（电工理论与新技术专业论文）超低频高压脉冲矩形波电源设计.pdf

超低频高压脉冲矩形波电源设计 d e s i 鲫o f as u p e rl o w f r c q u e n c yr e c t a n g u l a rp u l s eh i 曲v o n a g e p o w e r s u p p l y a b s t r a c t t om e e t 廿l en e e d so f t h ed e v e l o p m e mo f m o d e mo 埘c a lt e c h n o l o g yh i g h 盱q l l i 糟m e n t s h a v eb e e nr a i s e dw i 廿lt l l el 船e r1 i g h t b r o a d e d i n g1 h em g eo ft h eo u 每u tw a v e l e n g t hi so n eo f 血o s e 豫q u i r e m e m s o r 玲o f 也em o s te 丘毫c t i v e 吼df b i b l ew a y so fb 1 o a de ：n i l l gt l l er a n g eo f t l l eo u t p u tw a v d e n g mi su s i n g 丘o q u e n c yc o n v e r s i o no f n 帆- l m 砸c r y s t a lu 1 1 d e rt 1 旧c o 删o n o fp h a s e 加a t c h i i l g e x l 明m a le l e c 舡i c 矗e l dp o l a 工i 刎o ni so n eo ft h e 吼y st 1 1 a tc a nr e a l i z e 血e p ：i l 鹪e 胍t c h i n g s ow e e das p e c i a ll l i g hv o l 乜喀ep o w 盯s u p p l yw h i c hc 趾。唧u tr e c 协n 9 1 e w a v e f o r mp l l l s ea n dt h ep l l l s ew 【拙锄dm g e 趾d 丘_ e q u e n c yc a nb em o d l d a t e d t h em a i n t e c h r l 0 1 0 9 y i n d e x e sa r e 船恤f 0 1 l o 、v s t h e 如叩眦c yc 锄b e m o 棚a t e d 筋m1 也t 01 0 h z a n d t l ：屺o u t p mv o l t a g e2 k v t o2 0 k v 1 ko u t p u tp l l l s ec u r r e mi sa b o v e3 0 0i i l i c r o 姐l p e r e 跚d p l l l s ew i d 也c a l la l s ob em o d u l a t e d 丘啪5 _ 9 5 p 嘲o d t h e1 妇a rc h a r a c t e ra n d s t a b i l i 碰o no f t h eo u t p u tv o h a g ec a m e e tt b e 豫q u i r c m e n to f e l e c 仃i c a lp o l a r i z a t i o nm e t l l o d a tt h ep r e s e n tt i i n e l o s tl o w 缸q u e n c y1 1 i g hv 0 1 t a g ep o w e rs u p p l y 瑚u 8 1 1 ym a d eb y m e a l l so f i n c r e 躺i n gv o l t a g e 稍t l lp l l l s e 订a f o m l e ro r 饥砒i n gw a v e f 0 衄o fd i c tc u i r e mw m l s 讲t c hw l l i c hc a i l 吼d u r e r c v e r s eh i g hv o l t a g e b u tb e c a 岫eo f 也eb i gv 0 1 u m eo fm e 订髓s f o m 盯a n dt h ed i m c u n yo f p r o d u c i n gl l i 曲q u a l 蚵刚i t c h e s 也a tc 趾e n d u 托r e v e r s e1 1 i g h v o l t a g e t h e 铆om e a n sc a l ln o tm e e t 也et e d m o l o g yr e q 慨m e mo fm en e wt y p ep o w e r s u p p l y t oo v e r c 啪e 也ed i s a d v a m a g e so f t h eg e n e r i cm e a 士1 st l l eb