CN103236828B - 一种基于双电容结构的脉冲形成网络 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于双电容结构的脉冲形成网络，属于脉冲功率技术领域，主要用于高电压脉冲方波的产生，该脉冲形成网络基本电路包括两个电容C₁、C₂，两个电容的自感L_C1、L_C2和四个连线电感L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂，两个电容器为非均匀电容，电容C₂的电容值大于电容C₁的电容值；本发明中的脉冲形成网络采用高压脉冲电容器作为储能单元，其具有储能密度大的优势，而采用双电容脉冲形成系统，减少了脉冲形成网络的级数，克服了单电容系统无法形成脉冲方波的缺点，可实现快前沿、准脉冲方波输出。该脉冲形成网络结构紧凑、体积小、耐压高、储能密度大、可靠性高，可应用于百纳秒级的脉冲功率系统。

Description

一种基于双电容结构的脉冲形成网络

技术领域

本发明涉及一种脉冲形成网络，具体涉及一种基于双电容结构的脉冲形成网络，属于脉冲功率技术领域，主要用于高电压脉冲方波的产生。

背景技术

在脉冲功率系统中，脉冲形成线是重要的部件之一，20世纪60年代，英国的J.C.马丁提出了利用形成线获得纳秒高压脉冲的概念。经过几十年的努力，脉冲形成线已经成功应用于各种不同类型的脉冲功率装置中。然而，作为高功率脉冲源关键部件的脉冲形成线，目前都存在体积较大的问题，亟待解决。

按电容器分类，脉冲功率系统中用的脉冲形成网络主要有两种：陶瓷电容脉冲形成网络和薄膜电容脉冲形成网络。

脉冲形成网络是由若干电容和电感按一定方式连接并能产生一定脉冲宽度脉冲方波的集中参数回路，脉冲形成网络是产生微秒级长脉冲的主要技术途径，是线型脉冲调制器的关键部件之一。

传统的脉冲形成网络一般采用多个LC回路串联在一起。理论计算表明，LC回路的网络级数越多，脉冲宽度越稳定，但实际工业应用中因为薄膜电容脉冲形成网络受传统薄膜电容工艺的限制，体积大、笨重，而陶瓷电容脉冲形成网络受陶瓷电容工艺的限制，寿命短、阻抗大、储能密度低，可靠性差；所以过多的LC回路往往造成最终的脉冲形成网络体积巨大，不能满足实际使用。而减少LC回路的网络级数又不能得到理想的脉冲，因此寻求体积小、电压传输效率高、储存能量大的形成线对于脉冲功率技术的小型化及实用化发展具有重要意义。

发明内容

本发明为了实现脉冲功率源的小型化，克服现有技术中的不足，提出了一种基于双电容结构的脉冲形成网络，其结构简单，网络级数少，体积小，储能密度高，提高了脉冲功率系统的可靠性，延长了脉冲功率源的寿命，降低了使用成本。

本发明采用如下技术方案：一种基于双电容结构的脉冲形成网络，所述网络的电路包括第一电容C₁和第二电容C₂、第一电感L₁₁、第二电感L₁₂、第三电感L₂₁、第四电感L₂₂；所述第一电感L₁₁的一端与负载的一端连接，第一电感L₁₁的另一端分别与第一电容C₁的一端和第三电感L₂₁的一端连接在一起；所述第二电感L₁₂的一端与负载的另一端连接，第二电感L₁₂的另一端分别与第一电容C₁的另一端和第四电感L₂₂的一端连接在一起，第二电容C₂的两端分别连接在第三电感L₂₁的另一端和第四电感L₂₂的另一端。

在上述技术方案中，所述第一电容C₁、第二电容C₂、第一电感L₁₁、第二电感L₁₂、第三电感L₂₁、第四电感L₂₂的电感值和电容值根据负载形成的脉冲宽度和特性阻抗确定。

