专利摘要

本发明公开了一种基于IGBT的非同步触发高压脉冲调制器，属于高压脉冲调制电路领域。该调制器包括脉冲产生装置，光纤传输装置，延时模块，信号处理模块，截尾脉冲产生模块，驱动门电路模块，十六级IGBT脉冲形成装置，以及电源。本发明采用加法叠加结构的脉冲形成装置及栅极截尾脉冲泄放电路，其采用非同步信号触发，既能使输出脉冲过冲大大减小，又能使脉冲上升沿、下降沿变陡，从而实现更窄脉冲宽度的高压脉冲信号输出。

权利要求

1.一种基于IGBT的非同步触发高压脉冲调制器，包括脉冲产生装置，光纤传输装置，延时模块，信号处理模块，截尾脉冲产生模块，驱动门电路模块，十六级IGBT脉冲形成装置，以及电源；

所述脉冲产生装置，输出一路低压脉冲信号；

所述光纤传输装置将低压脉冲信号放大并分为五路预处理信号；

第一路预处理信号经反相处理后输入第一信号处理模块，然后输出四路与预处理信号的高电平宽度相同的第一组正负脉冲高频信号；

第二、第三、第四路预处理信号分别经第一、第二、第三延时模块延时后，分别输入第二、第三、第四信号处理模块，然后分别输出四路与预处理信号的高电平宽度相同的第二、第三、第四组正负脉冲高频信号；所述第一延时模块延迟时间为n纳秒，所述第二延时模块延迟时间为2n纳秒，所述第三延时模块延迟时间为3n纳秒，其中n为正整数；

第五路预处理信号输入截尾脉冲产生模块，在第一到第四路预处理信号关断的同时输出高电平窄脉冲信号；该高电平窄脉冲信号输入驱动门电路模块，经过驱动门电路模块中的十六路截尾脉冲泄放电路泄放IGBT开关管栅极多余电荷；

所述第一～第四组共十六路正负脉冲高频信号输入驱动门电路模块转换为十六路驱动信号，并把该驱动信号输入十六级IGBT脉冲形成装置；

所述十六级IGBT脉冲形成装置每级连接电源，由驱动门电路模块输出的驱动信号开关IGBT管得到所需脉冲。

2.如权利要求1所述的一种基于IGBT的非同步触发高压脉冲调制器，其特征在于：所述信号处理模块包括低频转高频电路、光耦电路、半桥电路、驱动脉冲非晶隔离变压器a、b、c、d；其中，低频转高频电路用于把低频率的脉冲信号处理成高频信号；光耦电路用于隔离信号；半桥电路用于把正脉冲变为正负脉冲；驱动脉冲非晶隔离变压器用于隔离高压与低压电路。

3.如权利要求1所述的一种基于IGBT的非同步触发高压脉冲调制器，其特征在于：所述截尾脉冲产生模块包括截尾脉冲形成电路、截尾脉冲非晶隔离变压器；其中所述截尾脉冲形成电路用于形成截尾脉冲；截尾脉冲非晶隔离变压器用于隔离截尾脉冲形成电路与处于高电位的截尾脉冲泄放电路。

4.如权利要求1所述的一种基于IGBT的非同步触发高压脉冲调制器，其特征在于：所述驱动门电路模块包括十六路截尾脉冲泄放电路、十六路驱动电路；其中驱动电路用于处理正负脉冲高频信号转化为驱动信号；截尾脉冲泄放电路用于泄放开关管栅极多余电荷。

说明书

技术领域

本发明属于高压脉冲调制电路，具体涉及一种基于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的非同步信号触发、延时短、体积小的真空管用高压脉冲调制电源。

背景技术

大功率脉冲调制器是真空电子管阴极电子发射产生不可缺少的部分，其性能直接决定真空管阴极电子的发射。大功率脉冲调制器应用广泛，不仅应用于真空电子器件、雷达发射机领域，而且在民用医疗、高压除尘等领域都有举足轻重的地位。

