CN103329227B - 低电感集成电容元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生低自感值集成电容元件，可提供电流及/或电压的倍增。电容元件具有二或四个串联的电容，每一电容包括多个串联并堆栈的电容单元(40)。每一电容单元(40)包括一成对配置并以介电质(20，30)隔开的延长薄膜电极(10)，且多次折叠成一本质上扁平且卷绕的形式。在二电容元件的情形下，在一实施例中第一电容(11)及第二电容(12)所包含的相邻电容单元通过将它们所分别包括的薄膜电极于薄膜电极的一纵向边彼此连结的方式而互相串联。通过将二电容元件单元以不同方法连接，可配置出不同的四电容元件(80；90)以提供强化倍增的电流与电压。

Description

低电感集成电容元件

技术领域

本发明关于一种电容元件，尤指一种高电压集成电容元件。

背景技术

电容常被使用于脉波功率应用的电路配置上，例如气体放电激光的运作需要快速、高电压、高电流的脉冲。在这些应用上，为了要得到某些倍压的形式或低电感高电流的放电操作，已知的LC反转与电容转移电路配置为最常被使用的方法。以上将以图1及图2分别概略描述上述二个电路配置。

在LC反转放电电路中(如图1所示)，两相同的电容1，2以并联方式充电。当切换间隙被触发而对电容放电后，将存在一电压振荡导至电压反转。切换装置两端将存在一微小的电压阻尼，切换装置例如火花间隙切换装置或轨道间隙切换装置4，两电容两端的电压可近似为一倍频电压，该倍频电压供应至激光通道装置3，而引发气体介质的电崩溃。在此假设充电元件5为一具有高电阻值的电阻或一具有适当电感值的电感。

在电容转移电路(图2)中，使用两个不相同的电容。大电容值电容6先被充电至全电压，接着被触发以对火花间隙切换装置9进行放电。部分的储存电荷将被转移至一般为小三到四倍的峰值电容7，而导致气体激光通道8两端的电压近似倍增。为了能获得低电路电感操作，较小的峰值电容的配置将尽可能靠近放电通道以对放电通道快速放电。如同LC反转放电电路中，充电元件5亦为一电阻或电感。

常被使用于脉波功率应用电路配置上的三种不同种类的电容为，平板平行电容、浸油式折叠聚酯树脂/纸板薄膜电容(oil impregnated folded /paper foilcapacitors)、以及陶瓷高频耦合电容。

平板平行电容在一般大气环境下运作，且并未经过浸油，并使用相对厚的聚酯树脂薄膜做为绝缘层。主要使用于需要低电压操作的激光，如10到20kv的低电压操作激光，其相对电容值在10到25nF，两电容15由三片铝片夹置些许具有适当厚度的酯树脂薄片层所构成，以如图3所示的方式一片一片堆栈而上。

激光通道14直接与电容的上电极板15a与下电极板15c连接，而当火花间隙装置16连接至极板15b与15c的对边时形成一低电路电感。传输线式LC反转电路(即公知的Blumlein电路)的两种电路配置或电容转移电路配置，根据电容值的大小以及连接至激光通道与火花间隙装置的方式而轻易的获得。

由于这类平板电容的紧密电路放电回路的放电，可达成相对低的电路电感。然而，平板电容的相对低操作电压及其小电容值为其最主要的缺点。如此限制了一0.5厘米长的激光放电通道的最大放电电流为数十千安培，不论其是否被连接以使用于LC反转或电容转移电路中。

另一方面，浸油式折叠聚酯树脂/纸板薄膜电容可用于从15至200nF的大范围的电感值，且电压于20至100kv之间。

美国专利US 3,711,746特别于图2中描述折叠这些电容的基本方法。两铝薄膜电极与两介电材料组依序以铝、介电材料、铝、及介电材料一一堆栈于另一之上。之后再被数次扁平折叠成矩形或方形的尺寸，以构成一电容部分。介电材料典型地由两片聚酯树脂所构成，且被二或三片牛皮纸片夹置于其中。成对的铝薄膜突片沿着折叠电容的侧边被置入以与电极电性连接。这些多种单位的电容部分则再被堆栈及通过适当卷曲的堆栈部分的相邻突片串联连接，以使其能在高电压操作。这些完成的单位在被浸入蓖麻油并封入容器中前，在真空中被彻底的烘烤并烘干。

这些电容被利用于商业上，不同尺寸以符合不同的电容值与电压范围。电容制造商宣称这些独立电容的微小自感值介于15到25nH之间，近似12平方厘米，3厘米厚的折叠薄膜电容单元。由于此一相对大电容电感值及相对应的大放电回路电感，这样的商业用折叠薄膜电容并不适用于高峰值放电电流LC反转电路或于电容转移电路中作为峰值电容。这些折叠薄膜电容的独立单元常被在电容转移电路中作为存储电容使用。

