1、脉冲功率技术非线性传输线在 DSRD 脉冲电源中的应用*史晓蕾1，陈锦晖1,2，王冠文1，王磊1，刘鹏1（1.中国科学院高能物理研究所加速器中心，北京100049；2.中国科学院大学核科学与技术学院，北京100049）摘要：加速器技术的发展，对注入引出系统的 kicker 脉冲电源提出了新的技术要求。注入引出系统冲击磁铁不仅要求脉冲电压高，底宽达到 ns 量级，还对波形的稳定性和前后残余电压有很高要求。漂移阶跃恢复二极管（DSRD）因其速度快、工作电流大等优点，在 ns 级脉冲电源中应用前景广泛，但其工作过程中会存在预脉冲等使脉冲波形偏离理想形态的因素。基于一种已有的 DSRD 脉冲电源，使用
2、非线性传输线对脉冲进行整形，同时对脉冲的前后边沿进行锐化，缩短脉冲边沿的时间，大幅减小脉冲前后的残余电压，提高电源的性能。完成了一台电源样机的设计和实验，实验结果表明，该样机在 50 负载上产生的脉冲幅值约 10kV，前后边沿时间（10%90%）约 2ns，底宽（3%3%）小于 8ns。关 键 词：带状线冲击器；纳秒脉冲电源；漂移阶跃恢复二极管；非线性传输线中图分类号：TL501文献标志码：Adoi:10.11884/HPLPB202335.230068ApplicationofnonlineartransmissionlineinDSRDpulsegeneratorShiXiaolei1，C
3、henJinhui1,2，WangGuanwen1，WangLei1，LiuPeng1（1.Accelerator Division,Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;2.School of Nuclear Science and Technology,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）Abstract：There is an increasingly higher requ
4、irement on the pulse source of kicker in the injection andextractionsystemwiththedevelopmentofaccelerators.Asaspecialnanosecondswitch,DriftStepRecoveryDiode(DSRD)hasagreatapplicationprospectinpulsepowertechnologyforitsnotablyshortswitching-offtimeandlargeworkingcurrent.However,therearesomefactorssuc
5、haspre-pulsethatmakethepulsewaveformdeviatefromtheidealshape.Aprototypeofpulsegeneratorwasdesignedandtested.ItisbasedonabasicDSRDcircuit,atthesametime,theNon-LinearTransmissionLine(NTL)isusedtoshapethepulse,compresstheedgeandreducetheresidualvoltage.Itscircuitexperimentshowsthatthepulseamplitudeonre
6、sistorloadof50isabout10kV,therisetimeandfalltimeareabout2ns(10%90%)andthebottomwidth(3%3%)islessthan8ns.Keywords：strip-linekicker,nano-secondpulser,DSRD,non-lineartransmissionline高能同步辐射光源（HEPS）是我国正在建造的基于储存环的准衍射极限光源，是我国首台高能量同步辐射装置，其设计指标达到了国际先进水平，能够满足我国生物、化工、材料等领域的前沿科研需求1。HEPS 的设计方案对注入引出系统 kicker 脉冲电源
7、提出了一系列新要求。HEPS 储存环的在轴置换注入方案要求脉冲磁场能够对6GeV 的电子束逐束团的偏转，其带状线冲击器（strip-linekicker）脉冲电源输出波形的底宽要小于 10ns（3%3%），脉冲电压（50）大于15kV。为了实现累积注入，其设计中还预留了在轴纵向注入的升级方案，该方案要求的脉冲底宽要小于 4ns（3%3%）2-3。和常规的纳秒脉冲电源相比，kicker 脉冲电源除了对电压幅值、边沿时间有要求，还对波形的稳定性、定时精度、脉冲前后残余电压的幅度有较高的要求，如果脉冲波形稳定性较差或者脉冲前后有一定幅值的残余电压，则会导致注入效率下降，并对相邻循环束造成扰动，因此脉