在上述技术方案中，所述脉冲宽度和特性阻抗通过下述公式计算：

$\mathrm{\τ}=2\sqrt{(L_1+L_2+L_{C1}+L_{C2})(C_1+C_2)}$

$Z_0=\sqrt{(L_1+L_2+L_{C1}+L_{C2})/(C_1+C_2)}$

其中：τ为脉冲宽度，

Z₀为特性阻抗，

L₁为第一电感L₁₁加第二电感L₁₂的电感值，

L₂为第三电感L₂₁加第四电感L₂₂的电感值，

L_C1为第一电容C₁的自身电感值，

L_C2为第二电容C₂的自身电感值，

C₁为第一电容的电容值，

C₂为第二电容的电容值。

在上述技术方案中，所述C₁和C₂的电容值不同，L₁和L₂的电感值不同。

优先的，所述C₂的电容值大于C₁的电容值。

本发明的优点在于：本发明中的脉冲形成网络采用高压脉冲电容器作为储能单元，其具有储能密度大的优势，而采用双电容脉冲形成系统，减少了脉冲形成网络的级数，克服了单电容系统无法形成脉冲方波的缺点，可实现快前沿、准脉冲方波输出。该脉冲形成网络结构紧凑、体积小、耐压高、储能密度大、可靠性高，可应用于百纳秒级的脉冲功率系统。

附图说明

本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：

图1是现有技术的电路图；

图2是本发明的电路图；

图3是现有技术和本发明的脉冲波形对比图；

其中：1是本发明的脉冲波形2是现有技术的脉冲波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，该电路图为现有技术采用的电路，电路采用的LC回路网络级数一般都在6-10级，网络中的电容一般采用陶瓷电容和薄膜电容，因为这两种电容受传统工艺的限制，寿命短、阻抗大、储能密度低，可靠性差、体积大、笨重，往往制成成品的脉冲形成网络一般体积都在长1000mm×宽150mm×高150mm,该体积下的脉冲形成网络体积太大，非常的不方便运输和实用，满足不了现在工艺小型化的要求。

如图2所示，该电路图是本发明的电路，本发明有效的将多级LC回路降低为两级，同时在电容的另一侧增加连线电感，有效的保证输出脉冲的宽度和平稳性。本发明的双电容结构脉冲形成网络，基本电路包括两个电容C₁、C₂和四个连线电感L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂。两个电容器为非均匀电容，电容C₂的电容值大于电容C₁的电容值。电路的工作原理为：当脉冲形成网络对负载放电时，第一个电容C₁首先对负载放电，紧接着电容C₂对负载放电，通过调整电感L₂₁、L₂₂，使得当电容C₁放电脉冲峰值下降至最大幅值的50%时，第二个电容C₂放电峰值上升至最大幅值的50%，此时两个波形相互叠加，形成了脉冲方波波形。

脉冲形成网络的电感值和电容值主要根据脉冲形成网络的脉冲宽度和特性阻抗确定，

脉冲宽度为 $\mathrm{\τ}=2\sqrt{(L_1+L_2+L_{C1}+L_{C2})(C_1+C_2)},$

特性阻抗为 $Z_0=\sqrt{(L_1+L_2+L_{C1}+L_{C2})/(C_1+C_2)},$

其中L_C1、L_C2是两个电容的自身电感，由于双电容结构脉冲形成网络两个电容C₁、C₂电容值不同，两个连线电感L₁、L₂也不同，因而需要采用数值模拟的方式确定实际的电容值和电感值。

为了使脉冲形成网络结构紧凑、提高耐压，将脉冲形成网络的两级电容与连线电感放置在一个模具内，然后做封装处理。为减小内感值，采用平板传输线电感互消的原理，采用正负同端面输出的方式，实现脉冲形成网络的输出端的低电感设计。

脉冲形成网络的外壳采用方形油箱由尼龙制成，箱体的窄面一端接工型塑料端头，工型塑料端头两侧为金属电极块，其作用是引出内部电极、连接外部电路。金属电极与脉冲形成网络脉冲电容器的电极对应设置，并相互连接。箱体内部两个高压脉冲电容器通过金属电极片连接。

具体来说，就是将电容器C₁制作为双端四电极结构，上端左右面两电极相通，下端左后电极相通，电容器C₂为单端双电极结构。首先用两个电容连接电极L₂₁、L₂₂分别将电容器C₂和电容器C₁相连接，然后将两个引出电极L₁₁、L₁₂连接在电容C₁的另一端，这样双电容结构脉冲形成网络安装完毕。

将制作完成的脉冲形成网络放置于塑料壳体内，塑料壳体单端面开口，电容C₁靠近壳体的开口端，电容C₂在壳体的内部里侧。将引出端电极L₁₁、L₁₂与输出端电极连接，然后将塑料工型端头与塑料壳体开口端边线作无缝焊接，这样模块脉冲形成网络制作完毕。

