專利名稱：一種方波發(fā)生電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁兼容(EMC)測量領(lǐng)域，具體涉及一種方波發(fā)生電路。
背景技術(shù)：
電子設(shè)備的抗脈沖能力是評價其性能的重要指標(biāo)，脈沖電壓是一種典型的浪涌脈沖，對該指標(biāo)的評價通常是用方波發(fā)生器產(chǎn)生高壓脈沖，加載在受試設(shè)備(EUT)的兩端，以考察受試設(shè)備是否可以正常工作?，F(xiàn)有的高壓方波發(fā)生電路如圖1所示，包括高壓直流源、RC儲能電路、半導(dǎo)體開關(guān)S1、脈沖輸出端。為了產(chǎn)生高能量的方波脈沖，要求開關(guān)能耐受瞬間數(shù)千伏的高壓、數(shù)百安培的大電流，且開關(guān)閉合和斷開的響應(yīng)時間至少要為微秒級，才能保證脈沖方波的上升沿和下降沿陡峭，這種高要求一般只有大功率半導(dǎo)體開關(guān)才能滿足。但是半導(dǎo)體開關(guān)Si中的結(jié)電容使其在斷開的瞬間，受試設(shè)備兩端的電壓并不會發(fā)生突變；儲能電容Cl經(jīng)受試設(shè)備給半導(dǎo)體開關(guān)SI的結(jié)電容充電，直至充滿，開關(guān)SI才能真正關(guān)斷以產(chǎn)生方波下降沿。方波下降沿的變化速率與結(jié)電容的充電速率相同，而結(jié)電容的充電速率取決于結(jié)電容與受試設(shè)備等效電阻RL的乘積大小，乘積越大，結(jié)電容的充電時間越長，下降沿越平緩，僅能輸出寬脈沖；反之，乘積越小，結(jié)電容的充電時間越短，下降沿越陡峭，可輸出窄脈沖，即方波的下降沿受受試設(shè)備等效電阻RL阻值大小的制約。一般而言，半導(dǎo)體開關(guān)的結(jié)電容為nF級，而受試設(shè)備的等效電阻&可能很大，結(jié)電容的充電時間很長，導(dǎo)致方波下降沿下降緩慢，從而只能輸出脈沖寬度較大的脈沖。例如，若受試設(shè)備等效電阻Rl大于IOk Ω，則方波的下降沿將至少大于10 μ S，受試設(shè)備端無法得到I μ s或更快速的方波，其輸出的脈沖寬度非常大，且幅值不平坦，如圖2所示，不能滿足某些電子設(shè)備需要利用陡峭沿的窄方波進(jìn)行測試的要求。因此，現(xiàn)有的技術(shù)方 案一般 僅能實(shí)現(xiàn)高能量的寬方波脈沖，而且實(shí)現(xiàn)的幅值不平坦；即使存在某些可實(shí)現(xiàn)窄方波的技術(shù)方案，如公布號為CN101795127A的專利公開了“一種高壓方波脈沖發(fā)生器及產(chǎn)生高壓方波脈沖的方法”，不僅實(shí)現(xiàn)方式和裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本高、也不能實(shí)現(xiàn)高能量的方波脈沖，方波寬度可調(diào)節(jié)的范圍較窄。

發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種脈沖寬度可調(diào)的快速高能量方波發(fā)生電路，該方波發(fā)生電路可輸出納秒級至毫秒級的寬范圍高能量方波，且具有脈沖調(diào)節(jié)范圍寬、幅值平坦、控制方便，電路可靠等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所述的一種方波發(fā)生電路是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。一種方波發(fā)生電路，其特征在于，包括高壓直流源、儲能電路、半導(dǎo)體開關(guān)、充電電阻和用于加載受試設(shè)備的脈沖輸出端，儲能電路包括限流電阻和儲能電容；高壓直流源、限流電阻和儲能電容構(gòu)成回路，儲能電容、半導(dǎo)體開關(guān)和加載在脈沖輸出端上的受試設(shè)備構(gòu)成回路；所述的充電電阻與脈沖輸出端相并聯(lián)，所述的充電電阻為可變電阻或者固定電阻。