8、冲底宽的计算方式不同于常规电源的 10%10%，而是要求 3%3%2-3。目前国内外已有许多相关研究，技术路线主要有两种：一种是采用雪崩三极管或射频场效应晶体管（RF-MOSFET）作为脉冲电源的主开关，利用功率叠加技术提高电路总的输出功率。合肥先进光源（HALS）的预研*收稿日期：2023-03-31；修订日期：2023-07-20基金项目：国家自然科学基金项目（11675194；11475200）联系方式：史晓蕾，。第35卷第10期强激光与粒子束Vol.35，No.102023年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.，2023105002-1中，利用雪崩
9、三极管制作了一台 kicker 脉冲电源样机，该样机使用 20 级雪崩管进行串联叠加，输出电压为 3kV（50），底宽约 7ns4。美国先进光源 ALS-U 的在轴置换注入 kicker 脉冲电源5，采用了 8 路并联的场效应晶体管（MOSFET）并使用 8 级感应叠加线路，得到脉冲边沿小于 10ns，幅值为5.3kV（50）的电脉冲。这类电源通常要使用大量的半导体器件，导致电路结构复杂，不易维护6；另一种思路是利用漂移阶跃恢复二极管（DSRD）或半导体断路器件（SOS）等一类基于器件内等离子体现象的断路器件，这类器件速度快、功率大且寿命很长7。美国斯坦福直线加速器实验室（SLAC）利用 DS
10、RD 开展了许多研究，研制出了幅值 15kV、边沿时间小于 2ns 的脉冲电源8-9，国内中国科学院高能物理研究所陈锦晖等人，利用 DSRD 作为主开关，研制了一台底宽约 10ns，幅值17kV 的脉冲电源3。虽然这类器件的关断速度很快，所使用的开关器件相对较少，但是电源得到的波形相较于理想的kicker 脉冲波形还有一定差距，因此还需要对脉冲进行一定程度的整形。非线性传输线（NTL）是一种常用的脉冲整形技术10-11，可以对脉冲边沿进行锐化，并且大幅抑制脉冲前后的残余电压，具有成本低、可靠性高等优点，目前已有不少相关的研究。本文基于一类常见的 DSRD 电源，研究了一种利用 NTL 对电脉冲
11、进行整形、锐化脉冲前后边沿、减小脉冲前后残余电压的方法。本文首先简述了电源和NTL 的工作原理，然后设计了电路实验来进行验证，实验证明该方案能有效对波形进行整形，提高脉冲电源的性能。1DSRD 脉冲电源的工作原理DSRD 是一种具有特殊掺杂结构的二极管，其 PN 结具有 ns 甚至亚 ns 级的快速恢复时间。在它工作时，首先需要给它提供一个百 ns 量级的正向脉冲电流，向 PN 结中注入电子-空穴等离子体；在正向脉冲电流结束后，紧接着产生一个反向脉冲电流，尽可能快地抽取 PN 结区存储的载流子，此时能量被存储到电感或脉冲形成线上。当抽取和注入的电荷量相等时，PN 结恢复，DSRD 迅速关断，存
12、储在电感或形成线上的能量被切换到负载上形成前沿极快的脉冲7,12-14。常见的 DSRD 脉冲电源有多种，根据储能方式的不同可以分为电感储能和脉冲形成线（PFL）储能两类，根据控制开关的数量又可分为单开关型和双开关型9。为了在电阻负载上得到窄脉宽的脉冲，通常选择脉冲形成线作为储能元件。图 1 所示是一种 PFL 储能的 DSRD 脉冲电源，电路工作时，首先闭合开关 S1，电容 C0经 L1、C1、DSRD 放电，为DSRD 提供正向电流，同时为电容 C1充电；当电流换向时，开关 S2闭合，电容 C1放电，为 DSRD 提供反向电流，同时将能量存储在 PFL 上；当反向电流阶段抽取的电荷量和注入
13、阶段相等时，DSRD 迅速关断，储存在 PFL 中的能量迅速转移至负载上。图 1 所示电路的理想输出波形为方波，脉冲的平顶时间由 PFL 的长度决定。但是，电路实际得到的输出波形往往会偏离理想形态，影响电源的性能。首先，由于DSRD 和负载相并联，而 kicker 负载的等效电阻通常为 50，DSRD 的导通内阻相比较而言是一个无法忽略的值，因此在 DSRD 正向泵浦过程以及其反向抽取阶段刚开始时，负载上存在一定幅值的电流，从输出的波形上看，就是在主脉冲之前存在一个与主脉冲反向，幅度约几百伏的脉冲（通常称之为预脉冲）。此外，这也会导致主脉冲刚开始阶段的时间较长，即幅度小于 10%阶段所持续的时
14、间较长。其次，电路中存在一些杂散的电容电感，会使脉冲后沿幅度小于 10%阶段所持续的时间较长，并且有可能使脉冲后沿产生过冲。图 2 为图 1 所示的 DSRD 脉冲电源的一个典型输出波形，可以看到在脉冲前约 150ns 处存在一个较明显的预脉冲，且该脉冲波形的前沿峰值 10%以下阶段持续时间很长。如果计算该波形 10%10%的脉冲时间，仅有约 10ns，但是如果计算 3%3%的脉冲时间，则超过 20ns。S1C0C1L1DSRDPFLR1S2+V1Fig.1SimplifiedschemeoftheDSRDpumpingcircuitwithinductorenergy图1一种 PFL 的 D