长期以来,大功率脉冲调制器大多采用“线性调制器”的方案,即采用高压恒流电源、氢闸流管、脉冲形成网络和脉冲变压器等部件。但该方案存在较多的不足之处:调制器采用同步信号触发，加上传输线漏感的存在，多级叠加形成的脉冲前沿过冲严重，大大减少器件使用寿命；由于器件寄生电容的存在导致脉冲上升、下降时间变缓，效率变低。为了解决上述问题，国内外均开展了一些研究。为克服脉冲前沿过冲现象，在单极脉冲输出电路上采用限压电路来限制脉冲输出幅度，此法能有效减小过冲电压，但由于许多过冲脉冲电压幅度超过输出脉冲幅度50％甚至更高，故对限压电路的元器件耐压提出更高要求，当限压电路中元器件击穿后，仍会对开关器件产生很大损坏；对于由于寄生电容产生脉冲上升沿、下降沿过缓问题，常常会采用源极泄放的方式，但由于源极泄放对于泄放管的耐压要求与开关管相同，需要采用相同规则的大电流耐高压器件，价格并不划算。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于IGBT的非同步触发高压脉冲调制器，采用加法叠加结构的脉冲形成装置及栅极截尾脉冲泄放电路，其采用非同步信号触发，既能使输出脉冲过冲大大减小，又能使脉冲上升沿、下降沿变陡，从而实现更窄脉冲宽度的高压脉冲信号输出。

本发明采用的技术方案为：一种基于IGBT的非同步触发高压脉冲调制器，包括脉冲产生装置，光纤传输装置，延时模块，信号处理模块，截尾脉冲产生模块，驱动门电路模块，十六级IGBT脉冲形成装置，以及电源。

所述脉冲产生装置，输出一路低压脉冲信号。

所述光纤传输装置将低压脉冲信号放大并分为五路预处理信号。

第一路预处理信号经反相处理后输入第一信号处理模块，然后输出四路与预处理信号的高电平宽度相同的第一组正负脉冲高频信号。

第二、第三、第四路预处理信号分别经第一、第二、第三延时模块延时后，分别输入第二、第三、第四信号处理模块，然后分别输出四路与预处理信号的高电平宽度相同的第二、第三、第四组正负脉冲高频信号；所述第一延时模块延迟时间为n纳秒，所述第二延时模块延迟时间为2n纳秒，所述第三延时模块延迟时间为3n纳秒(n为正整数)。

第五路预处理信号输入截尾脉冲产生模块，在第一到第四路预处理信号关断的同时输出高电平窄脉冲信号；该高电平窄脉冲信号输入驱动门电路模块，经过驱动门电路模块中的十六路截尾脉冲泄放电路泄放IGBT开关管栅极多余电荷。

所述第一～第四组共十六路正负脉冲高频信号输入驱动门电路模块转换为十六路驱动信号，并把该驱动信号输入十六级IGBT脉冲形成装置。

所述十六级IGBT脉冲形成装置每级连接电源，由驱动门电路模块输出的驱动信号开关IGBT管得到所需脉冲。

进一步地，所述信号处理模块包括低频转高频电路、光耦电路、半桥电路、驱动脉冲非晶隔离变压器a、b、c、d。其中，低频转高频电路用于把低频率的脉冲信号处理成高频信号；光耦电路用于隔离信号；半桥电路用于把正脉冲变为正负脉冲；驱动脉冲非晶隔离变压器用于隔离高压与低压电路。

所述截尾脉冲产生模块包括截尾脉冲形成电路、截尾脉冲非晶隔离变压器。其中所述截尾脉冲形成电路用于形成截尾脉冲；截尾脉冲非晶隔离变压器用于隔离截尾脉冲形成电路与处于高电位的截尾脉冲泄放电路。

所述驱动门电路模块包括十六路截尾脉冲泄放电路、十六路驱动电路。其中驱动电路用于处理正负脉冲高频信号转化为驱动信号；截尾脉冲泄放电路用于泄放开关管栅极多余电荷。

所述光纤传输装置，用于传输、预处理产生的低压脉冲信号。

所述延迟模块，用于延迟输入脉冲信号的开启时间。

所述十六级IGBT脉冲形成装置，用于形成高压大电流脉冲。

本发明的高压脉冲调制器具有以下特点：

1、本高压调制器采用非同步驱动信号的方式驱动开关管，使寄生电感所导致的单极前沿过冲叠加的大电压大大减小，并且也不会增加过多的外围电路。

2、本调制器截尾脉冲加在开关管栅极处，电路主元器件为可控硅，不仅可以有效的快速释放掉开关管栅极电荷，快速关断开关管，减少脉冲后延时间，而且可以节约一半大电流耐高压开关管成本。