a s i ci l p l e m e n ts c h e m ew 船 s i m p l yd e s c r i b e d 部f o l l o w s t h ev e l o c i 毋a n dr u 疵g 廿m eo ft h es t e pe l e c t r o m o t o rw e r e c o m r o l l e db yt h es i i l g l ec h i pc 伽叩m e ra n dd i s p l a y e db ym el e d n u 曲k e y b o a r dw ec a n s e tp a r a m e t e r ss u c h v e l o c 时a i l d 垃m e 0 n eo f 也e 咖t i 芏n e r so v e m o w 如q u e n c yd e c i d e t h ef k q u e n c yo f 血eo 呻u tp l l l s eo ft h es i i l g l ec h i pc o m p u t e ra n dt l l el 栅矗e q u e n c yd e c i d e t h ev e l o c i t yo f 血es t c pe l e 咖m o t o r ，w h n em eo t l l e rl o wf 把q u e n c ya v e m o wt i m e ri i e c i d e 也e t i i n eo f m e 帅u tp u l s e t h e 咖廿m e r st o g e m e rc o n n _ 0 lt 1 1 en u l n i n go f t h es t e pe l e c 订o m o t o r a n d t h e 丘e q u e n c yo f 也e 拭g hv o l t a g ep m s ec a l lm o d u l a t e db ya d j u s t i n gv e l o c i t yo f 也e 蛐印 e l e c 仕o m o t o r ，n l a ti sa d j u s t 砸go v e r n o w 丘e q u e n c yo fo n et i i n e r t h et i i i l eo ft h ec o n l 丑m a n c e o ft h e1 l i g hv o l t a g ep u l s ed e c i d e db y 也er o t a t i n gt i m eo fs t e pe l e c t r o m o t o r ho r d e rt or e d u c e s h a l c eo f 也es t e pe l e c 打o m o t o rw 毗gi nt l l el o w 丘e q u e n c ys t a t 瞄ak i n do fd r i v e r 、 r i 也 s u b d i v i s i o nf l l n c t i o nw a sa d o p 把d b yt l l i sw a y l en o i s ec 锄b er e d l l c e dal o t t h ef i s b e e r o t a 土e su n d e rt h em v i n go f t h em o t o r t h ed i s t 8 n c eo f t l l et w of i x e ds p a f ks w i t c h e df i x e do n m ef i s b d e c i d em e p u l s ew i d mo f 也el l i 曲v 0 1 t a g ep o w e rs u p p l y b ya d j u s t 啦也a td i s t a n c e 大连理工大学硕士学位论文 c 趾m o m d a t e 也ep 诅嘶d 也o f l h e h i 曲v o l t a g ep o w 盯s u p p l y c h a n 西i l gt h eo u 印mw d t a g e o f t l l e b o o 啪rc a l lc h a n g et 1 1 eo l 婶u tv o l t a g eo f l l i g hv o l 诅g ed c p o w c rs u p p i y t h i l st oc h 姐g e t h ev a l u eo f m ep 1 1 l s e t h el i n e a rc k 盯a c t e r 蛆ds t a _ b i l i z a t i o no f t h eo l l t p u tv o m i g ec a nm e e tt h e 他q l 岫e n to f e l e c t r i c a lp o l a r i z a t i o nm 甜l o db yu s i i l g1 1 i g hv 0 1 t a g ep u l s ec a p i 乜n