CN101902147A

CN101902147A - 一种使用磁开关的冲击电压发生器

Info

Publication number: CN101902147A
Application number: CN 201010232745
Authority: CN
Inventors: 丁卫东; 马宾; 任航; 范川
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2010-12-01

Abstract

本发明公开了一种使用磁开关的冲击电压发生器，所述冲击电压发生器包括N个磁开关、N+1个主电容和N级耦合电感对；所述耦合电感对是由两个电感耦合而成；所述两个耦合电感的头端和尾端都通过主电容连接；所述相邻主电容之间设置有磁开关。磁开关相比于传统的火花间隙，有以下几个优点：①重复频率能够达到数千赫兹甚至更高，而火花间隙只能达到一百赫兹左右。②不存在烧蚀问题因而寿命较长，能够延长系统寿命。③能够压缩脉冲宽度。

Description

一种使用磁开关的冲击电压发生器

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种新型的，使用磁开关代替气体开关或固体开关的冲击电压发生器。

背景技术

在脉冲功率技术中，高功率脉冲源是为脉冲功率装置的负载提供电磁能量的装置，构成了脉冲功率装置的主体，因此它在脉冲功率技术中的重要性不言而喻。而冲击电压发生器是脉冲功率技术中最常见的功率源，因此冲击电压发生器在脉冲功率技术中有着举足轻重的地位。现有的冲击电压发生器一共有两种。一种是传统的冲击电压发生器，其主要结构为电容、电阻以及火花开关组成的梯形网络。网络的工作原理可以简单概括为“电容器并联充电，串联放电”，意即在充电时，通过电阻R和r对电容C充电，在充电完毕后，通过触发后火花间隙G被击穿，从而使得电容C并联放电，最终在负载C_L上得到数倍于(与梯形网络的级数有关)电容C充电电压的脉冲电压。另外一种是改进型的冲击电压发生器，主要有使用固体开关(IGBT、MOSFET或晶闸管等功率半导体器件)替代火花间隙而成的改进型冲击电压发生器以及使用电感替代充电电阻而成的冲击电压发生器两种。

磁开关实质上是一种利用铁磁材料做成的饱和电抗器。它的工作原理最早是由Melville于1951年提出的，磁开关技术是利用磁性材料的非线性特性，根据“电感饱和后感抗迅速下降”这一现象，使磁开关从不饱和状态进入饱和状态，其电感发生大幅度变化，从而控制电容充放电的不同路径来实现开关的功能。

经典的磁压缩网络是由数级C-L-C单元组成。在每一级的电容C充满电后，磁开关L达到饱和，此时C中能量通过磁开关向下一级电容C充电，如果各级电容大小相同，假设是无损电路，脉冲电压幅度不变化，脉冲时间宽度将逐级减少，相应的脉冲电流增大，从而峰值功率增加，因此达到脉冲磁压缩的目的。

传统Marx发生器能够产生幅值很高、上升沿很陡的高压脉冲，但其充电时间较长、充电/隔离电阻导致损耗较大、重复频率很低、火花间隙寿命较短，不能适应现代脉冲功率技术的“大功率、长寿命和高重复频率”的要求；使用火花间隙的电感隔离型Marx发生器的电压水平很高，充电时间较短，但其重复频率很难达到较高水平，火花间隙的寿命也较短；使用半导体开关的紧凑型Marx发生器克服了火花间隙的缺点，但半导开关的工作电压相对较低，开关速度较慢。因此针对上述问题，我们提出了基于磁开关的电感隔离型重复频率冲击电压发生器。本基于磁开关的电感隔离型重复频率冲击电压发生器借鉴了传统Marx发生器的“电容器并联充电，串联放电”的特点，能够产生数倍于充电电压的高压脉冲；兼有电感隔离型Marx发生器的低充、放电损耗的优点；另外还具有脉冲磁压缩网络的“脉冲磁压缩”的特点，因此，能够适应现代脉冲功率技术发展的方向。

发明内容

第一个目标是设计一套紧凑、高效率的冲击电压发生器。

第二个目标是解决传统冲击电压发生器的高能耗、低重复频率以及开关寿命短的缺陷。

第三个目标是既借鉴磁压缩网络“脉冲压缩”的特点，又克服其不能升高电压的缺点，在升高输出电压的同时，减小脉冲的上升沿。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种使用磁开关的冲击电压发生器，所述冲击电压发生器包括N个磁开关、N+1个主电容和N级耦合电感对；所述耦合电感对是由两个电感构成；所述两个电感的头端和尾端都通过主电容连接；所述相邻主电容之间设置有磁开关；所述N为1-50。

