[发明专利]一种快前沿大电流脉冲调制器电路及脉冲调制器

说明书

本发明公开了一种快前沿大电流脉冲调制器电路及脉冲调制器，该大电流脉冲调制器电路包括电流源单元、开关单元、储能单元和负载单元，所述的开关单元由一组或者多组半导体开关组成，所述得电流源可以为恒流源或者脉冲电流源，所述的电流源其峰值电流高于工作时的脉冲电流。本发明提出一种快前沿大电流脉冲调制器，其由电流源单元和开关单元所构成。电流源单元在主开关单元动作前在极短时间内对负载施加一较高幅值的脉冲电流，使负载两端电压快速提升至额定电压，从而获得快前沿脉冲，采用此种方法可以在负载两端获得远小于30ns的脉冲前沿。

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种快前沿大电流脉冲调制器电路及脉冲调制器，特别是用于固态微波功率放大器以及半导体激光器的快前沿脉冲调制器。

背景技术

脉冲调制器主要为固态微波功率放大器以及半导体激光器提供脉冲电源。在微波功率放大器领域，为了保证放大器在大功率条件下高效率工作，要求脉冲调制器在放大器两端输出脉冲具有较快的前后沿、较小的过冲和顶降。脉冲调制器主要由直流电源、充电电阻、储能电容、半导体开关、开关控制模块及其负载组成，负载即为固态微波功率放大器。脉冲调制器的工作流程为：直流电源通过充电电阻将能量储存在储能电容；开关控制模块产生重复频率几十kHz、脉冲宽度几十ns～几十us连续可调的脉冲控制信号，控制半导体开关导通与关断；储能电容通过半导体开关通断，在负载端输出与控制信号同相的调制脉冲信号。

在脉冲调制器设计中，为了获得较快的脉冲前后沿及减小调制器热损耗，半导体开关一般选择导通与关断时间在ns量级、导通电阻在mΩ量级的GaN半导体NMOS管；储能电容容值一般设计在几百uF以上，以保持调制脉冲在高电压、大电流、us级脉宽输出时，具有较小的脉冲顶降。

在实际应用中，为了防止微波功率放大器输出微波耦合至脉冲调制器，通常在两者之间设计一段四分之一波长传输线，并在脉冲调制器端连接一个微波接地电容，使得放大器向调制器的微波传输通道阻抗为“开路”，以实现两者之间微波传输的有效隔离。微波接地电容主要用于微波传输接地，其集总电容值在pF量级，在脉冲调制器电路中可忽略。由于四分之一波长传输线的引入，增加了脉冲调制器与放大器之间的接线电感，该电感使得放大器端调制脉冲前沿严重恶化。以目前国内外普遍采用的GaN半导体微波功率放大器为例，其导通电阻约为700mΩ，工作于X波段时，四分之一波长传输线的引入电感约为40nH。放大器脉冲前沿的时间常数为τ＝L/R，其中L为传输线引入电感，R为放大器导通电阻，计算得到τ约为60ns，脉冲前沿上升时间一般为时间常数τ的3～4倍。因此，即使调制器输出为理想的“方波”，在放大器两端的调制脉冲上升沿也在200ns以上，难以满足使用要求。

另一方面随着半导体激光器技术的发展，高重复频率、快前沿、窄脉宽、高峰值功率的半导体激光器在工业、军事、科研等领域获得了广泛应用,尤其在激光雷达，激光通信、测距以及光导开关等领域。半导体激光器的稳定性、能量等性能与脉冲调制器输出的脉冲波形的幅值、脉宽以及脉冲波形前沿等电气参数相关。这就要求驱动半导体激光器的调制器所提供的驱动电流要满足前沿快、幅度大、脉宽窄、抖动小等要求。

发明内容

本发明针对目前X波段微波功率放大器调制脉冲前沿小于30ns的研制要求以及半导体激光器调制器输出波形要求前沿快、电流幅值大以及脉宽窄等要求，提供了一种快前沿大电流脉冲调制器电路及脉冲调制器，解决了脉冲调制器与半导体激光器以及微波功率放大器之间传输线电感对调制脉冲前沿的恶化问题，可将脉冲波形前沿陡化至远小于30ns内，具有重要的实用价值。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种快前沿大电流脉冲调制器电路，包括电流源单元、直流电压源E2、储能单元、开关单元以及负载单元，所述的开关单元包括半导体开关Q11、半导体开关Q12和切换开关管Q13，切换开关管Q13与半导体开关管Q11和半导体开关Q12组成半桥型结构的中间点HB相连；