本發(fā)明具體的工作步驟如下:第一步:將受試設(shè)備加載到脈沖輸出端上，高壓直流源通過限流電阻給儲能電容充電；與此同時，由于半導(dǎo)體開關(guān)存在結(jié)電容，高壓直流源通過受試設(shè)備給半導(dǎo)體開關(guān)的結(jié)電容充電，充電完畢后，半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容兩端的電壓與儲能電容兩端的電壓相等。需要說明的是，限流電阻的阻值一般都很大，因而由高壓直流源、限流電阻和儲能電容構(gòu)成的回路的時間常數(shù)較大，因而高壓直流源通過限流電阻給儲能電容充電，充電時間較長，儲能電容充電完畢后，即可將其視為供電電源。第二步:閉合半導(dǎo)體開關(guān)，半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容上的電荷被快速釋放掉，儲能電容兩端的高壓可直接、瞬態(tài)地加載到受試設(shè)備的兩端上，產(chǎn)生方波陡峭的上升沿，且上升沿的電壓幅值等于儲能電容兩端的電壓；通過控制半導(dǎo)體開關(guān)的閉合時間，即可實(shí)現(xiàn)高壓脈沖寬度的控制；第三步:斷開半導(dǎo)體開關(guān)，半導(dǎo)體開關(guān)中結(jié)電容的存在使其在斷開的瞬間，受試設(shè)備兩端的電壓并不會發(fā)生突變；受試設(shè)備和充電電阻相并聯(lián)后、再與半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容相串聯(lián)組成充電回路，等效于供電電源的儲能電容通過受試設(shè)備及充電電阻給半導(dǎo)體開關(guān)的結(jié)電容充電，直至充滿，半導(dǎo)體開關(guān)才能真正斷開，充電時間決定于充電回路的時間常數(shù)。充電電阻與受試設(shè)備并聯(lián)后的總電阻小于其任一支路的電阻，合理選擇充電電阻的阻值，即可減小充電回路的充電時間，加快結(jié)電容的充電速率，產(chǎn)生陡峭的下降沿。例如可將下降沿控制在納秒(ns)級，可產(chǎn)生納秒(ns)級或更快速的方波。本發(fā)明通過在脈沖輸出端并聯(lián)充電電阻，通過合理選擇充電電阻的阻值，即可調(diào)節(jié)充電電阻和半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容組成的充電回路的時間常數(shù)，加快半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容的充電速率，從而實(shí)現(xiàn)下降沿陡峭的方波脈沖；此外通過同步控制半導(dǎo)體開關(guān)的閉合時間，即可輸出脈沖寬度可調(diào)且幅值平坦的高能量方波脈沖，脈沖寬度可實(shí)現(xiàn)從納秒級至毫秒級的寬范圍調(diào)節(jié)。本發(fā)明的技術(shù)方案可通過以下技術(shù)方案進(jìn)一步限定:作為優(yōu)選，所述的受試設(shè)備、充電電阻與儲能電容組成的放電回路的時間常數(shù)應(yīng)大于設(shè)定的方波脈沖寬度。在上述的第二步中，即閉合半導(dǎo)體開關(guān)后，半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容上的電荷被快速釋放掉，受試設(shè)備和充電電阻相并聯(lián)后、再與儲能電容相串聯(lián)組成放電回路；輸出的脈沖實(shí)際上是放電曲線從初始時刻開始、某一時間段的電壓，即輸出的脈沖是放電曲線從t = O時刻到某一時間段的一部分。