陶瓷门把状电容(图4)以不同尺寸制造，其电容值在0.1至10nF之间，电压值在15至40kV之间。较大的单元常作为存储电容使用，将此种电容并联连接。较小的单元作为峰值电容使用，且一般连接到两沿着放电电极的两侧的阵列。陶瓷门把状电容的示例揭露于美国专利US 4,939,620及US 3,946,290。

加拿大专利1,287,890通过以一(+V)及一(-V)对火花间隙的二端充电以描述二阶LC反转电路元件，而导致与输入电压有关的输出电压一近似四倍的提升。

此二阶LC反转电路使用四个门把状电容。通过布置两列对称门把状电容于电极的两侧，可将电流加倍，因此名为双边二阶LC反转电路。然而，由于陶瓷电容的实体大小，一35厘米长放电通道可获得数十千安培数量级的相对低的放电电流。

因此，在过去已经做过许多尝试多种不同的电路配置以缩放放电电流和提高放电电流。然而，以现今可选择利用的电容与可选择的电路配置，横向放电激光的设计使电路具有相对高电感值及/或相对低的操作电压。如此的设计仅可产生相对低峰值电流密度，此密度介于0.5至最高达为2至3千安培/单位厘米长度，大约数十纳秒电流脉波。

发明内容

本发明说明了如何组合折叠薄膜电容以产生非常低的自感，并再说明如何将这些多折叠薄膜电容单元整合及组合以构成各式各样的低电感电流及倍压放电系统，使其可利用在横向放电激光应用，亦可利用在其他脉波电力应用。

本发明的一目的在于提供一种改良式集成电容元件，尤指一种适用于气体放电激光的应用，但并不仅限于此应用。

于一方面，本发明提供一高电压电容元件，包括：

一第一电容；以及

一第二电容；

每一电容包括多个串联并堆栈的电容单元；

每一电容单元包括一成对配置并以介电质隔开的延长薄膜电极，该电容单元多次折叠成一本质上扁平且卷绕的形式；

其中，该第一电容所包含的相邻电容单元通过将它们所分别包括的薄膜电极于该薄膜电极的一纵向边彼此连结的方式而互相串联；

其中，该第二电容所包含的相邻电容单元通过将它们所分别包括的薄膜电极于该薄膜电极的两纵向边彼此连结的方式而互相串联；以及

其中该第一电容与该第二电容以串联方式连接并整合至一封闭体内。

此配置允许电容元件连接成LC反转或电容转移电路的结构。

在一实施例中，相邻电容单元的薄膜电极连结至该薄膜电极的侧向边或该薄膜电极的每一侧向边中的一种情形。

在另一实施例中，相邻电容单元的薄膜电极本质上于它们的纵向中心处彼此连接。当薄膜电极的折叠部分为基数时，电极的纵向中心处会存在有一截面，其为形成必要连结之处。而在折叠部分为偶数的情况下，另一方面，则会存在有两中心截面，其为形成必要连结之处。“本质上于它们的纵向中心处”建立在包含这些可能下。

在又一实施例中，相邻电容单元的薄膜电极本质上于一折叠部分的长度上，通过一桥接元件彼此连接。

桥接元件为一片状元件，片状元件被折叠以界定出一对用以连接相邻电容单元的各该薄膜电极的折脚段。

在一实施例中，第一及第二电容于纵向边彼此连接，亦即于第一电容的互相串联连接的电容单元的侧边。如此，可提供高效率及快速的电流放电。

在另一实施例中，薄膜电极的每一折叠部分的形状为矩形。

在又一实施例中，薄膜电极的每一折叠部分的形状为方形。

在一实施例中，每一成对延长电极所具有的薄膜的宽度介于0.1到1米之间，且薄膜的长度介于1到20米之间，以使放电电流脉波产生足够大的电容值，但其所产生的传输时间延迟宽幅仍可被接受。折叠部分的最理想的数目取决于特定应用的需求，且受限于相关参数，比如薄膜电极的长度与宽度，以及折叠部分所需求的长度。

在另一实施例中，每一电容中的第一电容、第二电容及电容单元相邻地设置，且它们所具有的薄膜电极的折叠部分互相平行。例如，第一电容与第二电容可垂直堆栈，亦即一电容放置于另一电容上。此一配置促使电容的交互作用近似于一种于每一电容的相邻电容单元的交互作用的方式。

在又一实施例中，该元件包含一内连至第一电容与第二电容的外部电极，外部电极并具有一与薄膜电极的折叠部分的长度本质上对应的长度。外部电极的长度本质上适当的对应于欲连接于其上的装置，例如一激光放电通道。

在又一实施例中，外部电极包含一于第一及第二电容相互串联连接的侧边上连接的第一外部电极对，及一仅跨越于相对侧向边的第二电容的第二外部电极对，该一对或该二对电极电极的垂直高度间隙可本质上对应于欲连接于其上的装置的高度，例如一激光放电通道。

