冲上升时间不超过90μs,触发延迟不超过90μs,触发抖动在±2μs范围内。给出了单次触发情况下脉冲氙灯电源输出的实验结果,验证了所采用的设计原理和技术方法的可行性。     

具有快前沿的固态Marx电源的研究

纳秒脉冲电场消融要求在100Ω负载上产生数千伏的纳秒脉冲,加快脉冲前沿有利于获得更窄的纳秒脉冲。提出了一种具有快速前沿的固态Marx发生器,在每级电路中插入一个电感,并且让放电管和充电管同时导通数十纳秒,等放电管完全开通后,关断充电管,对负载进行放电,以消除放电管和放电回路杂散电感对脉冲前沿的限制,获得具有快前沿的高压脉冲。搭建了32级Marx样机,实验中通过调节直通时间,在100Ω的低阻负载上获得了电压上升沿35 ns、脉宽800 ns、电流186 A的高压脉冲。对比并分析了充电管和放电管直通时间对上升沿的影响,发现直通时间越长,脉冲电流的前沿越快。输出端的峰值电流最大可达186 A。表明该脉冲电压源可以有效地提高电流的输出,提高系统带载能力。该方案相比于传统的改进方法,提高了系统抗干扰能力的同时,也减少了所使用开关管的数量,降低了脉冲电源的成本。     

20 kV/20 kHz/100 A高压脉冲源设计

设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为开关的高压脉冲电源。采用自匹配传输线结构线路形式,串联多个以光纤信号隔离触发的MOSFET作为高耐压开关,在传输线的外皮产生2个纳秒脉冲,再用传输线变压器对2个纳秒脉冲进行功率合成,在200 Ω负载上输出了幅度20 kV,重复频率20 kHz,脉冲宽度约40 ns的脉冲。分析脉冲源装置结构,对实验装置建立仿真模型,阐述了输出波形畸变的原因,给出了影响输出脉冲波形特性的因素,为下一步优化波形工作提供了理论参考。     

CO2激光器高压脉冲触发系统的设计

为了稳定可靠地触发CO2激光器旋转火花开关,设计了一套高压脉冲触发系统并且提出了一种新型的绝缘栅双极晶体管（IGBT）驱动与保护方法。根据CO2激光器中旋转火花开关的触发结构,应用复杂可编程逻辑器件（CPLD）芯片EPM3512开发了可以输出100～500 Hz重频脉冲信号以及单次脉冲信号的触发信号源;应用光耦HCPL-3120设计了具有过流、过压保护功能兼有电磁兼容（EMC）设计的IGBT驱动电路;对高压脉冲变压器进行建模并通过PSPICE软件仿真;搭建了实验平台,进行了联机性能测试。实验结果表明：在500 Hz的重复频率下,高压脉冲触发系统可连续稳定地输出高于38 kV的高压重频脉冲,基本满足CO2激光器的旋转火花开关稳定可靠触发的要求。     

一级Marx压缩的高稳定纳秒脉冲电源的设计

针对目前缺乏标准纳秒高压脉冲电源的现状,开展高稳定性纳秒高压脉冲电源回路分析、结构设计及性能测试研究。通过建立纳秒脉冲发生器等效电路模型,仿真计算获得5级初级脉冲发生电路参数,以及一级压缩陡化间隙对纳秒脉冲特性的影响规律。通过纳秒高压脉冲电源结构设计及低抖动电晕稳定开关特性研究,建立高稳定输出的纳秒脉冲电源系统。研制纳秒电阻分压器,建立基于ns及μs量级传递校准测试相结合的刻度因数标定方法,准确获得纳秒电阻分压器的刻度因数。脉冲电源输出特性测试结果表明：纳秒脉冲电源系统可以输出上升时间2.3 ns±0.5 ns、幅值范围10～60 kV的指数纳秒脉冲;输出脉冲电压在全幅值范围内的相对标准偏差不大于±1.5%。     

高压纳秒脉冲电场的细胞器生物电效应综述

纳秒级高压脉冲电场的生物医学应用是近年来新兴的交叉学科研究领域,相比于微秒和毫秒级脉冲电场,高压纳秒脉冲电场不仅能够导致细胞膜结构极化和介电击穿,产生膜电穿孔,还可以穿透至细胞内部,引发诸如细胞骨架解聚、胞内钙离子释放及线粒体膜电位耗散等细胞器生物电效应,吸引了学术界的广泛关注.本文首先介绍高压纳秒脉冲电场及其细胞器生物电作用的物理模型;然后对高压纳秒脉冲电场与细胞骨架、线粒体、内质网、细胞核等亚细胞结构的相互作用研究进行综述和总结;强调高压纳秒脉冲电场的细胞器作用与细胞死亡、细胞间通信等生物效应之间的联系;最后,凝练当前高压纳秒脉冲电场在生物医学研究中的关键技术问题,并对未来潜在的研究方向进行展望.     

可调谐高重频高压脉冲驱动模块的设计

设计了一种高重频高压快脉冲驱动模块作用于激光调Q系统。该驱动模块采用零电压准谐振SMPS技术、大功率高速高压固体开关器件多管级联电路、大电流脉冲过驱动技术,获得了频率为1kHz至100kHz可调、高电平0～5000V可调、脉冲宽度0．5肚s、下降沿可达20ns的负脉冲,可靠性强,体积小。