一种全固态纳秒级高压脉冲开关

1.本发明涉及一种高压脉冲开关，尤其是一种全固态纳秒级高压脉冲发生开关。


背景技术：

2.质谱仪是一种用于测量离子质荷比的仪器，具有高灵敏度和高特异性等特点，因此被广泛应用于国防、化学、医疗、材料科学、食品安全等领域。高压脉冲开关是质谱设备中的关键器件，广泛用于飞行时间质谱仪、四极杆质谱仪、离子阱质谱仪等质谱仪的离子加速减速与时间聚焦中。高压脉冲开关的最大耐压值直接决定了质谱仪的最大电压；高压脉冲开关的脉冲上升沿、下降沿、过冲、振铃等会对质谱设备的分辨率产生重要影响。因此应用于质谱仪的高压脉冲开关需具有较快的上升沿、下降沿，较小的过冲与振铃等特点。
3.目前我国在高压脉冲开关领域，尤其是输出脉冲大于2000v，开关时间小于30ns的高压脉冲开关，主要依赖于直接购买国外的商业化产品。国外的商业化产品价格昂贵，且有断供风险。因此设计一种低成本、高性能、具有完全自主知识产权的高压脉冲开关成为所述技术领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种全固态纳秒级高压脉冲开关，以解决上述提及的技术问题。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种全固态纳秒级高压脉冲开关，所述开关包括外部信号输入接口、低压信号处理电路、信号分离电路、低压驱动电路、变压器隔离驱动电路、栅极驱动电路、高压端mos管开关电路；所述外部信号输入接口用于接收外部信号；
7.所述信号分离电路用于将输入信号处理为低压驱动电路触发信号；
8.所述变压器隔离驱动电路用于在高压端与低压端间传输驱动信号；
9.所述栅极驱动电路用于控制高压端mos管栅极的电压；
10.所述mos管开关电路用于输出高压脉冲；其中：
11.用户将设定的信号通过所述信号输入接口发送到低压信号处理电路，经过信号处理后进入低压驱动电路，随后由变压器隔离驱动电路将信号从低压端传输至高压端的栅极驱动电路，高压端mos管开关电路与高压电源相连接，通过栅极驱动电路控制高压端mos管的栅级电压，进而控制mos管的开关，从而实现高压脉冲信号的输出。
12.进一步，所述变压器隔离驱动电路采用两组均由磁环制成的变压器构成，每一组所述变压器由一个公共初级绕组与多个次级绕组构成；所述变压器耦合隔离驱动电路由空气间隙作为高压端与低压端间的隔离级；所述变压器耦合隔离驱动电路分别传输高压端mos管的开启、关闭信号。
13.进一步，所述双变压器耦合隔离驱动电路可同时对多个mos管传输驱动信号，驱动信号间的延时为ps级。
14.进一步，所述低压信号处理电路包含信号延时电路与边沿提取电路；所述信号延时电路对输入信号进行延时；所述边沿提取电路对信号进行上升沿与下降沿提取。
15.进一步，所述低压驱动电路包含两级驱动电路，所述驱动电路由驱动芯片、mos管、隔离线圈构成。
16.进一步，所述高压端mos管开关电路采用mos管串联推挽电路，所述mos管串联推挽电路push端与pull端间连接电阻。
17.有益效果
18.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
19.1.本发明采用两组磁环变压器作为高压脉冲开关的隔离与驱动器件，解决了磁环变压器磁饱和无法传输长脉宽信号以及mos管串联结构中同步驱动困难的问题，极大地降低了高压脉冲电源的制作成本。本发明可以实现五个以上mos管同步驱动，驱动信号间延时为ps级，输出脉冲宽度大于150μs。
20.2.针对现有高压脉冲开关上升、下降时间较慢的问题，提出mos管驱动芯片与mos管联用进行二级驱动的方法，弥补了单用mos管驱动芯片驱动能力不足，导致高压脉冲开关上升沿下降沿较慢的问题。
21.3.本发明可实现输出上升时间8.6ns，下降沿时间18.4ns的0-5000v脉冲信号。
22.4.本发明使高压脉冲开关可以在5000v差压下输出高压脉冲上升时间只有8.6ns，下降时间只有18.4ns，同时在输出脉冲宽度从1μs增加至150μs时信号没有顶降。
23.5.本发明结构简单，造价低廉，具有较快的上升时间与下降时间；除作为高精度质谱仪的关键器件外，还可用于医疗、军事、环保、通讯等诸多领域。
附图说明
24.图1为本发明全固态纳秒级高压脉冲开关的结构框图。
25.图2为本发明变压器隔离驱动电路与栅极驱动电路结构示意图。
26.图3为本发明高压端mos管开关电路结构示意图。