在另一实施例中，本发明提供一种积体高电压电容元件，包括：

一第一电容；

一第二电容；

一第三电容；以及

一第四电容；

每一电容包括多个串联并堆栈的电容单元；

每一电容单元包括一成对配置并以介电质隔开的延长薄膜电极，该电容单元多次折叠成一本质上扁平且卷绕的形式；

其中，该第一电容及该第四电容所包含的相邻电容单元通过将它们所分别包括的薄膜电极于该薄膜电极的一纵向边彼此连结的方式而互相串联；

其中，该第二电容及该第三电容所包含的相邻电容单元通过将它们所分别包括的薄膜电极于该薄膜电极的两纵向边彼此连结的方式而互相串联；以及

其中该第一电容、该第二电容、该第三电容与该第四电容以串联方式连接并整合至一封闭体内。

此一配置允许电容元件连接成任何一种电路配置：二阶LC反转、二阶电容转移电路、双LC反转、或双电容转移电路配置，根据四个电容的串联连接顺序。在二阶LC反转或二阶电容转移电路中，可依第一、第二、第三、以及第四电容的顺序将电容进行排列；但在双LC或双电容转移电路配置中，则可依第二、第一、第四、以及第三电容的顺序将电容进行排列。

在一实施例中，相邻电容单元的薄膜电极连结至该薄膜电极的侧向边或该薄膜电极的每一侧向边其中一种情形。

在另一实施例中，相邻电容单元的薄膜电极本质上于它们的纵向中心处彼此连接。当薄膜电极的折叠部分为基数时，电极的纵向中心处会存在有一截面，其为形成必要连结之处。而在折叠部分为偶数的情况下，另一方面，则会存在有两中心截面，其为形成必要连结之处。用语“本质上于它们的纵向中心处”建立在包含这些可能下。

在又一实施例中，相邻电容单元的薄膜电极本质上于一折叠部分的长度上，通过一桥接元件彼此连接。

桥接元件为一片状元件，片状元件被折叠以界定出一对用以连接相邻电容单元的各该薄膜电极的折脚段。桥接元件用以帮助产生非常低的自感值。

在一实施例中，第一、第二、第三、及第四电容于该一纵向边上互相连接，此纵向边为第一电容与第四电容的电容单元串联连接的纵向边。如此，可提供高效率及快速的电流放电。

在另一实施例中，薄膜电极的每一折叠部分的形状为矩形。

在又一实施例中，薄膜电极的每一折叠部分的形状为方形。

在一实施例中，每一成对延长电极所具有的薄膜的宽度介于0.1到1米之间，且薄膜的长度则介于1到20米之间，以使放电电流脉波产生足够大的电容值，但其所产生的传输时延迟宽幅仍可被接受。折叠部分的最理想的数目取决于特定应用的需求，且受限于相关参数，比如薄膜电极的长度与宽度，以及折叠部分所需求的长度。

在另一实施例中，每一电容中的第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、及电容单元相邻地设置，且它们所具有的薄膜电极的折叠部分互相平行。例如，第一电容、第二电容、第三电容、及第四电容可垂直堆栈，亦即第一电容放置于第二电容上、第二电容放置于第三电容上、第三电容放置于第四电容上。此一配置促使电容的交互作用近似于一种于每一电容的相邻电容单元的交互作用的方式。

在又一实施例中，该元件包含一内连至第一电容、第二电容、第三电容、及第四电容的外部电极。

在一双LC或电容转移配置的又一实施例中，于元件的一侧上，所有电容互相串联连接，外部电极包括一连接至第二电容的第一外部电极、一连接至第一及第四电容的第二外部电极、以及一连接至第三电容的第三外部电极。

于元件的另一侧，外部电极包括一连接至第二电容的另一第一外部电极、一连接至第二电容及第三电容的另一第二外部电极、以及一连接至第三电容的另一第三外部电极。

三外部电极可被架设于元件的各边。外部电极的垂直高度间隙可本质上对应于欲连接于其上的装置的高度，例如一激光放电通道。

在一二阶LC或电容转移配置的又一实施例中，于元件的一侧，所有电容互相串联连接，外部电极包括一跨越第一及第四电容的第一外部电极对。

于元件的另一侧，外部电极包括一跨越第二及第三电容的第二外部电极对。

每一外部电极对可被架设于元件的各边。外部电极的垂直高度间隙可本质上对应于欲连接于其上的装置的高度，例如一激光放电通道。

本发明的实施例提供一积体高电压电容元件，包括二或四以新方式连接的折叠薄膜电极，折叠薄膜电极具有低内部电路电感。此一方式由数个步骤所完成，包含：

于另一顶部堆栈，扁平卷绕延长薄膜电极的电容单元被介电质隔开以形成一电容单元，其再被堆栈以形成二或四电容元件；

确保每一电容单元可只提供两接触面，以使另一邻近的电容单元或一外部连接电极做连接使用的位置；

将二或四电容元件的某些电容的电容单元的一纵向边或二纵向边，以部分绝缘的片状桥接元件结合，并将桥接元件置入于电容单元中已选定的接触面积；

同样地用相同的桥接元件于特定的纵向边将电容单元互相连接，以提供高速电流放电或转换；

提供外部连接电极四或六个电容元件的端点；

将端点弯曲成一形态以供最低合适电感。

此配置允许元件可经由外部电极连接至一开关元件及一放电元件。如果使用两个电容，将提供一LC反转或电容转移电路配置使放电元件上的电压与电流倍增。如果使用四个电容，将提供二阶LC反转或电容转移电路配置以加强放电元件上的电压与电流。同样地，在适当的连接下，四电容元件亦可提供一双LC反转或电容转移电路配置。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为已知的LC反转放电电路的电路配置。

