一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统和操作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统及操作方法，涉及脉冲功率技术和快脉冲电源领域。该电源系统包括全状态判断单元1、信号解析与重成形单元2、脉冲变压器3、高压脉冲成形单元4、高压直流电源5、储能单元6、温度监测单元7。本发明专利技术与传统方法相比能够在保证幅值可调、纳秒前沿、脉冲宽度可调的基础上，实现高重频纳秒脉冲输出，最高工作频率可达500kHz，并且能够对自身工作状态实时监控，具有良好的可靠性。虽然系统方案不复杂，但能够提高驱动电源系统的工作稳定性和使用寿命，能够实时监测驱动电源系统的工作状态，及时对驱动电源系统的工作状态进行反馈，在脉冲电源应用领域中具有重要应用。

【技术实现步骤摘要】
一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统和操作方法
本专利技术涉及脉冲功率技术和快脉冲电源领域领域，具体涉及一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统和操作方法，可应用于医疗激光器及科研激光器等系统中。
技术介绍
在医疗激光器、科研或专用工业加工类脉冲激光器、等离子发生器等领域，需要通过高压脉冲驱动电源提供一定幅值、频率、脉宽的脉冲驱动信号。特别是在脉冲激光器领域，高压脉冲驱动电源作为重要的组成部分，给普克尔盒(PockelsCell,又称Q开关)提供精准的控制驱动信号，使激光器具备输出设定时序脉冲激光的功能。该使用状态下，要求高压脉冲驱动电源具备输出幅值可调、高重复频率(100kHz级)、快上升和下降沿、脉冲宽度可调的特点。传统的高压脉冲驱动电源主要有两类：第一类是基于模块化Marx电路和脉冲叠加原理实现的重频纳秒脉冲源，具备千伏级幅值、纳秒级前沿和10kHz级重复频率的脉冲输出能力。但由于该技术路线下，输出脉冲幅值与Marx电路级数和脉冲叠加路数直接相关，一旦设计定型后，输出脉冲幅值调节范围有限，其次，其输出脉冲宽度无法任意调节，100kHz级重复频率的脉冲输出也较难实现。第二类为基于MOSFET或IGBT等开关器件串并联的脉冲驱动电源，虽然能够解决部分脉冲电源需求，但不能同时满足幅值可调、高重复频率(100kHz级)、快前沿、脉冲宽度可调等多项技术要求；且现有基于MOSFET或IGBT的纳秒脉冲电源也难以在高压脉冲输出的同时保持较高工作频率。
技术实现思路
为了克服现有技术中上述高压脉冲电源存在的缺陷,本专利技术提供一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统和操作方法，能够实现高重频纳秒脉冲输出，最高工作频率可达500kHz，并且能够对自身工作状态实时监控，具有良好的可靠性。本专利技术采用的技术方案如下：一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，包括安全状态判断单元、信号解析与重成形单元、脉冲变压器、高压脉冲成形单元、高压直流电源、储能单元、温度监测单元。其中安全状态判断单元与信号解析与重成形单元、脉冲变压器、高压脉冲成形单元依次相连形成第一高压脉冲发生支路；同时安全状态判断单元通过高压直流电源、储能单元与高压脉冲成形单元相连形成第二电压电流监测支路；另外安全状态判断单元还通过温度监测单元与高压脉冲成形单元相连形成第三温度监测支路。第一高压脉冲发生支路、第二电压电流监测支路、第三温度监测支路的共同作用生成的高压脉冲输出与容性负载的输入相连，形成完整的电流回路。在第二电压电流监测支路中，所述高压直流电源用于将24V直流转化为kV级的高压直流输出，所述储能单元由储能电容和限流电阻构成，主要用于将高压直流电源的高压直流电源储存在电容中，且储能单元还和高压脉冲成形单元直接连接并向高压脉冲成形单元提供足够的电能，从而为驱动电源系统提供高压供电；同时高压直流电源将驱动电源系统的电流、电压值输出至所述安全状态判断单元，用于对驱动电源系统的实时电流电压进行监测。在第三温度监测支路中所述温度监测单元用于监测高压脉冲成形单元中的功率器件的实时温度，保证在高重频工作模式下功率器件不至于因温度超限而长期工作状态异常。在第一高压脉冲发生支路上，所述安全状态判断单元1用于接收外触发信号，并通过第二电压电流监测支路和第三温度监测支路对驱动电源系统当前的电流、电压、温度状态进行判断，并有且仅当所有状态正常时所述安全状态判断单元才响应外触发信号。所述脉冲变压器分别连接信号解析与重成形单元和高压脉冲成形单元，主要用于将来自信号解析与重成形单元的开门信号ON、关门信号OFF转化为后级高压脉冲成形单元所需的驱动控制信号ON1、OFF1，并将驱动控制信号ON1、OFF1输出至高压脉冲成形单元，从而实现强弱电隔离。所述高压脉冲成形单元用于根据接收的驱动控制信号ON1、OFF1控制最终的高压脉冲输出波形。所述安全状态判断单元1包括三个比较器(11、12、13)和一个与门逻辑芯片，且三个比较器(11、12、13)的输出信号与外部触发信号B同时连接至与门逻辑芯片的输入，经过与门逻辑芯片处理后的外触发信号C作为安全状态判断单元的信号输出至后级电路。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、与传统充电方法相比，本专利技术提供的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统方案，能够在保证幅值可调、纳秒前沿、脉冲宽度可调的基础上，实现高重频纳秒脉冲输出，最高工作频率可达500kHz。2、本专利技术提供的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统方案虽然结构不复杂，但效果优异，能够提高驱动电源系统的工作稳定性和使用寿命等。3、本专利技术提供的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统方案能够实时监测驱动电源系统的工作状态，并及时对驱动电源系统的工作状态进行反馈，在脉冲电源应用领域中具有重要应用。附图说明图1为本专利技术提供的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统结构示意图。图2为图1所述电源系统的安全状态判断单元内部逻辑示意图。图中各符号说明如下：安全状态判断单元1、信号解析与重成形单元2、脉冲变压器3、高压脉冲成形单元4、高压直流电源5、储能单元6、温度监测单元7，11、12、13为比较器，14为与门逻辑芯片。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1实施例1为如图1所示的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，该系统包括安全状态判断单元1、信号解析与重成形单元2、脉冲变压器3、高压脉冲成形单元4、高压直流电源5、储能单元6、温度监测单元7。其中安全状态判断单元1与信号解析与重成形单元2、脉冲变压器3、高压脉冲成形单元4依次相连形成第一高压脉冲发生支路；同时安全状态判断单元1通过高压直流电源5、储能单元6与高压脉冲成形单元4相连形成第二电压电流监测支路；另外安全状态判断单元1还通过温度监测单元7与高压脉冲成形单元4相连形成第三温度监测支路。第一高压脉冲发生支路、第二电压电流监测支路、第三温度监测支路的共同作用生成的高压脉冲输出与容性负载的输入相连，形成完整的电流回路。在一个实施例中该容性负载为普克尔盒，也可以为其他容性开关，具体负载结构可以根据实际应用场景进行选择和设置。在第二电压电流监测支路中，所述高压直流电源5用于将24V直流转化为kV级的高压直流输出，从而为驱动电源提供高压供电；由于驱动电源的高重频输出需求，高压直流电源5设计功率应满足最高工作频率时的供电需要，并考虑须考虑一定降额系数。在一个实施例中所述高压直流电源5设计的额定功率为250W，能够充足覆盖工作频率内的功能需求。同时高压直流电源5将驱动电源系统的电流、电压值输出至所述安全状态判断单元1，用于对驱动电源系统的电流、电压进行监测，从而能够实时向安全状态本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，其特征在于，所述驱动电源系统包括安全状态判断单元(1)、信号解析与重成形单元(2)、脉冲变压器(3)、高压脉冲成形单元(4)、高压直流电源(5)、储能单元(6)、温度监测单元(7)。/n其中安全状态判断单元(1)与信号解析与重成形单元(2)、脉冲变压器(3)、高压脉冲成形单元(4)依次相连形成第一高压脉冲发生支路；同时安全状态判断单元(1)通过高压直流电源(5)、储能单元(6)与高压脉冲成形单元(4)相连形成第二电压电流监测支路；另外安全状态判断单元(1)还通过温度监测单元(7)与高压脉冲成形单元(4)相连形成第三温度监测支路。第一高压脉冲发生支路、第二电压电流监测支路、第三温度监测支路的共同作用生成的高压脉冲输出与容性负载的输入相连，形成完整的电流回路。/n