c e m a i l ye x p e m e n 乜h a v eb e p 盯f o 姗e do nl i n b 0 3c r y s t a lb yu s i n g 也i sp o 、e rs u p p l y a n de ) 【p e 曲i dr e s u n sw e r eo b t a i n e d u n d e r 印p r o p r ia _ f ce x p 积m e n t a lc o n d 试o n sn l i sp o w e r s u p p l yc 孤m e e tn 坞n e e d so fp o l a r i 咖gn o n l i m a fc 删a l sw i mv a r i o u st l l i c k 册s sb y e l e 吲c a ld o l a r i z a t i o nm c 也o d 1 畸w o r d s ：h i g hv o n a g ep o w e rs 叩p 可；e l e c t r i 住ip o l a r i z a nm e t h o d ；l i n b 0 3 c r y s t a l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：缒竺主 导师签名乏李垒 垒年尘区日垒6 年受! 朔丛日 超低频高压脉冲矩形波电源设计 1 绪论 1 1 选题背景和主题 二十世纪六十年代激光的诞生是光学史上一个重要的里程碑。经过科研工作者们几 十年的努力，激光在各个领域都得到了广泛的应用。由于激光器工作物质的限制，其输 出波长不可能做到无限连续，但是各行业对激光输出波长的要求却越来越高。因此如何 拓宽激光输出波长的范围便成了研究的熟点。利用光学晶体的非线性效应来进行光波频 率变换是目前拓宽激光输出波长范围的常用有效方法之一。而要在非线性晶体中实现激 光倍频必须满足的条件是让相互作用的光波在晶体中传输时满足相位匹配的条件。但是 传统的相位匹配理论具有其自身的缺点，加m s 昀n g 等人提出了准相配匹配理论，有效 地克服了普通相位匹配理论的缺陷，具有独特的优势，为进一步拓宽激光输出波长的范 围奠定了理论基础。实现准相位匹配技术最为理想的非线性晶体材料为l i n b 0 3 晶体。 而要通过非线性晶体实现准相位匹配最为关键的技术就是要通过某种方法将l p “0 3 晶 体这种铁电体材料制成具有周期性极化结构的铁电畴反转光橱l 叠扎0 3 ( p p l n ) 。在制 作周期极化反转畴结构的多种方法中，外加电场极化法是近年来发展最为迅速的一种十 分有效的方法。此方法利用了微电子技术中的光刻工艺在晶体表面上制作周期电极，然 后通过施加高压电场的方法来达到晶体内的电畴反转的目的。此种方法具有反转程度 深、工艺简单和成本低廉等优点。这一技术的出现也成为准相位匹配理论真正走向应用 的标志。 利用外加电场极化法来获得理想的周期性畴结构非线性晶体，产生高压电场的高压 电源的性能起了至关重要的作用。为了满足外加电场极化法制作具有周期性畴反转结构 的非线性晶体的需要，设计了一种能输出超低重复频率高压矩形波脉冲的电源装置。电 源输出脉冲重复频率在1 h z l o h z 范围内可调，输出电压在2 k v - - 2 0 k v 范围内可调， 输出脉冲电流不小于3 0 0 i l a ，输出脉冲宽度在5 盼9 5 t ( 周期) 范围内可以调节，输出高 压的线性度和稳定度均能满足电场极化法的要求。目前低频高压电源的制作通常采用脉 冲变压器升压法或利用高反向耐压开关进行直流斩波的方法，此方法由于变压器体积较 大和高压开关管的反向耐压值受限制不易制造，故难以达到本电源技术要求。克服常规 方法的不足，本高压电源的基本构成如下：( 1 ) 单片机系统控制的步进电机，此处采用 了台湾凌阳公司的型号为s p c e 0 6 1 a 的芯片，因其处理速度较高，具有丰富的时钟源， 输入输出端口具备使用方便，并且具备简易的开发环靖和可读性极强的指令系统等特 点；( 2 ) 飞盘和机械式火花开关，火花开关由两个固定电极和两个转动电极构成，通过 超低频高压脉冲矩形波电源设计 电容进行充放电：( 3 ) 输出0 v 到2 2 0 v 可调交流电的调压器和高压直流电源和电力高 压脉冲电容； ( 4 ) 晶体极化试验夹具。基本的实施方案为：由单片机控制系统控制步 进电机的运转速度和定时，并通过l e d 显示，并采用键盘设定( 包括速度设定、时间设 定、暂停、继续运行、运行过程中的速度调节等) 的方式来进行操作控制，方便可靠。 单片机的一个定时器的溢出频率决定了其p 删输出的频率，此频率决定了电机的转速； 另外一个定时器作为定时用，其计数频率低，决定电机运转的时间，结合两者即可以精 确控制单片机输出脉冲的个数，从而精确控制电机的运转；电机的转速决定了电源的频 率，转动时间决定了电源输出的时间；步进电机采用了细分驱动器，有效的减弱了步进 电机运转的低频震动，克服了其在低速运行时的噪音。飞盘在步迸电机的带动下运转， 其上火花开关的间隙( 改变此间隙即可以调节书高压电源的输出占空比) 决定了脉冲电 源的脉宽或者占空比；通过调节调压器可以改变高压直流电源的输出电压从而可以改变 脉冲电源的幅值；采用电力高压电容器保证脉冲平顶下降小，能达到实验的要求。