图2为已知的电容转移电路的电路配置。

图3为已知的扁平平行板电容的概略示意图，显示如何将激光通道连接至电容板的两边缘。

图4为门把状电容的概略示意图。

图5为本发明的一实施例的包括电极与介电质元件的部分卷绕的电容单元的概略示意图。

图6、图7、及图8为本发明的一实施例的置入一桥接元件以将邻近电容单元的薄膜电极互相连接的概略示意图。

图9为本发明的一实施例的电容元件的一横截面布局图，额外显示连接至电容元件的外部电极与元件。

图10为用以理解折叠薄膜电极的自感的组成的示意图。

图11为本发明的一实施例的LC反转放电电路的电路配置。

图12为本发明的一实施例的电容转移电路的电路配置。

图13为一使用两电容元件单元的双电容的概略示意图。

图14为本发明的一实施例的一使用四个电容的四电容元件的概略示意图。

图15为一使用四个电容元件的电容的双LC反转放电电路的概略示意图。

图16为一使用四个电容元件的电容的双电容转移电路的概略示意图。

图17为本发明的一实施例的一使用四个电容的四电容元件的概略示意图。

图18为一使用四个电容的二阶LC反转放电电路的概略示意图。

图19为一使用四个电容的二阶电容转移电路的概略示意图。

图20至图22为说明一四电极电容元件的实施例，以及于外部电极的端点连接的特定细节。

图23至图25为说明一六电极电容元件的实施例，以及于外部电极的端点连接的特定细节。

具体实施方式

一般而言，本发明针对一种积体高电压电容元件，其所产生的自感值相当低，且可提供电流及/或电压的倍增。本发明的一实施例的高电压电容元件的基本单元由第一电容11、及第二电容12所构成，如图9所示，该二电容以串联连接。

每一电容包括多个串联并堆栈的电容单元40。每一电容单元40包括一成对配置并以介电质隔开的延长薄膜电极10。于本发明的一较佳实施例中，如图5所示，以铝薄膜10作为薄膜电极。铝薄膜的厚度为5nm至12nm。将薄膜电极隔开的介电质包括一例如浸油牛皮纸的吸收材质，以及一例如聚乙烯对苯二酸盐(已知的)的不透水塑料。较佳的是，居中的介电质层为复合结构，其包括两聚脂树脂薄片层20的交换层，且被三牛皮纸片30夹置于其中。聚脂树脂薄片的厚度为12μm，而每一牛皮纸片30的厚度为8.3μm。聚乙烯(PP)薄片具有一模糊表面，而其他介电质薄片亦可被使用为介电质层以取代聚脂树脂及纸片。

电容在浸入蓖麻油或其他适合的介电油或流体之前先经过烘烤，再将其密封。较佳的是，元件被封装于一硬壳体内，例如聚胺酯。

在已知的折叠薄膜电容中，相当常见的是，使用多于一对的侧电极突片。采用此种计量是为了要减少电磁波传播自铝薄膜的一端进入或离开电极突片的电容的传播时间。通过沿着折叠电容的侧边置入n对电极突片，沿着电容的电流被分割成2n个区段。沿着折叠纵向面的电流路径长，因此减少2n个因子。

然而，置入多个突片组的程序亦大大地影响电容的整体电感值。然而，计算电荷进入或/离开电容的流动模型是有可能的，因而导出有效感应磁通量与自感值，可以下列过程估算自感值。

自感值可被概略分成两组成份，一组成份起因于电荷沿着或逆沿薄膜的折叠边，另一组成份起因于电荷沿着进入或离开薄膜突片13的侧边，如图10所示的侧边置入的单一对薄膜突片。

一般而言，对于电荷沿着或逆沿薄膜的折叠边的移动，如图10中所示的成份A，除了两最内侧与两最外侧的所有的电极薄膜载有两层电荷，一层位于前表面而另一层位于背表面由于薄膜电容的折叠。另外，两电流路径形成于每一置入突片。对一具有n对置入电极突片的电容单元而言，其因而有总共2x(2n)条电流路径，每一电流路径的路径长系减少2n个因子。总电感值而因此减少2x(2n)个因子，当与未折叠、电流从电极的一端流向另一端的等长电容薄膜的情况下相比时。此电感成份可给出如下：

$L_1=\frac{1}{8n^2}\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{ld}}{w}$