15、SRD 脉冲电源电路原理图40 ns/div2 kV/divFig.2PulseoutputofDSRDpumpingcircuit（2kV/div，40ns/div）图2图 1 所示 DSRD 脉冲电源的输出波形强激光与粒子束105002-2根据上面的分析和测试波形可知，DSRD 泵浦电路中存在许多会使波形偏离理想形态的因素，从而对 kicker 脉冲电源性能产生不利影响，因此需要对电源输出的波形进行进一步的整形。2非线性传输线的工作原理非线性传输线（NTL）是一种常用的脉冲整形方法，其中最常用的是由铁氧体制成的同轴型非线性传输线。传输线的结构如图 3 所示，它是在常规同轴传输线的内导体外侧
16、增加了一层铁氧体10-11,15。铁氧体非线性传输线锐化脉冲边沿的原理如图 4 所示。铁氧体具有非线性磁导率，随着外部磁化电流的增大，其磁导率先逐渐增大到最大值，接着迅速下降，当达到饱和后，相对磁导率只有个位数。根据电磁波传播速度式（1），当电磁波刚入射到传输线时，励磁电流较小，铁氧体开始磁化，此时磁导率较大，传输线的阻抗很大且波的传播速度较慢；当电磁波沿传输线传输时，随着励磁电流增大，铁氧体发生饱和，磁导率迅速下降，因此，后续电流幅值较大的电磁波的传播速度相对更快，同时，由于铁氧体的磁化，消耗了电磁波前沿的能量。v=crr（1）rr式中：v 为电磁波速；c 为真空中的光速；为介质相对磁导率；
17、为介质相对介电常数。从整体来看，脉冲前沿中幅值较大的尾部会逐渐追上头部，使得脉冲前沿更陡。随着脉冲的传播，被锐化的边沿会稳定在一定幅值，宏观上看就是脉冲边沿被压缩了。根据铁氧体非线性传输线锐化边沿的原理，如果用其锐化脉冲前沿，则可能延缓脉冲后沿的时间，因此，为了同时对脉冲的前后沿进行锐化得到底宽很窄的波形，需要利用两根非线性传输线。以图 1 所示的 PFL 储能型脉冲电源为例，增加了非线性传输线的电路原理如图 5 所示。NTL1用来锐化脉冲前沿，NTL2用来锐化脉冲后沿。它们在 DSRD 关断之前处于高阻抗状态，而在 DSRD 关断时，电流同时入射到 NTL1、NTL2两条非线性传输线中。NT
18、L2是终端短路传输线，当电脉冲传播到 NTL2的尾部时，头部已被锐化的电脉冲全反射回入射端，形成了负载上脉冲的后沿，DSRD 和负载相当于被短路，因此负载上的电压迅速降为零。除了对脉冲边沿的锐化作用，非线性传输线还有助于减小负载上脉冲前后的残余电压，由于脉冲前的预脉冲是在 DSRD 关断前，并联负载分流所引起的，增加了 NTL1后，DSRD 关断之前，NTL1始终处于高阻抗状态，减小了负载上的分流，同时脉冲后沿被 NTL2迅速截断，从而使得脉冲前后的残余电压都非常小。3电路设计与实验根据 DSRD 的工作原理，以及对半导体器件和磁性材料的调研情况，制作了一台以图 5 为原理的 DSRD 脉冲电
19、源，如图 6（a）所示。图 6（b）为实验所使用的非线性传输线。四个并联的 SiC-MOSFET 作为泵浦电路的初级开external conductorinnerconductorferritematerialexternal dielectricFig.3StructureoftheNTL(crosssection)图3非线性传输线的结构I0vpv00z0zzzI0:amplitudeofcurrent;v0:velocityofincidentwave;0:thefrontedgeofincidentwave;vp:velocityofshockwaveFig.4Processofthe
20、stableshockwaveinferriteNTL图4铁氧体非线性传输线锐化脉冲边沿原理S1C0C1L1DSRDPFLS2NTL1NTL2+R1Fig.5Simplifiedschemeofthepulsegenerator图5利用非线性传输线对脉冲整形的电路原理史晓蕾，等：非线性传输线在 DSRD 脉冲电源中的应用105002-3关 S1，八个并联的 SiC-MOSFET（均为 Cree 公司的 C2M0045170D）作为电路的次级开关 S2。储能电容 C0容值为 2.4F，电感 L1约 20nH，C1为 10nF，PFL 的长度约 30cm。表 1 所示为所使用的 DSRD 的主要电