因此，這里的輸出脈沖寬度的時間段應(yīng)小于放電回路的時間常數(shù)，即充電電阻與受試設(shè)備并聯(lián)后的總電阻與儲能電容的乘積應(yīng)大于該方波脈沖寬度；在實(shí)際應(yīng)用中，為了確保獲得幅值平坦的方波脈沖，通常選擇并聯(lián)總電阻與儲能電容的乘積遠(yuǎn)大于方波脈沖寬度，使得方波脈沖幅值平坦。例如:受試設(shè)備、充電電阻并聯(lián)后的總電阻與儲能電容組成的放電回路的時間常數(shù)為10ms，而預(yù)輸出的脈沖寬度為I μ S，即可保證輸出幅值平坦的方波脈沖。作為優(yōu)選，所述的受試設(shè)備、充電電阻與半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容組成的充電回路的時間常數(shù)應(yīng)小于設(shè)定的脈沖下降沿的時間。在上述的第三步中，即斷開半導(dǎo)體開關(guān)后，由于半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容的存在致使其不能立刻斷 開，需等到結(jié)電容充滿電后才能斷開；受試設(shè)備和充電電阻相并聯(lián)后、再與半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容相串聯(lián)組成充電回路，充電回路給結(jié)電容充電，充電的時間決定了脈沖下降沿的陡峭程度，充電時間短、脈沖下降沿陡峭，充電時間長、脈沖下降沿平緩，而充電時間的長短決定于充電回路的時間常數(shù)。因此，為了保證方波脈沖的下降沿陡峭，應(yīng)減小充電回路的時間常數(shù)，即充電電阻與受試設(shè)備并聯(lián)后的總電阻與半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容的乘積應(yīng)小于該方波脈沖下降時間。實(shí)際應(yīng)用中，通常選擇并聯(lián)總電阻與半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容的乘積遠(yuǎn)小于方波脈沖下降時間，使得電壓快速下降，產(chǎn)生陡峭的下降沿。例如，受試設(shè)備、充電電阻并聯(lián)后的總電阻與半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容組成的充電回路的時間常數(shù)為20ns，而預(yù)輸出的脈沖寬度為I μ s，即可保證輸出下降沿陡峭的方波脈沖。作為優(yōu)選，包括與半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)的輔助限流電阻，所述的輔助限流電阻與儲能電容、半導(dǎo)體開關(guān)、充電電阻組成回路。這里，輔助限流電阻有兩個作用:其一，是為輸出回路提供限流作用，防止輸出端短路損壞半導(dǎo)體開關(guān)；其二，起阻尼作用，因電路中存在寄生電容及電感，可抑制脈沖上升過程中引起的高頻振蕩。這里的輔助限流電阻也可以為可變電阻。加載上輔助限流電阻后，脈沖輸出端的電壓應(yīng)為儲能電容兩端的電壓經(jīng)輔助限流電阻和受試設(shè)備分壓后的電壓。需要指出的是，輔助限流電阻可以設(shè)置在儲能電路和半導(dǎo)體開關(guān)之間的電路上，或者設(shè)置在半導(dǎo)體開關(guān)和脈沖輸出端之間的電路上，位置設(shè)置靈活。作為一種技術(shù)方案，包括輔助充電電阻，所述的輔助充電電阻與脈沖輸出端相并聯(lián)。這里的輔助充電電阻可以用來限定脈沖最長下降沿。例如，若受試設(shè)備的等效電阻的阻值較大，充電電阻的調(diào)節(jié)范圍有限，即可選用阻值較小的輔助充電電阻，來使得受試設(shè)備、充電電阻和輔助充電電阻的總并聯(lián)阻值較小，從而保證在上述的第三步中，在斷開半導(dǎo)體開關(guān)后，充電電路的時間常數(shù)較小，實(shí)現(xiàn)限定最長脈沖下降沿的目的。