其中，l与w分别为电极薄膜的长度与宽度，而d为介电材料的厚度。对一近似方形布置、具有七折叠、七电容单元串联堆栈与介电厚度为2τ的电容而言，可得到0.42nH的低电感值。

另一方面，侧边置入的电极突片的使用引出一重要的电感值来源，此电感值来源是由于电荷的移动横向近似于电容于沿着侧边置入的薄膜突片进入或离开电容的折叠方向，如图10中所示的成份B。

对每一侧边置入的单一对薄膜突片而言，其电感值假设由电流沿着单一对输出电极薄膜所产生且：

$L_1=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{wd}}{l_f}$

其中，l_f为每一折叠薄膜的长度。因w及l_f的可比较值而可得到相对低的电感值。对一近似方形布置、具有七折叠、七电容单元串联堆栈与介电厚度为2τ的电容而言，可得到0.44nH的相对低电感值。

另一方面，对于一具有超过一侧边突片对的电容片段而言，有必要将突片设置在绕组的具有相反极性的相对侧边上。其是由将两相反极性的突片交错置入于两完成折叠的电容部分所形成。这些相反极性的突片将叉开并跨越折叠电容部分的中间点，且导致一大电流回路横截面，对电容单元的电感值产生一重要的贡献。

相对电感值可容易地近似于如下所示：

$L_3=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}w}{l_f}\frac{t}{2}$

其中，t为电容堆栈中折叠薄膜完成后的总厚度。

电感值与电容堆栈的一半厚度成比例关系。对于商业上所利用的电容，其具有近似5英寸(12.7厘米)的方形布置且其厚度范围在3至4厘米之间，所计算出的电感值范围在15至25nH之间，与电容制造商所宣称的电感值范围相近。

如前所述，本发明提供一种积体高电压电容元件，其所产生的自感值相当低，且可提供电流及/或电压的倍增。在第一电容的情形下，堆栈的相邻电容单元通过将它们的薄膜电极于该薄膜电极的一纵向边彼此连结的方式而互相串联。连接可为仅将薄膜电极的一边连接，或任意地将薄膜电极的两边连接。然而，后者的第二种替代连接方法并无任何优势。在第二电容中，相邻电容单元通过将它们的薄膜电极于该薄膜电极的两纵向边彼此连结的方式而互相串联。

图6、图7、及图8为说明如何以桥接元件将相邻电容单元的薄膜电极于一或每一薄膜电极的侧向边连接的单一情形的概略示意图。桥接元件(可视为等效于使用一对侧边突片)本质上将相邻电容单元的薄膜电极的纵向中心处彼此连接。桥接元件本质上连接每一薄膜电极的一折叠部分的长度。如图6所示，较佳的是，桥接元件为一片状元件18，被折叠以界定出一对用以连接相邻电容单元的各薄膜电极的折脚段。片状元件18可为金属薄膜连接器。除了置入金属薄膜连接器以外，一外部防护器19，亦被折叠以界定出一对作为绝缘体的折脚段。绝缘体本质上提高电容的电压保持效能，但本质上并不提高其电感值。

较佳的是，每一电容单元的铝薄膜与聚脂树脂纸片组的厚度的范围在1至20米之间，如此导致放电电流脉波产生低电感，且其所产生的传输时间延迟宽幅仍可被接受。

根据折叠部分的宽度与长度，每一薄膜电极(电容单元)的折叠部分的形状通常可为矩形或方形。具有由堆栈的电容折叠电容单元所构成的第一及第二电容11，12串联连接。第一及第二电容11，12相邻地设置，其所具有的薄膜电极的折叠部分互相平行。在一较佳的实施例中，第一及第二电容11，12垂直堆栈，亦即一电容放置于另一电容上。此一配置促使电容的交互作用近似于一种于每一电容的相邻电容单元的交互作用的方式。

图9为本发明的一实施例的电容元件的一横截面布局图。电容元件被封装于一壳体70内，并具有端点以使元件通过壳体与外部电性连接。较佳的是，第一及第二电容通过桥接元件13b于该一侧向边上互相连接。桥接元件13b可仅被提供于电容的一侧向边，或电容的二侧向边。然而，后者的第二种替代方法并无任何优势。

在如图9所示的实施例中，桥接元件13b仅于左侧向边与第一及第二电容互相连接。较佳的是，这些电容11，12被封装于一硬壳体70内。意欲与外部电路构件做连接的突片连接至条状电极17，条状电极17连接至具有以O型环将硬壳体70的内侧边密封的外部条状电极。

于此一特定实施例中，激光通道60与触发开关50为连接到电容元件的外部电路构件。在使用触发开关的情形中，触发开关较佳为一低电感设计的轨道间隙开关，且开关间的放电路径电感值保持在一最低值。

