CN103746675A

CN103746675A - 一种新型脉冲形成网络

Info

Publication number: CN103746675A
Application number: CN201410011436.0A
Authority: CN
Inventors: 宋法伦; 甘延青; 龚海涛; 秦风; 金晓; 许州
Original assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Current assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-04-23

Abstract

本发明为一种新型脉冲形成网络，属于脉冲功率技术领域，主要用于高电压脉冲方波的产生，一种新型脉冲形成网络，网络由三级脉冲电容依次并联组成，每一级脉冲电容与下一级脉冲电容的第一输出电极之间、第二输出电极之间分别连接一个电感；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，而采用三电容结构非均匀脉冲形成网络，减少了脉冲形成网络的级数，便于脉冲波形调节，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

一种新型脉冲形成网络

技术领域

本发明涉及一种脉冲形成网络，具体涉及一种三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。

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给定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、储存能量大的脉冲形成网络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

本发明克服了现有技术中的不足，提出了一种三电容结构的新型脉冲形成网络，其结构简单，网络级数少，体积小，储能密度高，可实现脉冲方波输出。

本发明采用如下技术方案：一种新型脉冲形成网络，所述网络由第一级脉冲电容、第二级脉冲电容、第三级脉冲电容依次并联组成，所述三级脉冲电容的每一级脉冲电容包括第一输出电极和第二输出电极，第一级脉冲电容的两个输出电极与负载端之间分别连接一个电感；每级脉冲电容与下一级脉冲电容的第一输出电极之间、第二输出电极之间分别连接一个电感。

在上述技术方案中，所述每一级脉冲电容的电容值和每一个电感的电感值根据负载要求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：

τ = 2 \sqrt{(L_{1} + L_{2} + + L_{3} + L_{C 1} + L_{C 2} + L_{C 3}) (C_{1} + C_{2} + C_{3})}

Z_{0} = \sqrt{(L_{1} + L_{2} + + L_{3} + L_{C 1} + L_{C 2} + L_{C 3}) / (C_{1} + C_{2} + C_{3})}

其中：τ为脉冲宽度，Z₀为特性阻抗，C₁为第一级脉冲电容的电容值，

C₂为第二级脉冲电容的电容值，C₃为第三级脉冲电容的电容值，

L_C1为第一级脉冲电容C₁的自身电感值，

L_C2为第二级脉冲电容C₂的自身电感值，

L_C3为第三级脉冲电容C₃的自身电感值，

L₁为第一级脉冲电容的两个输出电极与负载之间的电感值，

L₂为第一级脉冲电容与第二级脉冲电容之间的电感值，

L₃为第二级脉冲电容与第三级脉冲电容之间的电感值。

在上述技术方案中，所述C₁、C₂、C₃的电容值不同，L₁、L₂、L₃的电感值不同。

优先的，所述C₃的电容值大于C₂的电容值，C₂的电容值大于C₁的电容值。

在上述技术方案中，所述每级脉冲电容器的种类为薄膜介质电容器、或为陶瓷介质电容器、或为复合介质电容器。

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，而采用三电容脉冲形成系统，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，与双电容结构脉冲成形网络（专利申请号2013101532966）不同，其中多出的一级电容可以很容易调节脉冲方波平顶的前段、中段和后段，其脉冲方波波形的顶部比两电容结构的脉冲输出波形更平稳，同时克服了更多级脉冲网络很难调节的缺点，