【技术特征摘要】
1.一种高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，其特征在于，所述驱动电源系统包括安全状态判断单元(1)、信号解析与重成形单元(2)、脉冲变压器(3)、高压脉冲成形单元(4)、高压直流电源(5)、储能单元(6)、温度监测单元(7)。
其中安全状态判断单元(1)与信号解析与重成形单元(2)、脉冲变压器(3)、高压脉冲成形单元(4)依次相连形成第一高压脉冲发生支路；同时安全状态判断单元(1)通过高压直流电源(5)、储能单元(6)与高压脉冲成形单元(4)相连形成第二电压电流监测支路；另外安全状态判断单元(1)还通过温度监测单元(7)与高压脉冲成形单元(4)相连形成第三温度监测支路。第一高压脉冲发生支路、第二电压电流监测支路、第三温度监测支路的共同作用生成的高压脉冲输出与容性负载的输入相连，形成完整的电流回路。


2.如权利要求1所述的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，其特征在于，所述容性负载为普克尔盒。


3.如权利要求1所述的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，其特征在于，在第二电压电流监测支路中，所述高压直流电源(5)用于将24V直流转化为kV级的高压直流输出，所述储能单元(6)由储能电容和限流电阻构成，主要用于将高压直流电源(5)的高压直流电源储存在电容中，且储能单元(6)还和高压脉冲成形单元(4)直接连接并向高压脉冲成形单元(4)提供足够的电能，从而为驱动电源系统提供高压供电；
同时高压直流电源(5)将驱动电源系统的电流、电压值输出至所述安全状态判断单元(1)，用于对驱动电源系统的实时电流电压进行监测。


4.如权利要求1所述的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，其特征在于，在第三温度监测支路中所述温度监测单元(7)用于监测高压脉冲成形单元(4)中的功率器件的实时温度，保证在高重频工作模式下功率器件不至于因温度超限而长期工作状态异常。


5.如权利要求1所述的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，其特征在于，在第一高压脉冲发生支路上，所述安全状态判断单元(1)用于接收外触发信号，并通过第二电压电流监测支路和第三温度监测支路对驱动电源系统当前的电流、电压、温度状态进行判断，并有且仅当所有状态正常时所述安全状态判断单元(1)才响应外触发信号。


6.如权利要求5所述的高重频高压纳秒脉冲驱动电源系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏东，张雄军，沈昊，陈德怀，王深圳，夏汉定，向祥军，唐海波，彭志涛，赖贵友，党钊，许乔，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51