一第一成对外部电极串联连接至第一及第二电容11、12，而一第二成对外部电极连接至第二电容。

第一成对外部电极仅可能靠向薄膜电极的左侧向边连接，而第二成对外部电极仅可能靠向薄膜电极的右侧向边连接。放电电流路径电感值保持在一最低值。

贴近第一及第二电容11、12的桥接元件13b位于已连接的第一成对外部电极的同侧。如此可将由进出堆栈的电容部分的电流所产生的放电路径横截面最小化。

位于左侧向边的外部电极的长度本质上适当的对应于激光放电通道60的长度，而位于右侧向边的外部电极的长度本质上适当的对应于触发间隙开关50的长度。

较佳的是，基本电容部分的尺寸与相邻的第一及第二电容的长度相同，相邻的第一及第二电容的长度的制作本质上等于外部电极的长度。例如使用激光通道60为例，对一典型18英寸(46厘米)长的激光放电电极，使用18英寸(46厘米)宽的铝薄膜、20英寸(51厘米)宽的聚脂树脂、及纸薄片。薄片以20英寸(51厘米)的间隔折叠以形成一近似20英寸(51厘米)的方形电容部分。侧向置入的桥接元件13为18英寸(46厘米)宽，且恰好比折叠电容部分的两边缘短1英寸(2.5厘米)。

现在，我们将注意到本发明的电容元件如何被使用于LC反转与电容转移放电电路配置上，电容元件预计与激光通道60及触发间隙开关50连接。

在LC反转配置(如图11，亦被建构如图9)中，选用几乎相同的C₁及C₂。

所有的电容部分皆通过桥接元件13于激光通道60的同一侧而毗邻。如此可确保由电流进出堆栈的电容部分所引起的最小电路回路横截面。如此亦可确保感应磁通漏磁只存在于电容薄膜电极对之间及小回路横截面中，小回路横截面由电容部分与激光通道60之间的连接所导致。因此，于C₁及C₂(13a)中，桥接元件13贴近电容单元，也位于电容C₁及C₂(13b)之间，并位于激光通道的同一侧。为了通过触发间隙开关获得高速电流放电，桥接元件13亦位于在触发间隙开关侧边的C₂中连接电容单元。因此，在LC反转配置的情形中，于第二电容C₂中的电容单元的相邻的桥接元件13a位于两边，以获得对触发间隙开关及激光通道的快速放电。

在电容转移电路配置中(图12)，触发间隙开关及激光通道的位置互相交换，且C₁的选择为C₂的三到四倍。

于第二电容C₂中的电容单元的相邻的桥接元件13a亦提供于两边，以获得对触发间隙开关50及激光通道60的快速放电。另一方面，C₁中的电容单元仅需贴近触发间隙开关50连接的一侧，以完成快速放电转移的动作。

对LC反转电路而言，使用先前所述的相同尺寸的激光通道，使用46厘米长的电极长度，两近似方形且具有七折叠及2τ聚酯树脂/纸板介电质的相同电容。使用七基本电容单元堆栈为了能获得50kV的电压级，两电容的每一个可获得一约略为190nF的电容值及小于1nH的电感值。此后，一近乎于零的1nH的数值被假设为每一电容的电感值，且对照于商业上所使用的数十到数百纳米亨利电感值的电容。

激光通道横截面的设计仅可能的紧密且仅可能的靠近两电容的边缘连接，以将放电回路电感值维持在最小。假设一4x 5平方厘米的放电回路横截面，得到一5.5nH的放电回路电感值。

在50kV充电运作下，可预期一高达90kV的电压摆幅出自两串联的电容，跨越一7.5nH的总电路电感。并获得一320kA的峰值放电电流及一7kA/cm高峰放电电流。

在上述系统的运作中，假设激光通道仅于电压超过最大摆幅或电荷完全被转移至第二回路时发生故障。此为严格地依据激光电极与运作气体压力的状态。使用一快速例如轨道间隙开关的切换装置于确保较快的电压摆幅与快速电荷转移过程亦为不可或缺的。当这些状态不为最佳时，激光通道会过早发射而峰值放电电流会大大地减少。

上述较佳实施例建构出一具有最低合适电路电感的配置。本领域技术人员可组合两分离单元的传统折叠薄膜电容，来构成相应的放电电路。然而，技术人员会发现，使用商业用的具有两电极的折叠薄膜电容，无论是单一端型或双端型，都会产生本质上高的电路电感。

技术人员亦可以具有电容C₁’及C₂’的电容转移电路的情形进行类似的分析。考虑在LC反转中，C₁’为C₁的两倍而C₂’为C₂的二分之一的情形。通过将电容转移电路充电至与LC反转电路相同的电压，于C ₂’的两端会产生一高电压脉波，而导致高峰放电电流。此高峰放电电流一般会稍微小于具相同输入电荷能量的LC反转电路的高峰放电电流。

为了更提高放电电流，将详细说明双LC反转与双电容转移放电配置的实施例(图13)。本发明的一实施例是使用两单位的背对背堆栈于另一之上的电容元件。通过将上堆栈物46的底部外部电极45连接至下堆栈物48的顶部外部电极47，构成三外部电极。