3、脉冲形成装置采用加法叠加结构，使整体电路容错能力增加，当一个开关管坏掉时，电路依然能够正常工作。并且负载真空电子管是直接串联进电路，不是在电阻上用电缆引出电压，可以用于大电流电路。

4、电路兼容宽脉冲和窄脉冲，把驱动脉冲均变换成高频脉冲，可以有效减小隔离变压器体积，提高传输能力。

5、隔离变压器材料采用非晶材料，其具有高磁导率,高磁饱和度,低损耗,高电阻率，相比于硅钢材料可以削减75％的空载损失。

附图说明

图1为本发明的高压脉冲调制器的结构框图。

图2为本发明的高压脉冲调制器的脉冲时序图。

图3为本发明的高压脉冲调制器的信号处理模块。

图4为本发明的高压脉冲调制器的延时模块。

图5为本发明的高压脉冲调制器的截尾脉冲产生模块。

图6为本发明的高压脉冲调制器的驱动门电路模块。

图7为本发明的高压脉冲调制器的十六级IGBT脉冲形成装置。

具体实施方式

如图1，本发明的高压脉冲调制器包括：

脉冲产生装置，用于产生一个低压脉冲信号A1；

光纤传输装置，用于传输、处理低压脉冲信号A1，得到预处理信号A2；

延迟模块，用于延迟输入脉冲信号的开启时间；

信号处理模块,用于把预处理信号A2转化为正负脉冲高频信号传输给驱动门电路模块，包括低频转高频电路、光耦电路、半桥电路、驱动脉冲非晶隔离变压器a、b、c、d，其中低频转高频电路，用于把低频率的脉冲信号处理成高频信号；光耦电路，用于隔离信号；半桥电路，用于把正脉冲变为正负脉冲；驱动脉冲非晶隔离变压器a、b、c、d，用于隔离高压与低压电路；

截尾脉冲产生模块，用于产生和传输截尾脉冲，包括截尾脉冲形成电路，用于形成截尾脉冲；截尾脉冲非晶隔离变压器，用于隔离截尾脉冲形成电路与处于高电位的截尾脉冲泄放电路；

驱动门电路模块，用于处理正负脉冲高频信号以及截尾脉冲信号，包括驱动电路，用于处理正负脉冲高频信号；截尾脉冲泄放电路，用于泄放开关管栅极多余电荷。

十六级IGBT脉冲形成装置，用于形成所需高压大电流脉冲。

如图1所示，脉冲产生装置发出一段低压脉冲信号A1，此脉冲信号被光纤传输装置接受并输出预处理信号A2。A1与A2为同相信号，如图2中A1、A2信号相位所示，只是A2电压幅值更高，方便后续电路应用。

A2信号分为五路，如图1所示，第一路信号，经过反相后输出A3信号，A3信号与A2信号反相，如图2所示；A2信号输出到低频转高频电路TL494电路，如图3，采用屏蔽两个误差放大器的连接方式，两误差放大器正极16脚1脚接地。两误差放大器负极2脚15脚分别通过电阻R8、R7接14脚接VREF高电平。4脚为死区控制，通过R6、R9分压控制占空比接近50％。5脚C4，6脚R10、RP1决定振荡频率，公式为f＝1.1/(R*C)(R为6脚接地电阻值，C为5脚接地电容值)。C5、C6为电源滤波电路。13脚决定工作方式，此为推挽应用，所以接14脚高电平。3脚接A3信号。当A3为低电平时，9脚、10脚输出互补的震荡脉冲B，当A3为高电平时，9、10脚输出低电平。

9脚10脚输出的互补震荡脉冲B分别接入光耦电路IC1与IC2的2脚进行隔离，防止后续电路对信号处理模块产生影响。光耦出的脉冲信号分别连接R13、R15进入半桥电路。