作為優(yōu)選，包括與充電電阻串聯(lián)的充電開關(guān)，所述的充電開關(guān)為功率繼電器。充電開關(guān)根據(jù)脈沖寬度，選擇閉合或斷開充電電阻，以保證方波寬度納秒(ns)級或更窄時，下降沿陡峭；方波寬度毫秒級(ms)或更長時，脈沖幅值平坦。作為優(yōu)選，上述的半導(dǎo)體開關(guān)為響應(yīng)時間達(dá)到納秒級的單極性大功率半導(dǎo)體放電開關(guān)，其閉合時間由納秒級至數(shù)百毫秒級，可產(chǎn)生上升沿、下降沿陡峭，脈沖持續(xù)時間由納秒級至毫秒級寬范圍連續(xù)可調(diào)的方 波脈沖，具有工作穩(wěn)定、使用壽命長和噪音小等特點(diǎn)。作為優(yōu)選，所述的半導(dǎo)體開關(guān)為絕緣柵雙極型晶體管或者電力場效應(yīng)晶體管。絕緣柵雙極型晶體管簡稱為IGBT管，IGBT管具有耐高壓、容量大、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快和安全工作區(qū)較寬等特點(diǎn)；電力場效應(yīng)晶體管簡稱為MOSFET管，具有輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)速度快、工作頻率高、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)較寬等特點(diǎn)。其它具有高壓耐受性、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)的半導(dǎo)體開關(guān)也可以適用。作為優(yōu)選，所述的高壓直流源為可調(diào)單極性高壓直流源。高壓直流源可調(diào)，從而可輸出幅值可調(diào)的方波脈沖，適用范圍廣，性價比高。綜上所述，本發(fā)明通過在脈沖輸出端上并聯(lián)充電電阻，選擇合理的充電電阻阻值，可大幅縮短半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容的充電時間，解決下降沿遲緩問題，從而實(shí)現(xiàn)下降沿陡峭的方波脈沖；同時通過控制半導(dǎo)體開關(guān)的閉合時間，即可輸出脈沖寬度可調(diào)且幅值平坦的高能量方波脈沖，可實(shí)現(xiàn)從納秒級至毫秒級的寬范圍脈沖調(diào)節(jié)，具有脈沖調(diào)節(jié)范圍寬、幅值平坦、控制方便，電路可靠等優(yōu)點(diǎn)。

附圖1是現(xiàn)有方波發(fā)生電路的示意附圖2是現(xiàn)有方波發(fā)生電路產(chǎn)生的方波示意圖；附圖3是實(shí)施例1的示意圖；附圖4是實(shí)施例1產(chǎn)生的方波示意圖；附圖5是實(shí)施例2的示意圖；附圖6是實(shí)施例3的示意圖。1-高壓直流源；2_儲能電路；2-1_限流電阻；2-2_儲能電容；3_半導(dǎo)體開關(guān)；
4-充電電阻；5_脈沖輸出端；6_受試設(shè)備；7_充電開關(guān)；8_輔助限流電阻；9_輔助充電電阻。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖3所示，本實(shí)施例公開了一種方波發(fā)生電路，包括高壓直流源1、儲能電路2、半導(dǎo)體開關(guān)3、充電電阻4、脈沖輸出端5，儲能電路2包括限流電阻2-1和儲能電容2-2，受試設(shè)備6加載在脈沖輸出端5上；高壓直流源1、限流電阻2-1和儲能電容2-2構(gòu)成回路，儲能電容2-2、半導(dǎo)體開關(guān)3和加載在脈沖輸出端5上的受試設(shè)備6構(gòu)成回路；充電電阻4與脈沖輸出端5相并聯(lián),充電電阻4為可變電阻。