所述冲击电压发生器包括第一级磁开关、两个主电容和一级耦合电感对；所述一级耦合电感对是由第一电感和第二电感按照同名端或非同名端的方式耦合构成；所述两个主电容是第一主电容和第二主电容；所述第一主电容设置在第一电感和第二电感的头端之间，第二主电容设置在第一电感和第二电感的尾端之间；所述第一主电容和第二主电容之间设置有第一级磁开关，第一级磁开关连通第一电感的尾端和第二电感的头端。

所述冲击电压发生器还包括一个第二级磁开关、一个第三主电容和一个二级耦合电感对；所述二级耦合电感对是由第三电感和第四电感按照同名端或非同名端的方式耦合构成；所述第二主电容设置在第三电感和第四电感的头端之间，第三主电容设置在第三电感和第四电感的尾端之间；所述第二主电容和第三主电容之间设置有第二级磁开关，第二级磁开关连通第三电感的尾端和第四电感的头端。

所述冲击电压发生器还包括一个第三级磁开关、一个第四主电容和一个三级耦合电感对；所述三级耦合电感对是由第五电感和第六电感按照同名端或非同名端的方式耦合构成；所述第三主电容设置在第五电感和第六电感的头端之间，第四主电容设置在第五电感和第六电感的尾端之间；所述第三主电容和第四主电容之间设置有第三级磁开关，第三级磁开关连通第五电感的尾端和第六电感的头端。

所述磁开关是由大于1片磁芯、绕线大于1匝而成。

所述N+1个主电容的电容都为9nF。

所述耦合电感都是空心电感或带磁芯的电感。

本发明采用上述技术方案，其基于磁开关的冲击电压发生器的优点在于：非同名端在充电时耦合电感处于非同名端工作模式，其电感很小，减小冲击电压发生器的充电时间，大大降低冲击电压发生器的能耗；在放电时耦合电感处于同名端工作模式，其电感较大，起到有效隔离作用，以保证输出电压幅度足够高。磁开关相比于传统的火花间隙，有以下几个优点：①重复频率能够达到数千赫兹甚至更高，而火花间隙只能达到一百赫兹左右。②不存在烧蚀问题因而寿命较长，能够延长系统寿命。③能够压缩脉冲宽度；磁开关相比于固体开关(IGBT、MOSFET或晶闸管等功率半导体器件)，有以下几个优点：①工作电压较高。②通流容量大。

本发明的有益效果是，在负载为1nF的电容负载上可以产生电压幅度高达17kV、上升沿80ns、重复频率为2000Hz的连续脉冲，可以用于进行气体放电方面的研究。

附图说明

图1所示为传统的冲击电压发生器结构示意图；

其中：R为充电电阻、r隔离电阻、C₁₀为第一主电容、C₁₁为第二主电容、C₁₂为第三主电容、G₁为第一火花间隙、G₂为第二火花间隙、G₃为第三火花间隙、G₀为触发间隙、Z为负载。

图2所示为经典的磁压缩网络结构示意图；

其中：C₂₀为储能电容、K₂₀为开关、L为电感、C₂₁为第一主电容、C₂₂为第二主电容、C₂₃为第三主电容、K₂₁为第一级磁开关、K₂₂为第二级磁开关、K₂₃为第三级磁开关。

图3所示为N级基于磁开关的电感隔离型重复频率冲击电压发生器结构示意图；

其中：L₁₁与L₁₂为一级耦合电感对、...L_N1与L_N2为N级耦合电感对，C₁为第一主电容、C₂为第二主电容、...C_N+1为第N主电容，K₁为第一级磁开关、K₂为第二级磁开关、...K_N为第N级磁开关。

图4所示为3级基于磁开关的电感隔离型重复频率冲击电压发生器结构示意图。

其中：L₁₁与L₁₂为一级耦合电感对、L₂₁与L₂₂为二级耦合电感对、L₃₁与L₃₂为三级耦合电感对，C₁为第一主电容、C₂为第二主电容、C₃为第三主电容、C₄为第四主电容，K₁为第一级磁开关、K₂为第二级磁开关、K₃为第三级磁开关。

具体实施方式

本发明的实施例如图4所示，一种使用磁开关的冲击电压发生器，所述冲击电压发生器包括N个磁开关、N+1个主电容和N级耦合电感对；所述耦合电感对是由两个电感构成；所述两个电感的头端和尾端都通过主电容连接；所述相邻主电容之间设置有磁开关；所述N为3。

所述冲击电压发生器包括第一级磁开关、二个主电容和一级耦合电感对；所述一级耦合电感对是由第一电感和第二电感按照同名端或非同名端的方式耦合构成；所述二个主电容是第一主电容和第二主电容；所述第一主电容设置在第一电感和第二电感的头端之间，第二主电容设置在第一电感和第二电感的尾端之间；所述第一主电容和第二主电容之间设置有第一级磁开关，第一级磁开关连通第一电感的尾端和第二电感的头端。