开关管T2、T3为IGBT管的半桥电路，优点为可通过大电流。D2、D3、D4、D5为稳压二极管，R13、R14、R15、R16为分压限流电阻，8个器件作为开关管的栅极保护电路，防止栅极信号输入过大。R21、C13、R22、C14为缓冲电路，当主电路电流反向时，防止反向电流烧坏开关管。R17、R18、R19、R20为限流电阻，由于输出口连接驱动脉冲非晶隔离变压器a的初级，故电流会很大，加限流电阻可以保护开关管。C15、C17为大储能电容。C16、C18为滤波小电容。R23作为电压提取电阻，输出口CZ10接于两端。通过半桥电路，脉冲信号变为±300V的中压正负脉冲高频信号。

A2信号分出的第二路信号，如图1所示，连接延时模块，如图4。使用CD4098单稳态触发器构成延时模块，5脚3脚接高电平，关闭下降沿触发，4脚接A2信号，打开上升沿触发，1、2脚接电容电阻设置延迟时间，当A2上升沿时，7输出低电平，延时n纳秒(t2-t1)时间后，输出高电平，与A2信号共同通过CD4011与非门，当两信号均为高电平时，与非门输出的信号C为低电平，否则为高电平。如图2，信号C所示。信号C经过低频转高频电路输出信号D、再经过光耦电路、半桥电路抵达非晶隔离变压器b的初级。

如图1所示，A2分出的第三路、第四路信号同样要经过与第二路结构相同的延迟模块分别输出信号E，信号G，不同在于延迟时间递增，随后经过低频转高频电路输出信号F、H，再经过光耦电路、半桥电路，信号如图2所示。最后到达非晶隔离变压器c和d的初级。

A2的第五路信号，作为截尾脉冲的触发脉冲，连接截尾脉冲产生模块，如图5所示，A2仍然输入到一个CD4098芯片，不同在于，接入的11脚，下降沿触发。即驱动信号结束，出现脉冲下降沿时刻，输出为10脚高电平输出，高电平宽度由15脚14脚接电容电阻控制截尾脉冲宽度，信号输出如图2I信号所示，小信号经过IC3光耦，再传输到IGBT所组成的电压放大电路，R28、R29、D6、D7为T4管栅极保护电路，R30、R31为限流电阻，防止电流过大，输出口连接截尾脉冲非晶隔离变压器，其中一端接地。

驱动脉冲信号通过驱动脉冲非晶隔离变压器a、b、c、d，每一个隔离变压器次级连接4个线圈，即每一个隔离变压器，次级输出四个幅值相位完全相同的正负脉冲高频信号。四个隔离变压器一共16个信号，四个为一组，既能实现非同步控制减小过冲电压，又不会过多增加驱动电路体积，实验证明，四个为一组就能很好抑制过冲电压。十六组信号的驱动电路相同，如图6所示，正负中压高频信号通过全桥整流电路D8以及滤波电路C24、C25，变为与初始低压脉冲信号脉宽相同的大电流驱动信号，通过单向导通的二极管D9,以及由分压电路R32、R33和D10、D11组成的栅极保护电路连接IGBT开关管。由于电流较大，故IGBT管开启快速。

通过截尾脉冲非晶隔离变压器的截尾脉冲，次级共连接16个相同的驱动门电路模块的截尾脉冲电路，如图6所示，为一个可控硅D12为主元器件的电路，可控硅阳极与IGBT管栅极相连，R34、R35为控制端分压保护电路，当驱动信号关断下降沿出现时刻，截尾脉冲输出，可控硅导通，IGBT管栅极电荷被快速泄放，IGBT关断。

16个IGBT管连接成加法叠加结构的IGBT脉冲形成装置，如图7所示，每级电路电源E伏特直流电压，负载真空电子管串联进电路，当驱动信号来时，真空电子管两级产生16倍-E伏特的负高压。其中M、P点以及Q1对应图6中M、N点以及Q1管。电容为储能电容，二极管作用在于，当该级开关管损坏断开时，电流从二极管通过，电路仍然正常运行，使整体电路容错能力增加。

一种基于IGBT的非同步触发高压脉冲调制器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。