該實(shí)施例產(chǎn)生的方波脈沖的上升沿和下降沿如圖4所示，具體的工作過程如下:方波上升沿形成過程:斷開半導(dǎo)體開關(guān)3。高壓直流源I通過限流電阻2-1給儲能電容2-2充電，當(dāng)儲能電容2-2充滿電后，半導(dǎo)體開關(guān)3結(jié)電容上也充滿了電，半導(dǎo)體開關(guān)3結(jié)電容上的電壓與儲能電容2-2上的相同；然后閉合半導(dǎo)體開關(guān)3，半導(dǎo)體開關(guān)3結(jié)電容上的電荷被快速釋放掉，輸出高壓脈沖方波上升沿，上升沿的電壓幅值等于儲能電容兩端的電壓，從圖4中可看出上升沿的電壓幅值高達(dá)8000 9000V。為了保證方波幅值平坦，合理選擇充電電阻4的阻值，要求受試設(shè)備6的等效電阻、充電電阻4和儲能電容2-2組成的放電回路的時間常數(shù)要大于方波輸出脈沖寬度。通過控制半導(dǎo)體開關(guān)的閉合時間，即可實(shí)現(xiàn)高壓脈沖寬度的控制；方波下降沿形成過程:斷開半導(dǎo)體開關(guān)3，半導(dǎo)體開關(guān)3中結(jié)電容的存在使其在斷開的瞬間，受試設(shè)備6兩端的電壓并不會發(fā)生突變，儲能電容2-2通過充電電阻4和受試設(shè)備6給半導(dǎo)體開關(guān)3的結(jié)電容充電，直至充滿，半導(dǎo)體開關(guān)3才能真正關(guān)斷。為了保證下降沿陡峭，合理選擇充電電阻4的阻值，使得受試設(shè)備6的等效電阻、充電電阻4、和半導(dǎo)體開關(guān)3中結(jié)電容組成的充電回路的時間常數(shù)遠(yuǎn)小于方波下降時間，大幅減小充電回路的時間常數(shù)，從而大大加快結(jié)電容的充電速率，產(chǎn)生陡峭的下降沿。如圖4所示，本實(shí)施例中的脈沖寬度為I μ s，高壓脈沖下降沿的下降時間約為0.2 μ S，下降沿陡峭。實(shí)施例2如圖5所示，與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)施例包括充電開關(guān)7和輔助限流電阻8，充電開關(guān)7為功率繼電器、并與充電電阻4串聯(lián)；輔助限流電阻8與半導(dǎo)體開關(guān)3串聯(lián)，輔助限流電阻8與儲能電容2-2、半導(dǎo)體開關(guān)3、充電電阻4組成回路，這里的充電電阻4為固定電阻。假設(shè)儲能電容2-2兩端的電壓為Utl，充電電阻4的阻值為R4,受試設(shè)備6的等效電阻為R6,輔助限流電阻8的阻值為R8,則加載在脈沖輸出端5的受試設(shè)備6兩端的電壓U6為:Ufi = RsR4 + RiR6 + R4R6 * U°輔助限流電阻8—方面是為輸出回路提供限流作用，防止輸出端短路損壞半導(dǎo)體開關(guān)3，加載上輔助限流電阻8后，脈沖輸出端5的電壓應(yīng)為儲能電容2-2兩端的電壓經(jīng)輔助限流電阻8分壓后的電壓。此外，輔助限流電阻8還可以起到阻尼作用，因電路中存在寄生電容及電感，可抑制脈沖上升過程中引起的高頻振蕩。實(shí)施例3 如圖6所示，與實(shí)施例2不同的是，本實(shí)施例中的充電電阻4為可變電阻，而且還包括用來限定脈沖最長下降沿的輔助充電電阻9，輔助充電電阻9與脈沖輸出端5相并聯(lián)。本實(shí)施例中的受試設(shè)備6的等效電阻的阻值較大，充電電阻4的調(diào)節(jié)范圍有限，選用阻值較小的輔助充電電阻9，使得受試設(shè)備6、充電電阻4和輔助充電電阻9的總并聯(lián)阻值較小，從而保證半導(dǎo)體開關(guān)3結(jié)電容、充電電阻4、輔助充電電阻9和受試設(shè)備6的等效電阻構(gòu)成的充電電路，具有較小的時間常數(shù)，確定輸出脈沖的最長下降沿時間，得到下降沿陡峭的輸出脈 沖。
權(quán)利要求