然而，本发明的一较佳实施例为如图14所示的将四个电容(49a至49d)整合至一单一盒体。四电容元件80具有三外部电极位于两侧，以连接至激光通道及轨道间隙，根据如图15所示的双LC反转电路及如图16所示的双电容转移电路。对此三电极的四电容元件而言，外侧的二电极普遍且便于连接至如图15所示的激光通道及如图16所示的触发间隙。

实际上，由于两电容的电压反转，双LC反转操作于一缩放近似为两个因子的电压。电容值与自感值维持近乎相等于单一电容时，最大放电电流因此提高至约488kA或放电为10.6kA/cm。

类似的分析可实行于双电容转移电路。其作为结果的电压约略为相对应的电容转移电压的两倍，其值由峰值电容的存量的比率所决定。一般而言，可获得较小的峰值放电电流。

在其他实施例中，取代将放电电流加倍，二阶LC反转或二阶电容转移电路实现几乎两倍的LC反转或电容转移电路各自的电压。

一较佳实施例如图17所示的将四个电容(56a至56d)整合至一单一盒体。四电容元件90具有二电极位于两侧，以连接至激光通道及轨道间隙，根据如图18所示的二阶LC反转及如图19所示的二阶电容转移电路。

通过分别将两单元的双胞胎电容充电至+V与-V，二阶LC反转电路的情形中的作为结果的电压约为单一电容放电的四倍。电压会被缩放四倍，电容值减少四个因子而电容的自感值增加四个因子。于180kV、47.8nF、及9.5nH下，峰值放电电流可传送一高达406kA的峰值电流，然而，作为结果的放电电压为充电电压的四倍。

类似的分析可实行于二阶电容转移电路。其作为结果的电压约为相对应的电容转移电路的两倍，其值由峰值电容的存量的比率所决定。

在四电极电容元件的情形中，如图9或图17中所示，其中，两对外部电极位于元件的相对的侧向边，可以更精细的改进以减少放电及开关回路电感。此为可将一对片状导电元件21纵向弯曲形成两倒L型，以连接至电容元件的外部电极条17，如图20所示的横截面图。假如盒体壁足够靠近电容元件，绝缘的片状导电元件对22在离开电容元件的薄膜电极后即于反方向上被纵向弯曲，并连接至外部电极条17，如图21所示。假如片状导电元件对23与电容元件具有一相对大的间隙，由于以电容单元构成的元件厚或为数众多，元件被纵向弯曲两倒U型，如图22所示。绝缘薄膜24被置入，且被相似的弯曲以保护两元件21、22、23于盒体内发生短路。

相似的更精细的改进可用于六电极电容元件中，如图14所示，其中，两个三电极组17a、17b、及17c与17d、17e、及17f，位于元件的相对侧向边。此可将顶部及底部的片状导电元件31纵向弯曲形成两倒L型，以连接至外部电极条17a、17b、及17c，如图23所示的横截面图。假如盒体壁足够靠近电容元件，绝缘的片状导电元件对32在离开电容元件的薄膜电极后即于反方向上被纵向弯曲，并连接至外部电极条，如图24所示。假如顶部及底部的片状导电元件对33与电容元件具有一相对大的间隙，由于以电容单元构成的元件厚或为数众多，元件被纵向弯曲两倒U型，如图25所示。如图23、图24、图25中所示的所有示例，中间元件35直接与中间电极条17b、17e连接。绝缘薄膜34被置入，且被相似的弯曲以保护两元件31、32、33于盒体内发生短路。

上述的元件中，无论使用L型或U型的元件折叠，都会增电流行进的距离，但由于较小的电路回路，可降低电路电感值。

必需注意要确保于图20至图25中的外部电极条之间的空间，提供足够的绝缘，这样，放电或切换存在于各元件内，且不会沿着外盒壁。

本发明可经由于此所描述以外的多种方式所实施，而不背离其范围，如权利要求所界定，经由示例，本发明的电容单元中所使用的介电材料，可用新的科技等效产物取代，例如包含模糊聚乙烯薄片的塑料树脂薄膜。

Claims (19)

1.一种高电压电容元件，包括：

一第一电容(11)；以及

一第二电容(12)；

每一电容包括多个串联并堆栈的电容单元(40)；

每一电容单元(40)包括一成对配置并以介电质(20，30)隔开的延长薄膜电极(10)，该电容单元多次折叠成一本质上扁平且卷绕的形式；

其中，该第一电容所包含的相邻电容单元通过将它们所分别包括的薄膜电极于该薄膜电极的一纵向边彼此连结的方式而互相串联；

其中，该第二电容所包含的相邻电容单元通过将它们所分别包括的薄膜电极于该薄膜电极的两纵向边彼此连结的方式而互相串联；

其中该第一电容与该第二电容以串联方式连接并整合至一封闭体(70)内；

其中，该元件包含一内连至该第一电容(11)与该第二电容(12)的外部电极(17)；

其中，该外部电极(17)于其一纵向边包括一第一成对外部电极，该第一成对外部电极串联连接至该第一电容与该第二电容，而于该外部电极的另一纵向边，一第二成对外部电极则连接至该第二电容；以及

