[发明专利]一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路

说明书

本发明涉及一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路，包括：直流高压单元、触发单元、限流电阻、储能分压单元、雪崩晶体管串联单元及并联单元，雪崩晶体管串联单元包括若干串联子单元，串联子单元包括一脉冲变压器、触发雪崩晶体管及若干普通雪崩晶体管，并联单元包括若干并联子单元，并联子单元包括若干串联子单元及储能分压单元，各串联子单元结构相同，各储能分压单元结构相同。本发明采用串联子单元级联、储能分压和脉冲变压器同步触发等技术，使整个电路开关速度快，耐电压值和峰值电流较大，驱动能力强；整个电路小型化、固体化、模块化、不需同步调节、可靠性高，适应性强。

技术领域

本发明涉及高压脉冲技术领域，具体是一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路。

背景技术

高压快沿开关电路应用十分广泛，如激光技术中的电光Q开关、高速摄影快门、核物理和雷达领域中的取样或门控脉冲等。产生高压快沿脉冲的关键是高压快沿开关电路，现有快沿高压开关技术主要分两类：一是基于二次电子发射管、放电间隙开关、触发管、氢闸管等电真空器件开关技术；二是基于雪崩晶体管、高压场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等的固体器件开关技术。

电真空器件开关技术具有耐压值高、开关速度快等特点，但是触发脉冲电压高、晃动和体积较大等缺点限制了其应用范围。基于场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的固体器件开关技术虽然体积小、开关频率较高，但开关速度慢，也同样不能用于亚纳秒与皮秒级的开关电路。基于雪崩晶体管的固体器件开关技术是具有体积小、开关速度快等特点，是目前亚纳秒和皮秒级快沿脉冲产生电路的首选技术。如中国专利《雪崩晶体管高压方波脉冲发生器》(CN1085024)公开的基于雪崩晶体管开关技术的脉冲发生器，其快沿开关电路的电压幅度为2千伏、最大负载电流为20mA、开关时间2ns左右。中国专利《一种雪崩电脉冲发生器》(CN1263381)公开的由雪崩晶体管构成的基本Marx电路，并通过在雪崩晶体管的集电极和发射极两端并联电阻和电容串联而成的助雪崩电路，获得前沿1～4ns、电压300～5000V的电脉冲输出。

基于雪崩晶体管开关技术的发明专利与文献很多，文献《基于雪崩三极管的高重频高压纳秒脉冲产生方法综述》(电工技术学报，2017年4月，第32卷，第8期，第33-54页)对雪崩晶体管构成开关电路技术进行了较全面的比较分析，总结出典型的电路结构有多管串联电路、多级Marx电路、多管并联电路以及脉冲截断电路等。根据这些电路的特点，当多管串联或多级Marx电路级联时，可提高开关电压，多管或多级Marx电路并联时可增加开关输出电流。

但是，由于雪崩晶体管的雪崩工作电压有一个最佳范围，特别是单管的输出电压较低，多管串联或多级Marx电路级联时，串联雪崩晶体管个数达到一定数量时，因雪崩晶体管参数差异而使各管电压分布不均匀，会出现自雪崩导通，目前还没有报道过串联雪崩晶体管耐压超过5kV的报道。同时，受电路内阻和电路分布参数的影响，当Marx电路级联的级数增加时，输出脉冲幅度的增加并不明显，因此现有的雪崩晶体管串联方式要得到可靠的高电压雪崩开关电路非常困难。

在多管或多级Marx电路并联时，同样因雪崩晶体管的参数差异，其雪崩工作电压或触发电压有一个最佳范围，为实现同步雪崩，需要选取参数一致的雪崩晶体管，然而，受元件参数差异的影响，要选取参数一致的雪崩晶体管非常困难。而现有的分时触发、调节偏置电压和结构对称技术，存在并联数越多电路结构越复杂、控制难度大，且输出电压幅值受限于负载阻值等问题，限制了这些技术进一步通过多路并联提高输出电流的可行性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了提高雪崩晶体管开关电路耐压和输出电流，增强电路的负载能力，提供一种雪崩晶体管串并联高压快沿开关电路。