CN103746595A - 一种高功率长脉冲功率源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率长脉冲功率源，包括正负充电电源、控制系统、高能触发电源、高压脉冲方波产生系统和负载系统，所述正负充电电源与高压脉冲方波产生系统的充电输入端连接，所述高能触发电源与高压脉冲方波产生系统的触发隔离电阻输入端连接，所述控制系统与正负充电电源和高能触发源的控制模块连接，所述高压脉冲方波产生系统的高压输出端与负载系统相连接；本发明能兼顾输出电压高且连续可调、脉冲前沿快、脉冲宽度宽、重复频率稳定运行、体积小、重量轻、成本低等众多优点；基于该新型高功率长脉冲功率源，可开展高功率微波技术、电子束流产生与传输技术、X光机等研究，也可在工业、医疗等脉冲功率技术领域发挥作用；在保证相同技术指标的条件下，本发明的脉冲功率源将体积、重量缩小到传统系统的三分之一甚至更小，具有小型化、轻型化、结构简单、成本低的技术优势。

Description

一种高功率长脉冲功率源

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种高功率长脉冲功率源。可应用于开展高功率微波技术、电子束流产生与传输技术、X光机等研究，也可在工业、医疗等脉冲功率技术领域发挥作用，是实现脉冲功率源高技术指标、小型化、轻型化、低成本的必然途径。

背景技术

脉冲功率源是指进行脉冲能量压缩、获得高功率、短脉冲的电装置。脉冲功率装置的工作原理为：首先由初始储能技术（电容器储能、电感储能、化学能等）产生所需的初级脉冲波形（毫秒级至微妙级），然后再利用脉冲形成线和开关技术在时间尺度上进行压缩，脉冲宽度便被大大压缩（纳秒量级），从而极大的增加了峰值功率。通常的长脉冲功率源采用Marx发生器+脉冲形成线的技术路线，首先用Marx发生器形成一个微秒量级的初始高压脉冲，然后再利用脉冲形成线对脉冲进行整形，最后在负载系统上得到纳秒量级脉冲高压。这类装置(刘锡三，高功率脉冲技术，国防工业出版社，第424-436页)需要用初级电源、一级脉冲压缩、二级脉冲压缩才能获得需要的方波脉冲，不足之处在于储能系统和脉冲形成系统为独立结构，能量转换效率低、系统庞大、重量重。对于传统的重复频率Marx发生器，优点是体积小，主要用于宽谱脉冲产生，缺点是储能低、脉冲宽度窄、无法产生脉冲方波(张晋琪等，强激光与粒子束，2009，21（4），第637-640页)。

在高功率微波的许多应用中，脉冲功率技术是一个关键，其中最大的挑战就是研究小型化、便携式的长脉冲方波高功率脉冲功率源；另外，脉冲功率源在X光机、工业CT高压电源方面都有强的应用市场。制约脉冲功率源实际应用的主要原因是体积大、成本高，传统的脉冲功率技术方式已经不能满足当前对脉冲功率源小型化、轻型化、低成本的要求。

实现长脉冲功率源小型化的关键是如何缩短脉冲形成线的长度、减少脉冲压缩的级数、提高脉冲功率源的输出效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服了Marx发生器+脉冲形成线现有技术中的缺陷，采用储能与脉冲成形一体化的结构方式，提供了一种新型高功率长脉冲功率源，该系统可实现高功率、高储能、高重频、低抖动、准方波脉冲输出。该系统采用直接驱动技术，将脉冲形成与储能一体化设计，减少了储能转换环节，缩小了系统体积；同时采用双电容结构脉冲成形模块，减少了系统的复杂性，并且利用脉冲电容器的优势，具有可靠性好，寿命长的优势；另外，该系统采用Marx型电压串叠技术，其电路工作原理为并联充电、串联放电，电路结构简单；系统的电路回路采用低电感的设计方法，利用平板传输线互感原理，将脉冲成形模块设计为同端输出结构，实现了电路系统的低回路电感，使得脉冲前沿小、平顶宽。 

本发明采用如下技术方案：一种高功率长脉冲功率源,包括正负充电电源、控制系统、高能触发电源、高压脉冲方波产生系统和负载，所述控制系统与正负充电电源和高能触发电源的控制单元连接，所述高压脉冲方波产生系统的高压输出端连接负载；所述高压脉冲方波产生系统包括N级双电容结构脉冲成形模块依次串联为一体，每一级双电容结构脉冲成形模块包括第一输出电极和第二输出电极，第一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极与第一级三电极气体火花间隙开关的第二电极连接，第一级三电极气体火花间隙开关的第一电极连接到地，第N级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极与第N+1级三电极气体火花间隙开关第一电极连接，第N+1级三电极气体火花间隙开关的第二电极连接到负载；从第一级双电容结构脉冲成形模开始每一级双电容结构脉冲成形模块与下一级双电容结构脉冲成形模块之间连接一级三电极气体火花间隙开关，每一级双电容结构脉冲成形模块的两个输出电极与下一级双电容结构脉冲成形模块对应的输出电极之间连接一个放电隔离元件；第一级双电容结构脉冲成形模块的两个输出电极与正负充电电源之间通过两个放电隔离元件连接；每一级三电极气体火花间隙开关的触发电极连接处连接一个触发隔离电阻，触发隔离电阻的另一极连接到高能触发电源，其中N为自然数。