1.一種方波發(fā)生電路，其特征在于，包括高壓直流源(I)、儲能電路(2)、半導(dǎo)體開關(guān)(3)、充電電阻⑷和用于加載受試設(shè)備(6)的脈沖輸出端(5)，儲能電路⑵包括限流電阻(2-1)和儲能電容(2-2);高壓直流源(I)、限流電阻(2-1)和儲能電容(2-2)構(gòu)成回路，儲能電容(2-2)、半導(dǎo)體開關(guān)(3)和加載在脈沖輸出端(5)上的受試設(shè)備(6)構(gòu)成回路；所述的充電電阻(4)與脈沖輸出端(5)相并聯(lián)，充電電阻(4)為可變電阻或者固定電阻。
2.如權(quán)利要求1所述的一種方波發(fā)生電路，其特征在于，所述的受試設(shè)備(6)、充電電阻(4)與儲能電容(2-2)組成的放電回路的時間常數(shù)應(yīng)大于設(shè)定的方波脈沖寬度。
3.如權(quán)利要求1所述的一種方波發(fā)生電路，其特征在于，所述的受試設(shè)備(6)、充電電阻(4)與半導(dǎo)體開關(guān)(3)結(jié)電容組成的充電回路的時間常數(shù)應(yīng)小于設(shè)定的脈沖下降沿的時間。
4.如權(quán)利要求1所述的一種方波發(fā)生電路，其特征在于，包括與半導(dǎo)體開關(guān)(3)串聯(lián)的輔助限流電阻(8)，所述的輔助限流電阻(8)與儲能電容(2-2)、半導(dǎo)體開關(guān)(3)、充電電阻(4)組成回路。
5.如權(quán)利要求4所述的一種方波發(fā)生電路，其特征在于，所述的輔助限流電阻(8)可以設(shè)置在儲能電路(2)和半導(dǎo)體開關(guān)(3)之間的電路上，或者設(shè)置在半導(dǎo)體開關(guān)(3)和脈沖輸出端(5)之間的電路上。
6.如權(quán)利要求1所述的一種方波發(fā)生電路，其特征在于，包括輔助充電電阻(9)，所述的輔助充電電阻(9)與脈沖輸出端(5)相并聯(lián)。
7.如權(quán)利要求1所述的一種方波發(fā)生電路，其特征在于，包括與充電電阻(4)串聯(lián)的充電開關(guān)(7)，所述的充電開關(guān)(7)為功率繼電器。
8.如權(quán)利要求1所述的一種方波發(fā)生電路，其特征在于，所述的半導(dǎo)體開關(guān)(3)為響應(yīng)時間達(dá)到納秒級的單極性大功率半導(dǎo)體放電開關(guān)。
9.如權(quán)利要求1或8所述的一種方波發(fā)生電路，其特征在于，所述的半導(dǎo)體開關(guān)(3)為絕緣柵雙極型晶體管或者電力場效應(yīng)晶體管。
10.如權(quán)利要求1所述的一種方波發(fā)生電路，其特征在于，所述的高壓直流源(I)為可調(diào)單極性高壓直流源 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種方波發(fā)生電路，包括高壓直流源、儲能電路、半導(dǎo)體開關(guān)、充電電阻和用于加載受試設(shè)備的脈沖輸出端，通過在脈沖輸出端上并聯(lián)充電電阻，合理選擇充電電阻的阻值，可大幅縮短半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)電容的充電時間，實(shí)現(xiàn)下降沿陡峭的方波脈沖；同時通過控制半導(dǎo)體開關(guān)的閉合時間，即可輸出脈沖寬度可調(diào)且幅值平坦的高能量方波脈沖，可實(shí)現(xiàn)從納秒級至毫秒級的寬范圍脈沖調(diào)節(jié)，具有脈沖調(diào)節(jié)范圍寬、幅值平坦、控制方便，電路可靠等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H03K3/64GK103236829SQ201310110838
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者季軍, 潘建根, 涂辛雅, 楊培芳 申請人:杭州遠(yuǎn)方儀器有限公司