将模块脉冲形成网络放置于真空罐中作真空处理，浸渍变压器油，以保证脉冲形成网络的内部高电压绝缘。将模块脉冲形成网络真空进油处理后，将引出端电极L₁₁、L₁₂与输出端电极连接作紧固连接，防止变压器油渗出，此时，完整的脉冲形成网络模块安装完毕。

模拟一个耐压100kV、脉宽100ns、特性阻抗2.5Ω的双电容结构脉冲形成网络，其中脉冲电容器为高压脉冲薄膜电容器，最后模块脉冲形成网络总尺寸为长450mm×宽160mm×厚70mm。根据计算引出连接片电感L₁₁=L₂₁=30nH，电容连接片电感L₁₂=L₂₂=12nH。根据计算公式

脉冲宽度 $\mathrm{\τ}=2\sqrt{(L_1+L_2+L_{C1}+L_{C2})(C_1+C_2)}=99\mathrm{ns},$

特性阻抗 $Z_0=\sqrt{(L_1+L_2+L_{C1}+L_{C2})/(C_1+C_2)}=2.53\mathrm{\Ω},$ 为验证本发明的脉冲形成网络的特性，根据设计参数进行了仿真分析计算，结果如图3所示，仿真结果表明，本发明的脉冲波形1脉冲宽度为103ns，特性阻抗为2.5Ω基本成匹配状态，仿真结果与理论分析一致，从而验证了本发明设计参数的正确性。而对于同样的参数，现有技术的脉冲波形2模拟结果明显差于本发明的脉冲波形1。本发明的脉冲波形平顶稳定性好，平顶波动很小；而现有技术的脉冲波形脉冲平顶波动很大,现有技术的脉冲形成网络特性阻抗大，若做到与本发明相同的特性阻抗，需要多路进行并联，体积庞大笨重。

而在实际应用中，采用双电容脉冲形成系统，减少了脉冲形成网络的级数，克服了单电容系统无法形成脉冲方波的缺点，可实现快前沿、准脉冲方波输出。该脉冲形成网络结构紧凑、体积小、耐压高、储能密度大、可靠性高，可应用于百纳秒级的脉冲功率系统。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双电容结构的脉冲形成网络，其特征为所述网络的电路包括第一电容C₁和第二电容C₂、第一电感L₁₁、第二电感L₁₂、第三电感L₂₁、第四电感L₂₂；所述第一电感L₁₁的一端与负载的一端连接，第一电感L₁₁的另一端分别与第一电容C₁的一端和第三电感L₂₁的一端连接在一起；所述第二电感L₁₂的一端与负载的另一端连接，第二电感L₁₂的另一端分别与第一电容C₁的另一端和第四电感L₂₂的一端连接在一起，第二电容C₂的两端分别连接在第三电感L₂₁的另一端和第四电感L₂₂的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种基于双电容结构的脉冲形成网络，其特征为所述第一电容C₁、第二电容C₂、第一电感L₁₁、第二电感L₁₂、第三电感L₂₁、第四电感L₂₂的电感值和电容值根据负载形成的脉冲宽度和特性阻抗确定。

3.根据权利要求2所述的一种基于双电容结构的脉冲形成网络，其特征为所述脉冲宽度和特性阻抗通过下述公式计算：

$\mathrm{\τ}=2\sqrt{(L_1+L_2+L_{C1}+L_{C2})(C_1+C_2)}$

$Z_0=\sqrt{(L_1+L_2+L_{C1}+L_{C2})/(C_1+C_2)}$

其中：τ为脉冲宽度，Z₀为特性阻抗，

L₁为第一电感L₁₁加第二电感L₁₂的电感值，

L₂为第三电感L₂₁加第四电感L₂₂的电感值，

L_C1为第一电容C₁的自身电感值，

L_C2为第二电容C₂的自身电感值，

C₁为第一电容的电容值，

C₂为第二电容的电容值。

4.根据权利要求3所述的一种基于双电容结构的脉冲形成网络，其特征为所述C₁和C₂的电容值不同，L₁和L₂的电感值不同。

5.根据权利要求4所述的一种基于双电容结构的脉冲形成网络，其特征为所述C₂的电容值大于C₁的电容值。