在上述技术方案中，所述每一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极之间连接正放电隔离元件，每一级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极之间连接负放电隔离元件。

在上述技术方案中，所述第一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极与正负充电电源的正极之间连接一个正放电隔离元件，第一级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极与正负充电电源的负极之间连接一个负放电隔离元件。

在上述技术方案中，所述第一级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极与正负充电电源的正极之间连接一个正放电隔离元件，第一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极与正负充电电源的负极之间连接一个负放电隔离元件。

在上述技术方案中，所述放电隔离元件为电阻、或为电感、或为二极管。

在上述技术方案中，所述高能触发电源的输出端与三电极气体火花间隙开关上连接的触发电阻的输入端连接。

在上述技术方案中，所述高能触发电源的输出信号同时控制每一级三电极气体火花间隙开关，且触发输出信号的前沿小于100ns、脉冲宽度宽大于200ns、能量大于10J。

在上述技术方案中，所述每一级双电容结构脉冲成形模块的电容容值相等。

在上述技术方案中，所述双电容结构脉冲成形模块能用三电容结构脉冲成形模块、或人工线、或脉冲形成线代替。

在上述技术方案中，所述第N+1级气体火花间隙开关能用真空二极管代替，同时与N+1级气体火花间隙开关连接的触发电阻去掉。

本发明中，高压脉冲方波产生方式为Marx型电路结构，这是一种公知技术，公知技术中电路结构主要由电容器、放电隔离元件、级电容接地隔离元件、开关组成，这种电路结构可等效为RLC放电电路，输出波形为RLC放电波形，本发明中显著不同于公知技术的地方在于电路结构中取消了级电容接地隔离元件，同时采用双电容结构脉冲成形模块取代电容器，发明的电路结构减少了电路元件，将储能与脉冲成形进行一体化设计，实现了长脉冲方波输出，本发明中采用高能触发电源，使高功率长脉冲功率源的输出波形具有很好的稳定性和重复性。

在本发明中，双电容结构脉冲成形模块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，而采用双电容脉冲成形系统，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；双电容结构脉冲成形模块的具体电路结构和功能已另申请专利（2013101532966）。

本发明中，高能触发电源的作用就是提供足够大的能量和电压，保证系统中多级气体火花间隙开关能够同时触发导通，提供快前沿、宽脉冲、高能量的触发信号，前沿一般小于100ns、脉冲宽度一般大于200ns、输出能量一般大于10J。

本发明中，高功率长脉冲功率源的工作原理为：正负充电电源将每个脉冲成形模块（假设总数为n个）并联充电到电压±V0，然后所有的气体火花间隙开关被触发导通，这些脉冲成形模块就会全部串联起来，在匹配负载上建立起幅值为nV0的高压脉冲，且脉冲宽度与单个脉冲成形模块的输出信号脉冲宽度相同。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明采用直接驱动技术，将脉冲形成与储能一体化设计，减少了储能转换环节，缩小了系统体积；采用双电容结构脉冲成形模块，减少了系统的复杂性，并且利用脉冲电容器的优势，具有可靠性好，寿命长的优势；另外，该系统采用Marx型电压串叠技术，其电路工作原理为并联充电、串联放电，电路结构简单；系统的电路回路采用低电感的设计方法，利用平板传输线互感原理，将脉冲成形模块设计为同端输出结构，实现了电路系统的低回路电感，使得脉冲前沿小、平顶宽。本发明的长脉冲功率源可实现高功率、高储能、高重频、低抖动、准方波脉冲输出，该新型高功率长脉冲功率源能兼顾输出电压高且连续可调、脉冲前沿快、脉冲宽度宽、重复频率稳定运行、体积小、重量轻、成本低等众多优点；基于该新型高功率长脉冲功率源，可开展高功率微波技术、电子束流产生与传输技术、X光机技术等研究，也可在工业、医疗等脉冲功率技术领域发挥作用；在保证相同技术指标的条件下，本发明的脉冲功率源将体积、重量缩小到现有系统的三分之一，具有小型化、轻型化、结构简单、成本低的技术优势。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明的电路模拟波形图；

