[实用新型]一种基于DSRD的高压快脉冲电源

说明书

本实用新型公开了一种基于DSRD的高压快脉冲电源，其特征在于，DSRD的泵浦电路为一感应叠加泵浦电路，包括M个脉冲功率模块；其中，每一所述脉冲功率模块包括开关S1、开关S2、储能电容C0、谐振电容C1、n:n匝谐振变压器T1和1:1匝的变压器T2，S1一端接地，另一端经C0与T1的初级连接，T1的初级另一端接地，T1的次级一端分别经谐振电容C1与变压器T2的初级连接、经开关S2接地，谐振变压器T1的次级另一端与变压器T2的初级另一端连接且分别接地；各所述脉冲功率模块的变压器T2的次级串联叠加在一起为DSRD堆栈提供双向泵浦脉冲。本实用新型解决了高重复频率DSRD快速泵浦电路脉冲功率叠加的问题。

技术领域

本实用新型属于脉冲功率技术领域和带电粒子加速器技术领域，具体涉及一种基于DSRD的高压快脉冲电源，可用于产生千赫兹至兆赫兹重复频率、几纳秒至十几纳秒宽度、几千伏至几十千伏高压电脉冲装置。

背景技术

漂移阶跃恢复二极管(DSRD-Drift Step Recovery Diode)是一种具有特殊掺杂结构的半导体二极管断路开关，可用于电脉冲宽度的压缩和脉冲前沿的锐化，适用于产生高重复频率窄脉冲高压脉冲电源。

DSRD的泵浦电路是整个脉冲电源的重要组成部分。图1是一种典型的DSRD泵浦电路原理图和输出波形图，该电路的主要工作过程如下：第一步，当脉冲电源接受触发信号后，开关S1闭合，电容C₁放电，产生一个正向电流脉冲I₁流过DSRD，同时对电感L₁充电，通常要求LC谐振半周期不大于几百个纳秒，此时大量的电子-空穴等离子体(剩余电荷)被储存在DSRD的pn结附近；第二步，当谐振电流换向的时候，控制开关S2闭合，由于DSRD的pn结被注入了大量的剩余电荷而无法立即关断，L₁、C₁支路的负向脉冲电流I₁和C₂通过L₂的放电电流I₂叠加在一起，构成反向电流Idsrd流过DSRD；第三步，通过选取合适的电路参数，确保当反向电流达到最大值时，注入的储存电荷正好被全部抽取完毕，随着pn节空间电荷区的恢复DSRD迅速关断，由于DSRD正向泵浦的脉冲很短(几百纳秒)，远小于基区少数载流子的寿命(>10μs)，剩余电荷在正向泵浦的过程中损失很少，因此注入的电荷和抽取的电荷基本上是相等的，即注入电流脉冲波形和抽取电流脉冲波形对时间的积分是相等的；第四步，DSRD迅速关断之后，由于L₁、L₂的续流作用，产生流过负载的脉冲电流，由于DSRD的关断速度很快，流过负载的输出脉冲电压幅度远高于外加电压(Um>>Uc)，脉冲前沿很快，一般为0.5ns～3ns，脉冲宽度取决L₁和L₂两个并联支路电感和负载电阻的时常数τ＝L/R，脉冲波形是一种指数衰减波形。如果要获得矩形脉冲波形，可以利用脉冲形成线或脉冲形成网络替代电感作为储能元件，输出脉冲的宽度是形成线电长度的2倍。该DSRD泵浦电路采用两个开关S1、S2进行换路，可以实现充电和放电回路的阻抗变换，具有高效的脉冲压缩作用，可以起到低压储能，高压放电的功效，这是单开关泵浦电路所不具备的优点。

如图2和图3，是美国SLAC国家加速器实验室的科学家曾提出的两种拓扑线路(一种是单开关模式，另一种是双开关模式)，可用于加速器注入带状线冲击器(strip-linekicker)的梯形波脉冲电源，这里采用传输线作为储能元件，与输出端的strip-linekicker及终端负载电阻构成完美的匹配放电系统，可以产生干净的电压脉冲波形。仿真结果表明，图2电路虽然只有1路开关S1，但是由于S1是工作在大电流关断的条件下，开关应力和损耗大，不利于高重复频率的应用，容易损坏；图3电路开关S1和S2均工作在零电流导通和关断状态下，电路更加安全可靠，且输出脉冲残余电压低。