从而 实现了高压电源所提出的技术要求；从脉冲成型电容引出高压电极加到晶体的导电面， 对晶体施加持续一定时间的脉冲，达到极化目的。 1 2 电源的应用与相关理论 本论文设计的电源是与中国航空航天部重庆二十六电子研究所合作的用于极化 l 口0 3 晶体的超低频率矩形波高压脉冲电源，因此与普通的电源有较大的区别，带有较 强的专业性和针对性。有关本电源的构造，工作原理和试验结果等将在后续各章中作 详细地介绍，在此不做过多的叙述。以下对本论文中谈到的重要概念和理论作简单介绍， 以便理解。 1 2 1 准相位匹配技术简介 准相位匹配【l j 【2 】是通过在非线性材料中引入对非线性极化率的周期调制，来补偿相 互作用光波之间由于色散所累积的相位失配的一种有效方法，理论上它可以利用晶体的 整个通光范围和最大的非线性系数，克服了角度双折射相位匹配难以解决的空间走离、 转换效率较低和对倍频晶体要求较高等缺点。虽然a r m s 们n g 等f 3 1 人早在1 9 6 2 年就已经 提出准相位匹配理论，但在随后的二十多年里，由予制作工艺的问题，一直没有生产出 实用的器件。直到1 9 9 1 年，n i i i l a d a 等【4 1 人利用外加电场极化法【5 1 6 1 在室温条件下成功 地制备了周期极化铌酸锂晶体a p p u d 啷8 】，取得了突破性的进展。此后，关于周期极化 晶体的机理与各种应用研究迅速开展了起来，目前在倍频【8 】【9 】1 1 0 1 、波长变换c l l 】、光参量 振荡【埘、光脉冲压缩【1 3 】、色散补偿【1 4 】等方面得到了广泛的应用。 下面以倍频过程为例，具体解释准相位匹配理论。 大i 毫理工大学硕士学位论文 在倍频这一非线性光学过程中，基频光一旦射入非线性光学晶体内，在光路上每一 位置都将产生二次极化波，这些极化波发射出与之相同频率的二次谐波。这些由基频波 激发的二次极化波与入射波即基频光波在晶体中的传播速度是相同的，但由于晶体材料 的色散，谐波通常与基波在晶体中有不同的角速度，在正常色散区域，频率增高，折射 率变大，故晶体中的二次谐波总是落后于二次极化波的传播，从而引起两者连续的相位 变化。 图1 1 准相位匹配 f i g 1 1q u 船i - p h 越em a l c h i n g 如图1 1 中，光波在z = o 处开始传播，若在沿光波传播的某一位置z = r 处，晶体中 传播的二次谐波与新产生的二次谐波之间的相位差为7 c ，则两者叠加抵消。当两者在某 处的相位差为零时，则叠加增强。因此沿着光波传播的方向，晶体内二次谐波强度是随 相互作用距离而周期性变化的。 设基波频率为m ，谐波频率为2 ，将基波和谐波的相位差由o 变为7 c 时的作用长度 称为“相干长度”，记为： l 号v 4 ( n 2 u l l u )( 1 1 ) 其中n 2 。和n 。分别为基频光和倍频光的折射率，九为基频光波长。 若能使n 2 。嘲。，则有r 一一，从而二次谐波强度在整个晶体中保持指数增长，这就是 利用各向异性材料的双折射特性的相位匹配。但由于走离效应的影响，倍频光和基频光 相互作用的距离不会太长，因此r 是有限的。另外，对于大多数材料来说，在大多数波 段，都很难通过使n 2 。= n 。来实现相位匹配。很自然我们就会想到，若我们在z _ r 处假 设晶体的非线性系数值相反，就可以令新产生的二次谐波产生二的相移，这样使得原本 会相互抵消的传播的二次谐波与新产生的二次谐波得以叠加增强。如此，沿着晶体中光 超低频高压脉冲矩形波电源设计 波的传播方向以2 r 周期性反转晶体的非线性系数的符号，就可以使二次谐波强度在本 该衰减的区段得以继续加强，在晶体中保持持续增长。这一方法称为准相位匹配，是由 心m s 的n g 和f r a n k e n 分别在1 9 6 2 年和1 9 6 3 年提出的。准相位匹配的出现使得那些在 通常条件下无法实现相位匹配的晶体和通光波段得以实现频率变换，拓宽了光频的范 围，使更宽波段激光输出成为可能，大大推动了激光交频技术的发展。 具体的说，与双折射相位匹配相比，准相位匹配主要有以下优势： 1 、准相位匹配不要求正交光束，即非线性系数不必是非对角张量元，因此可以充分利 用非线性介质的最大非线性系数。如对于l n - 0 3 晶体，利用其最大非线性系数的准 相位匹配同利用双折射相位匹配相比，有效非线性转换效率理论上可以提高2 3 倍。 2 、 在频率变换技术中，转换效率正比于基波与谐波相互作用的长度( 非线性晶体的长 度) 在双折射相位匹配技术中，相互作用受相干长度和走离效应的限制，而q p m 不 存在走离效应，对入射角要求降低。因此，可使用较长的晶体，以获得较大的变频 光能量。 3 、在双折射相位匹配技术中，一般只在一定的波长范围内才能实现折射率相等，从而 限制了能够进行频率变换的波长范围。而采用q p m 技术，对应于不同的波长，可 设计与其对应的周期结构，因此对透光区内任意波长的光波都不存在匹配的限制。 1 2 2 外加电场极化法 外加电场极化法是近年来发展比较迅速的方法，是由臼本s o n y 公司的y a m a d a 等 人首次获得成功应用的。 