21、气参数。根据铁氧体材料的特性，磁化状态转换的时间与磁场强度成反比，因此，要获得一个极窄的脉冲边沿，磁环的半径必须足够小。为了实现阻抗匹配，非线性传输线饱和后的阻抗应等于与其相连同轴线的阻抗。根据这两个条件确定磁环和非线性传输线的横向尺寸。然后再结合计算10-11与脉冲电源的电压幅值确定其长度。非线性传输线使用的铁氧体为高导磁的镍锌铁氧体，表 2 为非线性传输线的尺寸。利用示波器测试电源的输出波形。在直流充电电压约 850V 的条件下，图 7 所示是使用了 NTL 整形后电源的输出波形。可以看到，和图 2 相比，使用了 NTL 后，电脉冲的波形不仅边沿时间更短，而且前后几乎没有残余电压。两种条件
22、下输出参数的对比见表 3，使用了 NTL 后电源脉冲的底宽大幅度减小。对电源的初步测试表明，非线性传输线能够较大幅度地减小脉冲前后沿的时间，同时减小脉冲前后的残余电压，从而在负载上得到一个非常干净的脉冲，这对于 kicker脉冲电源是非常有利的。它的缺点主要是磁化过程中会有较大的能量损失，从而导致脉冲幅值有所下降，另外，已确定尺寸的非线性传输线工作电压变化范围较小，不易对输出电压进行大幅度的调节。4结论本文研究了一种利用非线性传输线对 DSRD 脉冲电源波形整形的方法，分析了非线性传输线的工作原理，在表1DSRD 主要特征参数Table1MainparametersofDSRDparamete
23、rtestconditionslimitminmaxforwardvoltageVf/VIf=10mA8pulsevoltageVp/kVI300A10pulsecurrentI/AVp10kV300pulseedgetr/nsVp=10kV3operatingfrequencyfr/kHzVp=10kV，tr3ns10表2非线性传输线的主要参数Table2MainparametersofNTLinnerdiameterofferrite/mmouterdiameterofferrite/mminnerdiameterofouterconductor/mmlengthofNTL1/mmleng
24、thofNTL2/mm1.653.08160110(a)prototype of the DSRD pulse generator(b)NTLsFig.6Prototypeofthepulsegenerator图6脉冲电源实验电路10 ns/div2 kV/divt:7.591 ns 1/t:131.73 MHzv:878.092 mV v/t:115.67 MV/st:1.822 nsv:227.970 Vt:5.769 nsv:227.092 VFig.7TestwaveformwithNTLs（2kV/div，10ns/div）图7使用非线性传输线整形后的脉冲波形强激光与粒子束10500
25、2-4DSRD 脉冲电源的基础上，通过增加铁氧体非线性传输线，对脉冲进行整形，锐化脉冲的前后沿并减小脉冲前后残余电压。根据对原理的分析，设计了一台电源的样机并完成了初步实验。该电源可在 50 的负载上得到幅值约10kV，底宽（3%3%）小于 8ns 的脉冲。实验结果表明，使用非线性传输线能够较大幅度地减小脉冲前后沿的时间，同时减小脉冲前后的残余电压，该方法有助于提高 kicker 脉冲电源的性能，使其更好地满足注入引出系统对快脉冲电源的要求。后续还需要对非线性传输线的参数进行进一步研究，并在不同结构的脉冲电源上进行实验，从而能够得到速度更快、幅值更高的脉冲电源。参考文献：XuGang,CuiX
26、iaohao,DuanZhe,etal.ProgressoflatticedesignandphysicsstudiesonthehighenergyphotonsourceC/Proceedingsofthe9thInternationalParticleAcceleratorConference.2018:1375-1378.1焦毅,白正贺.第四代同步辐射光源物理设计与优化J.强激光与粒子束,2022,34：104004.（JiaoYi,BaiZhenghe.Physicsdesignandoptimizationofthefourth-generationsynchrotronlight
27、sourcesJ.HighPowerLaserandParticleBeams,2022,34:104004）2陈锦晖,王磊,施华,等.HEPS在轴注入冲击器系统及快脉冲电源样机研制J.强激光与粒子束,2019,31：040017.（ChenJinhui,WangLei,ShiHua,etal.ApplicationoffastpulsedpowersupplytohighenergyphotonsourceJ.HighPowerLaserandParticleBeams,2019,31:040017）3ShangL,LiuW,LuY,etal.StatusoftheR&DforHALSinj