其中：1是双电容结构脉冲成形模块，2是三电极气体火花间隙开关，3是触发隔离电阻，4是正放电隔离元件，5是负放电隔离元件。 

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示，高功率长脉冲功率源包括正负充电电源、控制系统、高能触发电源、高压脉冲方波产生系统和负载，控制系统与正负充电电源和高能触发电源的控制单元连接，高压脉冲方波产生系统的高压输出端连接负载；高压脉冲方波产生系统包括N级双电容结构脉冲成形模块1依次串联为一体，每一级双电容结构脉冲成形模块1包括第一输出电极和第二输出电极，第一级双电容结构脉冲成形模块1的第一输出电极与第一级三电极气体火花间隙开关2的第二电极连接，第一级三电极气体火花间隙开关2的第一电极连接到地，第N级双电容结构脉冲成形模块1的第二输出电极与第N+1级三电极气体火花间隙开关2的第一电极连接，第N+1级三电极气体火花间隙开关2的第二电极连接到负载；从第一级双电容结构脉冲成形模块1开始每一级双电容结构脉冲成形模块1与下一级双电容结构脉冲成形模块1之间连接一级三电极气体火花间隙开关2，每一级双电容结构脉冲成形模块1的两个输出电极与下一级双电容结构脉冲成形模块对应的输出电极之间连接一个放电隔离元件；第一级双电容结构脉冲成形模块1的两个输出电极与正负充电电源之间通过两个放电隔离元件连接；每一级三电极气体火花间隙开关2的触发电极连接处连接一个触发隔离电阻3，触发隔离电阻3的另一极连接到高能触发电源。每一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极之间连接正放电隔离元件4，每一级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极之间连接接负放电隔离元件5。第一级正放电隔离元件与正负充电电源的正极连接，第一级负放电隔离元件与正负充电电源的负极连接。为保证系统每一级三电极气体火花间隙开关的通流一致性，所用的双电容结构脉冲成形模块电容容值均相等。

实施例一

作为本发明的一种高功率长脉冲功率源的一个实施特例，设计一个高功率长脉冲功率源，包括正负充电电源、控制系统、高能触发电源、高压脉冲方波产生系统和负载，其中高压脉冲方波产生系统包括20级双电容结构脉冲成形模块和21级气体火花间隙开关，每一级双电容结构脉冲成形模块的参数是阻抗值为2.5Ω、电容值为30nF、脉冲宽度为150ns，高压脉冲方波产生系统的特性阻抗为50Ω；

假定负载系统5阻抗值为50Ω，与高压脉冲方波产生系统特性阻抗匹配，在充电电源正负对称充电的特殊条件下，设计充电电压值为±50kV，系统理想输出电压值为1MV、电流为20kA、输出功率为20GW，脉冲宽度为160ns、脉冲前沿为40ns。电路模拟结果如图2所示。由于整个脉冲功率源中的多级气体火花间隙开关均进行外触发工作，触发电源能量大、电压高（高能触发电源输出电压100kV时、储能80J、重复频率50Hz），保证了气体开关工作的一致性和稳定型，因而整个系统可实现高重复频率50Hz运行。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (10)

1.一种高功率长脉冲功率源,包括正负充电电源、控制系统、高能触发电源、高压脉冲方波产生系统和负载，所述控制系统与正负充电电源和高能触发电源的控制单元连接，所述高压脉冲方波产生系统的高压输出端连接负载；其特征为所述高压脉冲方波产生系统包括N级双电容结构脉冲成形模块依次串联为一体，每一级双电容结构脉冲成形模块包括第一输出电极和第二输出电极，第一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极与第一级三电极气体火花间隙开关的第二电极连接，第一级三电极气体火花间隙开关的第一电极连接到地，第N级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极与第N+1级三电极气体火花间隙开关的第一电极连接，第N+1级三电极气体火花间隙开关的第二电极连接到负载；从第一级双电容结构脉冲成形模开始每一级双电容结构脉冲成形模块与下一级双电容结构脉冲成形模块之间连接一级三电极气体火花间隙开关，每一级双电容结构脉冲成形模块的两个输出电极与下一级双电容结构脉冲成形模块对应的输出电极之间连接一个放电隔离元件；第一级双电容结构脉冲成形模块的两个输出电极与正负充电电源之间通过两个放电隔离元件连接；每一级三电极气体火花间隙开关的触发电极连接处连接一个触发隔离电阻，触发隔离电阻的另一极连接到高能触发电源，其中N为自然数。

2.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述每一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极之间连接正放电隔离元件，每一级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极之间连接负放电隔离元件。

3.根据权利要求2所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述第一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极与正负充电电源的正极之间连接一个正放电隔离元件，第一级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极与正负充电电源的负极之间连接一个负放电隔离元件。

4.根据权利要求2所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述第一级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极与正负充电电源的正极之间连接一个正放电隔离元件，第一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极与正负充电电源的负极之间连接一个负放电隔离元件。

5.根据权利要求3或4所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述放电隔离元件为电阻、或为电感、或为二极管。

6.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述高能触发电源的输出端与三电极气体火花间隙开关上连接的触发电阻的输入端连接。

7.根据权利要求6所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述高能触发电源的输出信号同时控制每一级三电极气体火花间隙开关，且触发输出信号的前沿小于100ns、脉冲宽度宽大于200ns、能量大于10J。

8.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述每一级双电容结构脉冲成形模块的电容容值相等。

9.根据权利要求8所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述双电容结构脉冲成形模块可用三电容结构脉冲成形模块、或人工线、或脉冲形成线代替。

10.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述第N+1级气体火花间隙开关用真空二极管代替，同时去掉与N+1级气体火花间隙开关连接的触发电阻。

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