27.图4为本发明在加压5000v，输入脉冲宽度30μs时，输出高压脉冲信号图像。
28.图5为本发明在加压5000v，输出脉冲宽度在1-150μs时，输出高压脉冲图像。
具体实施方式
29.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.本发明提供一种全固态纳秒级高压脉冲开关，结构简单，造价低廉，具有较快的上升时间与下降时间，可用于质谱仪的离子加速减速与时间聚焦。如图1所示的全固态纳秒级高压脉冲开关是由外部信号输入接口、低压信号处理电路、低压驱动电路、变压器隔离驱动电路、栅极驱动电路、高压端mos管开关电路等部分组成。其中，低压信号处理电路、低压驱动电路以及变压器隔离驱动电路的输入端为低压电路，栅极驱动电路、高压端mos管开关电路以及变压器隔离驱动电路的输出端为高压电路，变压器隔离驱动电路用于低压电路与高压电路的隔离与信号传输。
31.外部脉冲信号通过外部信号输入接口进入低压信号处理电路，外部信号高电平为
5v,以大地为参考电位，输入阻抗为50ω。
32.信号进入低压信号处理电路后，进行信号延时以及信号上升沿下降沿的提取。信号延时的目的为使低压驱动电路输出的push端驱动信号与pull端驱动信号间存在延时，这样可以避免高压push端mos管与高压pull端mos管同时开启，从而造成mos管损坏以及高压电源过流。由于磁环变压器无法传输长脉宽信号，因此需要信号上升沿与下降沿提取电路将输入脉冲信号分解成由上升沿组成的短脉冲信号以及由下降沿组成的短脉冲信号。
33.低压驱动电路：完成信号延时与信号提取的短脉冲信号进入低压驱动电路，由mos管驱动芯片与mos管将该短脉冲信号进行电压、功率放大。经过电压、功率放大后的短脉冲信号具有更强的驱动能力，能使高压端mos管快速打开，从而使高压脉冲开关具有良好的上升沿。
34.如图2所示为变压器隔离驱动电路与栅极驱动电路结构示意图，从低压驱动电路出来的短脉冲驱动信号进入变压器隔离驱动电路，变压器隔离驱动电路分为两组，其中一组变压器用于传输高压端mos管开启脉冲信号，另一组变压器用于传输高压端mos管关闭脉冲信号。两组变压器均由磁环制成，通过输入绕组与输出绕组间的空气间隙实现低压端与高压端的隔离。从变压器隔离驱动电路输出的信号的参考电位由大地变为高压端mos管源极电位。
35.从变压器隔离驱动电路输出的信号随后进入栅极驱动电路，栅极驱动电路主要作用为控制高压端mos管的栅-源极电压，当mos管开启脉冲信号到达栅极驱动电路时，脉冲信号经过栅极驱动电路进入高压端mos管栅极，对mos管栅-源极间的电容进行充电，当mos管栅-源极间的电压升高至米勒平台后，mos管开启。在高压端mos管的栅-源极间连接有二极管，作用为防止mos管栅-源极间的电容反向放电，导致mos管栅-源极间的电压下降。因此，在关闭脉冲信号到来前，mos管栅-源极间的电压将保持不变，mos管保持开启状态。当关闭脉冲信号到来时，mos管栅-源极间另一回路导通，mos管栅-源极间的电容开始放电，栅-源极间的电压开始下降，当栅-源极间电压降至0v后，mos管完全关闭。
36.如图3所示为高压端mos管开关电路结构示意图，图3中开关电路为两组每组5个mos管串联推挽结构，实际使用时可对串联mos管数量进行调整，以获得不同的最大耐压值。图3的高压端mos管开关电路结构图中q1-q5为开关电路push端mos管，q6-q10为开关电路pull端mos管。mos管q1的漏极与高压电源的高压输出接口连接，mos管q10的源极与大地连接。相邻mos管间前一mos管的源极与后一mos管的漏极相连接。图3中电阻r1作用为保护电路并防止由于串扰导致mos管误触发。
37.下面对高压脉冲开关产生一个完整脉冲的过程进行详细说明：首先，push端mos管开启脉冲信号经过栅极驱动电路到达push端mos管栅极，随后push端mos管栅-源极电容充电，push端mos管开启。在push端关闭脉冲信号到达前，由于栅-源极间连接有二极管，因此push端mos管一直保持开启状态。在push端mos管开启时，高压被加载到负载上。随后push端关闭脉冲信号进入栅极驱动电路，push端mos管栅-源极间电压开始下降，当电压降至0v后，push端mos管关闭。在push端mos管关闭后，pull端开启脉冲信号经过栅极驱动电路到达pull端mos管栅极，随后pull端mos管栅-源极电容充电，pull端mos管开启。此时开启的pull端mos管为加载在负载上的高压脉冲产生一个低阻抗路径的泄放回路，负载上的电压由高压降至地点位。以此形成一个完整的脉冲信号。