所述磁开关是由大于1片磁芯、绕线大于1匝而成。

所述4个主电容的电容都为9nF。

所述耦合电感都是空心电感或带磁芯的电感。

图4基于磁开关的冲击电压发生器的输入端接于脉冲驱动源的输出端，由三级梯形网络构成。第一级梯形网络由耦合电感L₁₁与L₁₂、磁开关K₁、主电容C₁、C₂构成，第二级梯形网络由耦合电感L₂₁与L₂₂、磁开关K₂、主电容C₂、C₃构成，第三级梯形网络由耦合电感L₃₁与L₃₂、磁开关K₃、主电容C₃、C₄构成。

在本实例中，冲击电压发生器的充电电压为充电电压约6000V，输出脉冲峰值约17000V。

所述的基于磁开关的冲击电压发生器共有三级梯形网络；使用耦合电感代替传统冲击电压发生器的耦合电阻，使用磁开关代替传统的火花间隙；在充电时耦合电感处于非同名端工作模式，其电感很小，减小冲击电压发生器的充电时间，大大降低冲击电压发生器的能耗；在放电时耦合电感处于同名端工作模式，其电感较大，起到有效隔离作用，以保证输出电压幅度足够高。磁开关相比于传统的火花间隙，有以下几个优点：①重复频率能够达到数千赫兹甚至更高，而火花间隙只能达到一百赫兹左右。②不存在烧蚀问题因而寿命较长，能够延长系统寿命。③能够压缩脉冲宽度；磁开关相比于固体开关(IGBT、MOSFET或晶闸管等功率半导体器件)，有以下几个优点：①工作电压较高。②通流容量大。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出N个简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种使用磁开关的冲击电压发生器，其特征在于：所述冲击电压发生器包括N个磁开关、N+1个主电容和N级耦合电感对；所述耦合电感对是由两个电感构成；所述两个电感的头端和尾端都通过主电容连接；所述相邻主电容之间设置有磁开关；所述N为1-50。

2.如权利要求1所述一种使用磁开关的冲击电压发生器，其特征在于：所述冲击电压发生器包括第一级磁开关、两个主电容和一级耦合电感对；所述一级耦合电感对是由第一电感和第二电感按照同名端或非同名端的方式耦合构成；所述两个主电容是第一主电容和第二主电容；所述第一主电容设置在第一电感和第二电感的头端之间，第二主电容设置在第一电感和第二电感的尾端之间；所述第一主电容和第二主电容之间设置有第一级磁开关，第一级磁开关连通第一电感的尾端和第二电感的头端。

3.如权利要求2所述一种使用磁开关的冲击电压发生器，其特征在于：所述冲击电压发生器还包括一个第二级磁开关、一个第三主电容和一个二级耦合电感对；所述二级耦合电感对是由第三电感和第四电感按照同名端或非同名端的方式耦合构成；所述第二主电容设置在第三电感和第四电感的头端之间，第三主电容设置在第三电感和第四电感的尾端之间；所述第二主电容和第三主电容之间设置有第二级磁开关，第二级磁开关连通第三电感的尾端和第四电感的头端。

4.如权利要求3所述一种使用磁开关的冲击电压发生器，其特征在于：所述冲击电压发生器还包括一个第三级磁开关、一个第四主电容和一个三级耦合电感对；所述三级耦合电感对是由第五电感和第六电感按照同名端或非同名端的方式耦合构成；所述第三主电容设置在第五电感和第六电感的头端之间，第四主电容设置在第五电感和第六电感的尾端之间；所述第三主电容和第四主电容之间设置有第三级磁开关，第三级磁开关连通第五电感的尾端和第六电感的头端。

5.如权利要求1、2、3或4所述一种使用磁开关的冲击电压发生器，其特征在于：所述磁开关是由大于1片磁芯、绕线大于1匝而成。

6.如权利要求1、2、3或4所述一种使用磁开关的冲击电压发生器，其特征在于：所述N+1个主电容的电容都为9nF。

7.如权利要求1、2、3或4所述一种使用磁开关的冲击电压发生器，其特征在于：所述的基于磁开关的冲击电压发生器共有三级梯形网络；使用耦合电感代替传统冲击电压发生器的充电/隔离电阻，使用磁开关代替传统的火花间隙；非同名端在充电时耦合电感处于非同名端工作模式，其电感很小，减小冲击电压发生器的充电时间，大大降低冲击电压发生器的能耗；在放电时耦合电感处于同名端工作模式，其电感较大，起到有效隔离作用，以保证输出电压幅度足够高。