图1 2 外加电场极化法示意图 f i g - 1 2i l l l l s 妇t i o 咀o f e l e c t r i c a lp o l a f i z a t i o nm e 也o d 外加电场极化法是通过在单畴化的铁电晶体上施加大于晶体矫顽场的周期电场来 促使晶体铁电畴发生反转的一种可行的方法。此方法利用了半导体工艺中成熟的光刻工 大连理工大学硕士学位论文 艺，可以在晶体表面中制作几微米周期的电极结构。极化示意图如图1 2 所示。目前， 大部分的q p m 试验所采用的晶体多数采用此方法进行制备。外加电场极化法之所以被 广泛采用，和其他方法相比因其主要具有以下几个优点： 工艺简单，重复性好： 实现条件简单，室温下即可操作； 畴反转深度较大，能够在1 毫米厚度的铌酸锂晶体中实现铁电畴的完全反转； 半导体工艺中所使用的干涉测量反馈控制技术可以使得电极的位置误差控制在很 小的范围内，因此可以得至很长的相互作用程度。 在目前的外电场极化方法中，所使用的电极一般分为两种，即金属电极和液体电极。 两者存在很大的区别：对于金属电极而言，金属的成分直接影响到极化的质量，而液体 电极的类型对极化的质量没有太大的影响。在极化试验中，人们对这两种电极的概念不 是十分明确，为了进一步明确两种电极的结构，我们对其进行了分类：金属栅条电极和 金属导线电极；液体栅条电极和液体导线电极；金属栅条电极和液体导线电极极。 图1 3 方框电极和梳状电极 f g 1 3s q u a e l e c 删ea n dc o m be i e c 饥i d e 如图1 3 所示的两种金属电极，为过去试验中常用的两种金属电极结构。由于电流的 趋肤效应，使得电荷大多分布于导线的外围，故极化的效果受到较大的影响。加上使用 金属栅条电极和导线电极时，为了防止高压击穿空气，需要将整个晶体放置在高压绝缘 油中进行操作，故此种电极操作并不是很方便。在1 9 9 4 年，j o n 丛、e 巧锄首次提出了 采用液体电极制作铌酸锂晶体，其极化示意图如图1 4 左所示，常用的液体电极溶液为 l i c l 饱和溶液。首先在铌酸锂晶体基片上制作周期结构的绝缘层，再通过0 型环把电解 质溶液密封在晶体的上下表面。由此，与晶体表面接触的液体就构成了周期电极结构。 这种电极结构的优点在于溶液与晶体表面的接触比较均匀，因此极化反转的质量容易保 超低频高压脉冲矩形波电源设计 证。而在实际的应用中往往采用如图1 4 右所示的金属栅条和液体电极相结合的方案， 此种方案结合了二者的优点。 赶窭曩艘体电糠四旗件吨氍p 2 z 墨自b 熊履 2 z z a 熄坶层蜀曩霜o 霸庠_ 盘戚电垭t 曩翦o 掰环 鹰露豳函霜鳕厘兹圆 ll 诗f 峨量hlll i n i1 kl 醚窭鲤啜崮毽瑟瑟霪盈蜜 图1 4 液体、金属液体电极结构示意图 f i g 1 4i i i u s h 锄0 no f i i 叫da n dm e t a l - 1 i q u i de l e m d e 利用透过式电子显微镜可以很精确观察外加电场极化法的结果，清楚地看见晶体中 铁电畴的反转情况。 1 2 3 铌酸锂( l n 。0 。) 晶体的性质和铁电畴反转机理 铌酸键是一种重要的多功能晶体，它拥有一系列独特的电光、声光、压电、热电和 非线性光学特性，具有很大的电光系数和二阶非线性系数，是目前应用最广泛的晶体材 料之一。 铌酸锂晶体是铁电体的一种，铁电体具有一个重要特性就是不但具有不依赖于外加 电场而存在的自发极化，而且其自发极化还可以在外电场的作用下发生转向。这样的电 极化强度与外电场之间的关系构成了和铁磁体中的磁滞 通常情况下，铁电体并不是在一个方向上产生均一自发极化，而是分为很多区域， 在每一个区域内，自发极化的方向是一致的。这些区域称为铁电畴，两畴之间的分界称 为畴壁，铁电晶体就是由这种取向不同的电畴组成。假设铁电晶体内相反方向的电畴数 目相等，则整个晶体的总极化为零。当外加电场时，极化强度方向平行于外加电场的畴 将增大，而反平行于外加电场的畴将缩小，当外加电场大于铁电材料的矫顽场时，铁电 材料的铁电畴将发生反转。根据m m e r 等人实验观察结果表明，铁电畴反转【1 5 1 【1 6 l 过程 包括了新畴成核和畴壁运动两个过程，该过程的开关( 反转) 时间和开关( 反转) 电 流f 。( f ，f 。= 常数) 与外加电场、温度及样品尺寸有关，f i 的数值为几个纳秒( 约 1 0 9 s ) 到几百秒。在低电场下，开关( 反转) 电流o 。与电场成指数关系，在高电场下， 屯。与电场成线性关系。 一6 大连理工大学硕士学位论文 根据分析，如果设r 。是形成全部畴核所需要的时间，0 是畴壁运动至一个畴贯穿样 品所需要的时间，则开关时间f 。由以下公式决定： f ，= r 。+ ( 1 2 ) 若f 。和b 这两个参量不是同一数值的话，r ，主要由两个机制中比较幔的那个机制来 决定。在低电场下，成核速率低，开关时间主要由新畴成核所决定( 即r 。) ，只要 时间足够长，就可以得到反转效应。