38.在整个高压端mos管开关电路工作过程中，push端mos管关闭信号和pull端开启信号间需留有足够的延时时间，若push端mos管与pull端mos管同时开启，会导致高压电源的高压输出与高压地短接，导致mos管过流烧毁甚至导致高压电源损坏。
39.如图4所示为本发明在加压5000v，输入脉冲宽度30μs时，输出高压脉冲信号图像。图中高压脉冲上升沿约为8.6ns，下降沿约为18.4ns。同时高压脉冲信号过冲仅为4％，振铃时间仅有100ns。
40.如图5所示为本发明在加压5000v，输入脉冲宽度为1-150μs时，输出高压脉冲信号图像。图中信号在输出高压脉冲宽度从1μs增加至150μs时，信号没有顶降。
41.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上做出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
42.本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种全固态纳秒级高压脉冲开关，其特征在于，所述开关包括外部信号输入接口、低压信号处理电路、信号分离电路、低压驱动电路、变压器隔离驱动电路、栅极驱动电路、高压端mos管开关电路；所述外部信号输入接口用于接收外部信号；所述信号分离电路用于将输入信号处理为低压驱动电路触发信号；所述变压器隔离驱动电路用于在高压端与低压端间传输驱动信号；所述栅极驱动电路用于控制高压端mos管栅极的电压；所述mos管开关电路用于输出高压脉冲；其中：用户将设定的信号通过所述信号输入接口发送到低压信号处理电路，经过信号处理后进入低压驱动电路，随后由变压器隔离驱动电路将信号从低压端传输至高压端的栅极驱动电路，高压端mos管开关电路与高压电源相连接，通过栅极驱动电路控制高压端mos管的栅级电压，进而控制mos管的开关，从而实现高压脉冲信号的输出。2.根据权利要求1所述的一种全固态纳秒级高压脉冲开关，其特征在于，所述变压器隔离驱动电路采用两组均由磁环制成的变压器构成，每一组所述变压器由一个公共初级绕组与多个次级绕组构成；所述变压器耦合隔离驱动电路由空气间隙作为高压端与低压端间的隔离级；所述变压器耦合隔离驱动电路分别传输高压端mos管的开启、关闭信号。3.根据权利要求1所述的一种全固态纳秒级高压脉冲开关，其特征在于，所述双变压器耦合隔离驱动电路可同时对多个mos管传输驱动信号，驱动信号间的延时为ps级。4.根据权利要求1所述的一种全固态纳秒级高压脉冲开关，其特征在于，所述低压信号处理电路包含信号延时电路与边沿提取电路；所述信号延时电路对输入信号进行延时；所述边沿提取电路对信号进行上升沿与下降沿提取。5.根据权利要求1所述的一种全固态纳秒级高压脉冲开关，其特征在于，所述低压驱动电路包含两级驱动电路，所述驱动电路由驱动芯片、mos管、隔离线圈构成。6.根据权利要求1所述的一种全固态纳秒级高压脉冲开关，其特征在于，所述高压端mos管开关电路采用mos管串联推挽电路，所述mos管串联推挽电路push端与pull端间连接电阻。

技术总结
本发明公开一种全固态纳秒级高压脉冲开关，由外部信号输入接口、低压信号处理电路、低压驱动电路、变压器隔离驱动电路、栅极驱动电路、高压端MOS管开关电路组成；所述外部信号输入接口用于接收外界触发信号；所述低压信号处理电路与外部信号输入接口与低压驱动电路相连接，用于将输入信号处理为低压驱动电路触发信号；所述低压驱动电路用于为变压器隔离驱动电路提供输入信号；所述变压器隔离驱动电路用于在高压端与低压端间传输驱动信号；所述栅极驱动电路用于控制MOS管栅极的开启和关闭；所述MOS管串联开关电路用于输出高压脉冲；本发明利用两组磁环变压器相结合的隔离驱动方法解决了磁环变压器无法传输长脉宽信号的问题，同时利用MOS管驱动芯片与MOS管联用两级驱动的方法大大增强了驱动电路的驱动能力。的方法大大增强了驱动电路的驱动能力。的方法大大增强了驱动电路的驱动能力。


技术研发人员：马雷 周子文 李易繁 刘朝君 王润雨
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/7/27