28、ectionsystemC/Proceedingsofthe10thInternationalParticleAcceleratorConference.2019.4SteierC,AndersA,LuoT,etal.On-axisswap-outR&DforALS-UC/ProceedingsofIPAC2017.2017:2821-2823.5CookEG.Reviewofsolid-statemodulatorsC/ProceedingsoftheXXthInternationalLinacConference.2000.6吴佳霖,刘英坤.高功率半导体开关器件DSRD的研究进展J.微纳电
29、子技术,2015,52（4）：211-215,250.（WuJialin,LiuYingkun.ResearchdevelopmentofthehighpowersemiconductorswitchingdeviceDSRDJ.MicronanoelectronicTechnology,2015,52（4）:211-215,250）7BenwellA,BurkhartC,KrasnykhA,etal.A5KV,3MHzsolid-statemodulatorbasedontheDSRDswitchforanultra-fastbeamkickerC/2012IEEEInternational
30、PowerModulatorandHighVoltageConference.2013:328-331.8KrasnykhA.OverviewofdrivertechnologiesfornanosecondTEMkickersC/Proceedingsofthe7thInternationalParticleAcceleratorConference.2016:3645-3647.9镡延桢,王明宝.铁氧体同轴线的特性及其应用J.传输线技术,1980（5）：10-13,20.（Tan Yanzhen,Wang Mingbao.Characteristics and application of
31、ferritecoaxiallineJ.OpticalFiber&ElectricCableandTheirApplications,1980（5）:10-13,20）10铁氧体形成线课题组.铁氧体形成线概况J.传输线技术,1978（2）：1-16.（FerriteFormingLineResearchGroup.OverviewofferriteformationlineJ.TransmissionLineTechnology,1978（2）:1-16）11GrekhovIV,MesyatsGA.Physicalbasisforhigh-powersemiconductornanosecon
32、dopeningswitchesJ.IEEETransactionsonPlasmaScience,2000,28（5）:1540-1544.12BrylevskyVI,EfanovVM,Kardo-SysyevAF,etal.PowernanosecondsemiconductoropeningplasmaswitchesC/Proceedingsof1996InternationalPowerModulatorSymposium.1996:51-54.13LyublinskyAG,KorotkovSV,AristovYV,etal.Pulsepowernanosecond-rangeDSR
33、D-basedgeneratorsforelectricdischargetechnologiesJ.IEEETransactionsonPlasmaScience,2013,41（10）:2625-2629.14乔中兴.铁氧体填充非线性同轴传输线相关特性的研究D.杭州:浙江工业大学,2016:17-21.（Qiao Zhongxing.Investigation of ferrite-filled coaxialnonlineartransmissionlinesrelatedfeaturesD.Hangzhou:ZhejiangUniversityofTechnology,2016:17-21）15表3电源输出脉冲的参数Table3parametersofoutputpulsepeakvoltage/kVrisetime(10%-90%)/nsfalltime(10%-90%)/nsbottomwidth(3%-3%)/nswithoutNTLs12.94820withNTLs9.5228史晓蕾，等：非线性传输线在 DSRD 脉冲电源中的应用105002-5