则在低电场下新畴形成的几率以应当指数地依赖 于外电场，即 风= 风e x p ( 口e )( 1 3 ) 式中口和岛与外电场无关，口为激活能c n l ) ，它是温度和样品厚度的函数( 对 l l n b 0 3 约为1 0 5 v c m 数量级) 。则有 + = 岛e 娥口占) ( 1 4 ) l 1 3 在高电场下，成核速率十分大，开关时间主要由畴壁运动的速度v ( 与开关电流成 正比) 所决定( 即0 f 。) 。则畴壁运动可用下式描述 y = 兰= 肛( 1 5 ) f d 其中p 是畴壁运动的速度；d 是畴壁在运动时所越过的距离( 即样品的厚度) ；是 畴壁迁移率，与温度成正比。对于不同的场强e 和样品厚度d ，可以从实验上得到f 。， 从而计算出值，在室温下为2 5 c m 2 v s 。因此得到 毒+ 丢= 告e = 参y ( 1 s ) t ，f ，d d 由于国内实验加工条件的制约和不足，无法得到超薄厚度的l i n b 0 3 晶片，故我们 无法应用低电场强度下的实验结果去直接验证，而采用了国外前人的实验结果进行间接 验证，实验结果见图1 5 和1 6 【。 图1 5 是在低电场强度下开关时间倒数随外加电压的变化曲线。从此图中可以看出， 开关时间倒数与外加电压成指数关系，实验结果与公式1 4 基本吻合。 图1 6 是在高电场强度下开关时间倒数随外加电压的变化曲线。从这个图中不难观 察到，开关时间倒数与外加电压成线性关系，这说明式1 6 分析的计算值与实验值吻合 超低频高压脉冲矩形波电源设计 较好。对于高电场强度下的模型验证，采用实验结果进行直接验证，其中研制的p p l n 样 品厚度为0 5 m m ，畴反转周期为9 5 “m 。 童 喜 藿 耋 a 雕a 谢掘铲，v 图1 5 开关时间倒数随外加电压的变化曲线( 晶片厚度为5 0um ) f i g 1 5i n v e r s eg w k ht 吼e sa 即i i e dv o n 鸩em l 鲥0 n ( 廿l i c h e 鲻o f s 咖p l e5 0 i i m ) 童 喜 藿 童 a 切姒。d w l t a 辨，v 图1 - 6 开关时间倒数随外加电压的变化曲线( 晶片厚度为o 5 m ) f i g 1 6i n v e r s es w 沁hd m e 8a p p l i e dv o l 蜘驴r e h t i o n ( t l l i c l 口1 船so f s 锄p l eo 5 m m ) 对于高电场强度下的模型验证，采用我们的实验结果进行直接验证，我们研制的 p p l n 样品厚度为0 5 i n m ，畴反转周期为9 5l lm 。通过实验，说明上述的低电场和高电场 情况下的分析，不仅能够揭示开关时间与外加电场间的定量关系，而且能够对低场强和 高场强下的开关时间进行科学的预测。尤其是高电场强度下的铁电畴反转情况和开关时 间与电压的关系为本高压电源的设计在非线性晶体极化中的使用提供了指导依据。 8 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 4 火花间隙开关工作原理 本电源中采用了机械式火花开关，虽然看上去开关结构简单，但却包含着丰富的理 论基础，基于火花问隙开关的充放电原理及其工作特性而设计。由于火花间隙开关具有 结构简单，工作电压电流范围宽，能承受m v 量级的高电压和m a 量级的大电流，并且 导通时间很短( 一般为几个璐) ，导通时开关压降很低，安装方便，便于操作等特点，是 目前高功率脉冲放电技术中应用最为广泛采用的开关器件之一。 绝大多数的气体开关都遵循气体的电离和击穿原理，火花间隙开关也属于气体开关 的一种。气体从绝缘状态通过电离形成等离子体导电从而开关也从断开状态转换到导通 状态。所谓开关时间就是开关从断开状态到导通状态的时间，如果开关用于重复工作中， 有时还得考虑开关的恢复时间，这是影响开关在高重复频率工作的最主要的因素。开关 的性能主要由气体的放电过程决定。气体的放电主要通过电离和击穿两种形式，电离简 单来说是指气体原子通过分离出价电子而成为离子。击穿简单来说是指气体从绝缘状态 通过电离转换到导电状态。气体电离和击穿包括很多参数和相互作用要通过四个独立变 薏( x ，y ，z ，t ) 来描述，在过去这方面的理论研究都是定性或半定量化的，严密的方法 是求波尔兹曼方程和流体方程，但这很难获得解析形式。取而代之的用计算机数值化求 解，但很难获得自洽解，绝大多数获得的理论都是基于理想条件或者简化模型，而且都 受一些条件的限制。其中比较著名的两个理论有汤逊气体放电理论和流注理论，采用较 多的分析模型为3 。d 分析模型，以下予以介绍。 汤逊气体放电理论：2 0 世纪初，汤逊从均匀电场、低气压短气隙( p d 电6 6 6 k p a c m ) 的气体放电实验出发，总结出较系统的气体放电理论。在外电离因素作用下，阴极电极 表面发生光电离产生电子，我们称之为起始电子，并在电场作用下向阳极方向运动。当 两极间电压升高、电场增强时，电子动能达到足够数值，就引起了气体的碰撞电离。电 离以后产生一个新电子，它和起始电子在向阳极方向运动过程中将会获得动能而发生碰 撞电离，产生两个新电子，如此下去，电子个数按1 ，z ，4 ，8 ，2 n 的方式不断增长， 如同“雪崩”一样，故将这一剧增的电子流成为电子崩。