其中，该第一成对外部电极及该第二成对外部电极经由部分绝缘的片状导电元件连接至个别电容薄膜电极，且该片状导电元件被纵向弯曲以形成两倒L型(21，22)或两U型(23)的外形。

2.如权利要求1所述的高电压电容元件，其中，该外部电极并具有一与该薄膜电极的折叠部分的长度本质上对应的长度。

3.如权利要求1所述的高电压电容元件，其中，该第一成对外部电极(17)设置于该元件的邻近于该薄膜电极的纵向边的一侧，该第二成对外部电极(17)则设置于该元件的邻近于该薄膜电极的另一纵向边的另一侧。

4.一种高电压电容元件(80；90)，包括：

一第一电容(49b；56a)；

一第二电容(49a；56b)；

一第三电容(49d；56c)；以及

一第四电容(49c；56d)；

每一电容包括多个串联并堆栈的电容单元(40)；

每一电容单元(40)包括一成对配置并以介电质(20，30)隔开的延长薄膜电极(10)，该电容单元多次折叠成一本质上扁平且卷绕的形式；

其中，该第一电容及该第四电容(49b；49c；56a；56d)所包含的相邻电容单元通过将它们所分别包括的薄膜电极于该薄膜电极的一纵向边彼此连结的方式而互相串联；

其中，该第二电容及该第三电容(49a；49d；56b；56c)所包含的相邻电容单元通过将它们所分别包括的薄膜电极于该薄膜电极的两纵向边彼此连结的方式而互相串联；

其中该第一电容、该第二电容、该第三电容与该第四电容以串联方式连接并整合至一封闭体(70)内；

其中，该元件包含一内连至该第一电容、该第二电容、该第三电容、及该第四电容(49a至49d，56a至56d)的外部电极(17)；以及

其中，该外部电极平行并设置于该元件的一侧，一外侧成对的该外部电极经由部分绝缘的片状导电元件连接至个别电容薄膜电极，且该片状导电元件被纵向弯曲以形成两倒L型(31，32)或两U型(33)的外形。

5.如权利要求4所述的高电压电容元件，其中，该外部电极包括三外部电极，该三外部电极互相平行并设置于该元件的一侧。

6.如权利要求4所述的高电压电容元件，其中，该元件的一侧对应于该纵向边，该外部电极包括一连接至该第二电容(49a)的一第一外部电极(17d)、一连接至该第一电容及该第四电容(49b，49c)的一第二外部电极(17e)、以及一连接至该第三电容(49d)的一第三外部电极(17f)。

7.如权利要求6所述的高电压电容元件，其中，该元件的另一侧对应于另一纵向边，该外部电极包括一连接至该第二电容(49a)的另一第一外部电极(17a)、一连接至该第二电容及该第三电容(49a，49d)的另一第二外部电极(17b)、以及一连接至该第三电容(49d)的另一第三外部电极(17c)。

8.如权利要求4所述的高电压电容元件，其中，该元件的一侧对应于该纵向边，该外部电极包括一连接至该第一电容及该第四电容(56a，56d)的第一成对外部电极(17i，17j)。

9.如权利要求8所述的高电压电容元件，其中，该元件的另一侧对应于另一纵向边，该外部电极包括一连接至该第二电容及该第三电容(56b，56c)的第二成对外部电极(17g，17h)。

10.如权利要求4中所述的高电压电容元件，其中，相邻电容单元的该薄膜电极(10)连结至该薄膜电极的侧向边或该薄膜电极的每一侧向边其中一种情形。

11.如权利要求10所述的高电压电容元件，其中，相邻电容单元的该薄膜电极(10)本质上于它们的纵向中心处彼此连接。

12.如权利要求4中所述的高电压电容元件，其中，相邻电容单元的该薄膜电极本质上于一折叠部分的长度上，通过一桥接元件(13)彼此连接。

13.如权利要求12所述的高电压电容元件，其中，该桥接元件(13)为一片状元件(18)，该片状元件被折叠以界定出一对用以连接相邻电容单元的各该薄膜电极的折脚段。

14.如权利要求4中所述的高电压电容元件，其中，该电容于该纵向边彼此连接。

15.如权利要求4中所述的高电压电容元件，其中，该薄膜电极的每一折叠部分的形状为矩形或方形。

16.如权利要求4中所述的高电压电容元件，其中，每一成对延长电极所具有的薄膜的宽度介于0.2至1米之间，且薄膜的长度则介于1至10米之间。

17.如权利要求4中所述的高电压电容元件，其中，该电容相邻地设置，且它们所具有的该薄膜电极的折叠部分互相平行。

18.如权利要求4中所述的高电压电容元件，其中，该元件被注入一介电流质。

19.如权利要求4中所述的高电压电容元件，其中，该高电压电容元件被封装于一硬壳体内。