电子崩形成过程中产生的正离 子，在电场作用下向阴极移动，当它到达阴极附近时，或者由于加强了阴极的场强，或 者由于正离子撞击阴极表面而使阴极表面发生电子产生电子发射。新发射的电子从电场 中获得动能参与了气体中的碰撞电离，使“雪崩”现象加剧，并且，在拆去外电离因素 的情况下仍有后继电子，使放电得以自持。其中引入了三个系数：盯系数代表一个电子 沿着电场方向行径1 c m 长度，平均发生的碰撞电离次数；夕系数代表一个正离子沿着电 场方向行径1 c 长度，平均发生的碰撞电离次数；，系数表示折合到每个碰撞阴极表面 超低频高压脉冲矩形波电源设计 的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数。将电子崩和阴极上的，过程作为气体 自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。汤逊理论的实质是：电子碰撞电离是气体放电 的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子式维持气 体放电的必要条件。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。 根据汤逊气体放电理论的一些假设，得出回路电流i 表达式为： m 去 ( 1 7 ) 其中l 是外电离因素决定的起始电流，口电子电离系数，d 是电极距离，系数，表 示折算到每个碰撞阴极表面的正离子，阴极金属平均释放出的自由电子数。 根据巴申定律；当气体成分和电极材料一定时，气体间隙击穿电压( 砜) 是气压 ( p ) 和极间距离( d ) 乘积的函数。可得气体击穿电压： 以= 风d 劲 ：，- f 巫1 。lr ( 1 8 ) 其中t 0 = 2 9 3 k ( 2 0 0 c ) ，a 0 、b o 是标准温度下的值，p 为气体压强，t 为气体的温 度。 汤逊放电理论是在气压较低、p d 值较小条件下进行的放电实验的基础上建立起来 的，p d 过小或过大，放电机理将变化，汤逊气体放电理论就不适应了。 流注理论：工程应用中我们更感兴趣的是压力较高气体的击穿，在大气压下空气的 击穿应该采用流注理论来说明。在外电离因素的作用下，在阴极附近产生起始电子。这 些电子在电场作用下，在向阳极运动的途中与中性原子发生碰撞电离，而形成初始电子 崩。当初崩发展到阳极时，位于电子崩头部的电子迅速到阳极进行中和。暂留的正离子 在电子崩头部其密度最大作为正空间电荷使原有电场畸变，加强了正离子与阴极之间的 电场，同时向周围放射出大量光子。这些光子是附近的气体因光电离而产生二次电子。 它们在正空间电荷所引起的畸变和加强了的局部电场作用下，又形成新的电子崩称为二 次崩，二次崩头部的电子跑向初崩形成的正空间电荷区域，与之汇合成为充满正负带电 粒子的混合通道。这个电离通道成为流注。流注通道导电性能良好，其端部( 这里流注 的发展方向是从阳极到阴极，与初崩的方向相反) 又有二次崩留下的正电荷，因此大大 大连理工大学硕士学位论文 加强了留住发展方向的电场，促使更多的新电子崩相继产生并与之汇合，从而使流注向 前发展。到流注通道把两极接通时，就将导致气隙完全被击穿。 流注理论认为形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩的空间电 荷足以使原电场( 外施电压在气隙中产生的电场) 明显畸变，大大加强了电子崩崩头和 崩尾处的电场。另一方面，电子崩电荷密度很大，所以复合过程频繁，发射出的光予在 这部分强电场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源，由此认为，二次电子的主要 来源是空间的光电离。这一理论的特点在于它认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自 持放电的主要因素，并强调空间电荷畸变电场的作用。流注理论目前还很粗糙，实际上 还仅限于放电过程的定性描述。 根据流注理论，可导出均匀电场中的击穿电压，首先流注形成的条件，即导致击穿 的条件为： g 耐= 常数或a d = l n 二( 1 9 ) ， 电离碰撞系数为： 一兰蔓 a = 和e 占( 1 1 0 ) 由1 9 和1 1 0 可以推导出均匀电场中击穿电压。 3 - d 分析模型：3 - d 分析模型是目前唯一的能给出自洽解的分析方法，并能用于较 宽范围的p d 和用三维表达公式，这个模型的主要限制是不足以解决瞬态情况，比如击 穿。目前此方法的理论与应用都很少见到。 击穿电压表达式f 1 8 】为： 吒= 鲁 鲁一鲁) 击+ 删 m 从上式可知p d 的值可在o 蹦 m 范围内，包括了扩散因子( q ，d ；，和) 。 目前还有其它各种分析模型，如双电子模型和雪崩模型等。但是现在气体间隙开关 的设计大多都是采用经验方法和理论相结合。因此对火花隙开关的物理机制至今尚没有 一套完整的理论公式描述，虽然有一些理论，但也都是在一定的假设条件下对某一特定 范围做出解释，这使得火花隙开关精确设计很难实现，通常只能靠经验和实验数据作为 参考进行设计。火花隙开关根据工作的特点不同有如下分类：( 1 ) 根据触发方式不同 可分为：自击穿开关和外触发式开关，前者工作在时间同步要求不严的情况。具有结构 超低频高压脉冲矩形渡电源设计 简单，体积较小，成本较低等优点。后者则工作在时间同步要求严的情况。结构较复杂， 但具有工作电压范围宽，时间分散性小等优点； ( 2 ) 根据间隙个数可分为：单间隙和 多间隙两种，压缩气体中击穿场强随间隙距离的增大而减小，采用多间隙开关可提高间 隙场强的均匀性和开关的击穿电压，减小开关的总间隙长度，可改善开关的时间分散性； ( 3 ) 根据开关通道数可分为单通道和多通道两种；( 4 ) 根据工作介质分，有气体开关和 液体( 油或者水) 开关。对火花隙开关的分类还有很多，比如根据电极个数分类，根据触 发方式分类等等。对单通道开关而言，影响开关上升时间主要有两个因素：开关电感和 开关的火花电阻，通常希望开关有小的电感和小的电阻损失。糟确计算开关的电感，要 求详细知道开关火花通道的半径。这通常很难。通常近似地估计电感l ： 三：2 d l n f 鱼1 橱( 1 1 2 ) l 口 其中d 为火花通道长度( c m ) ，b 为开关室半径，a 为火花通道半径。因为b a ，l 相对于a 是不灵敏的，将开关接到阻抗为z 的电路中，由开关电感引起的电压时间常数 吒为： 气2 参 ( 1 1 3 ) 第二项是火花电阻的影响，由于放电弧通道吸收能量，引起通道的加热和扩张a 在 气体情况下，电阻项的时间常数采用j c m a r t i n 总结出的经验公式 1 8 1 是很方便的。 铲煮( 舻 q 坳 f a2 t r l i _ i ”s 1 h j z3 五3 ” 上式中旦表示气体对标准情况的密度比，z 是开关的外电路的阻抗，e 是通道的击 穿电场，单位是1 0 l c m ，对于液体或固体情况，类似的关系式为： = 1 埘 ( 1 1 5 ) z i 庐 其中z 为开关外电路的阻抗，e 为击穿电场，单位为m 、m 。输出脉冲总的上升 时间常数为电感项和电阻项上升时间之和； 2 屯十h ( 1 - 1 6 ) 大连理工大学硕士学位论文 对多通道而言，因为多通道通过电流，上述公式中的z 应用n z 代替，n 为通道数。 由此可知：多通道可获得更快上升时间的电压脉冲。 如上述，火花隙开关即可自击穿工作也可外触发工作。对自击穿开关而言，当开关 所加的电压上升到击穿电压时，开关导通。如果电压上升很慢，可当作稳态自击穿。如 果场是均匀的，采用巴申定律，但如果场是非均匀，则用巴申定律算出的数据做参考结 合经验数据优化设计参数。相反，上升时间很短，则为脉冲自击穿，如果所加电压上升 时间足够短，则脉冲击穿电压比稳态击穿电压高。对自击穿开关的设计，主要考虑所加 电压的特性、电极结构、电极材料、电极表面粗糙度和填充介质的性能等等。 超 氐频高压脉冲矩形波电源设计 2 高压电源控制电路设计 2 1 高压电源的性能指标及构成 如前面章节所述，设计本高压电源主要目的是为了满足外加电场极化法制作具有周 期性畴反转结构的非线性晶体的需要，要求能输出超低重复频率高压矩形波脉冲。为此， 对电源提出了如下的技术指标，为研究工作指明了方向。电源输出脉冲重复频率在1 h z 一1 0 h z 范围内可调，输出电压在2 k 、卜- 2 0 k v 范围内可调，输出脉冲电流不小于3 0 0 u a ， 输出脉冲宽度在5 9 5 t ( 周期) 范围内可以调节，输出高压的线性度和稳定度均能满 足电场极化法的要求。由于上述特点，采用常规的脉冲变压器升压法或利用高反向耐压 开关进行直流斩波的方法难以达到技术要求，且变压器体积和高压开关管的反向耐压值 受到限制不易制造根据以上要求本发明成功制作了一台低频高压矩形波脉冲电源，并 在l i n b 0 3 晶体上进行了多次极化试验，取得了良好的效果，证明了本高压电源的性能。 本电源装置的基本构成包括3 个部分，凌阳单片机构成的控制电路，步进电机及其 驱动电路，电源高压部分( 包括调压器，高压直流电源，机械式火花间隙开关，电容等) 。 如图2 ，1 所示为电源的基本构成框图。本章着重讲述凌阳单片机控制电路。 图2 1 电源的基本框图 f i g 2 1b l o c ko f p o w e rs u p p l y 2 2t l 4 9 4 控制电路及其缺点 本电源在设计初期，控制部分采用的是一种脉宽调制型开关电源集成控制器 t l 4 9 4 【。基本上能满足初期试验的需要。但由于t l 4 9 4 器件固有的缺陷，无法达到本 电源所提出的较高要求，故以凌阳单片机控制电路替代t “9 4 控制电路，并达到预期的 效果。t l 4 9 4 作为一种脉宽调制型开关电源集成控制器，由振荡器、d 触发器、比较器、 大连理工大学硕士学位论文 误差放大器、基准电压源于两个驱动晶体管等组成，具有如下特点：( 1 ) 推挽单端输 出；( 2 ) 最高工作频率3 0 0 蛆z ；( 3 ) 内部基准电压5 v ；( 4 ) 输入电压小于等予4 l v ；( 5 ) 工 作温度范围大。 图2 2t l 4 9 4 内部结构图 f i g 2 2h m e r 帅t u 阳o f