可实现脉冲方波波形的稳定输出，该脉冲形成网络结构紧凑、可应用于百纳秒级的紧凑型高功率长脉冲功率系统。

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是本发明的电路图；

图2是模拟波形。

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，该电路图是本发明的电路，本发明有效的将多级LC回路降低为三级，电容两端均有连线电感，有效的保证输出脉冲的宽度和平稳性。本发明的新型脉冲形成网络，基本电路包括三个并联的电容器，第一级脉冲电C₁、第二级脉冲电容C₂、第三级脉冲电容C₃和六个连线电感L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂、L₃₁、L₃₂，其中L₁₁、L₁₂是第一级脉冲电容的两个输出电极与负载端之间的连线电感，L₂₁、L₂₂是第一级脉冲电容的两个输出电极与是第二级脉冲电容的两个输出电极之间的连线电感，L₃₁、L₃₂是第二级脉冲电容的两个输出电极与是第三级脉冲电容的两个输出电极之间的连线电感。三个脉冲电容为非均匀电容，第三级脉冲电容C₃的电容值大于第二级脉冲电容C₂的电容值，第二级脉冲电容C₂的电容值大于第一级脉冲电容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，第一级脉冲电容C₁首先对负载放电，紧接着第二级脉冲电容C₂对负载放电，通过调整电感L₂₁、L₂₂，使得当第一级脉冲电容C₁放电脉冲峰值下降至最大幅值的50%时，第二级脉冲电容C₂放电峰值上升至最大幅值的50%，此时两个波形相互叠加，形成了脉冲方波的前一段，紧接着当第二级脉冲电容C₂放电脉冲峰值下降至最大幅值的50%时，第三级脉冲电容C₃放电峰值上升至最大幅值的50%，此时两个波形相互叠加，形成了脉冲方波的后一段，脉冲电容C₁、C₂、C₃的恰当周期放电，形成了一个完整的脉冲方波波形。

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

τ = 2 \sqrt{(L_{1} + L_{2} + + L_{3} + L_{C 1} + L_{C 2} + L_{C 3}) (C_{1} + C_{2} + C_{3})},

特性阻抗为

Z_{0} = \sqrt{(L_{1} + L_{2} + + L_{3} + L_{C 1} + L_{C 2} + L_{C 3}) / (C_{1} + C_{2} + C_{3})},

其中L_C1、L_C2、L_C3是三个脉冲电容的自身电感，由于脉冲形成网络的三个脉冲电容C₁、C₂、C₃电容值不同，三个连线电感L₁、L₂、L₃也不同，L₁=L₁₁+L₁₂，L₂=L₂₁+L₂₂，L₃=L₃₁+L₃₂，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。

模拟一个脉宽130ns、特性阻抗3.5Ω的三电容结构脉冲形成网络，根据计算得出C₁=2.5nF、C₂=4.0nF、C₂=13.0nF，连接电感L₁₁=L₁₂=35nH，电容连接电感L₂₁=L₂₂=15nH,电容连接电感L₃₁=L₃₂=30nH，假定电容C₁、C₂、C₃自身电感值L_C1=L_C2=L_C3=20nH，根据计算公式

脉冲宽度

τ = 2 \sqrt{(L_{1} + L_{2} + L_{C 1} + L_{C 2}) (C_{1} + C_{2})} &cong; 130 ns,

特性阻抗

Z_{0} = \sqrt{(L_{1} + L_{2} + L_{C 1} + L_{C 2}) / (C_{1} + C_{2})} &cong; 3.4 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2所示，仿真结果表明，本发明的脉冲波形脉冲宽度为130ns，特性阻抗为3.4Ω，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，本发明的脉冲波形平顶稳定性好，平顶波动很小。

而在实际应用中，根据实际需求的脉冲波形平顶，适当调节脉冲电容C1、C2和C3的电容值，即可以调整脉冲波形平顶，达到预期的目的，本发明的脉冲形成网络，减少了脉冲形成网络的级数，克服了两电容结构脉冲波形平顶调节不便，四到五级脉冲形成网络脉冲波形平顶调节难度大的缺点，可实现脉冲方波波形的稳定输出，该脉冲形成网络结构紧凑、可应用于百纳秒级的紧凑型高功率长脉冲功率系统。

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

1.一种新型脉冲形成网络，其特征为所述网络由第一级脉冲电容、第二级脉冲电容、第三级脉冲电容依次并联组成，所述三级脉冲电容的每一级脉冲电容包括第一输出电极和第二输出电极，第一级脉冲电容的两个输出电极与负载端之间分别连接一个电感；每级脉冲电容与下一级脉冲电容的第一输出电极之间、第二输出电极之间分别连接一个电感。

2.根据权利要求1所述的一种新型脉冲形成网络，其特征为所述每一级脉冲电容的电容值和每一个电感的电感值根据负载要求的脉冲宽度和特性阻抗确定。

3.根据权利要求2所述的一种新型脉冲形成网络，其特征为所述脉冲宽度和特性阻抗通过下述公式计算：

τ = 2 \sqrt{(L_{1} + L_{2} + + L_{3} + L_{C 1} + L_{C 2} + L_{C 3}) (C_{1} + C_{2} + C_{3})}

Z_{0} = \sqrt{(L_{1} + L_{2} + + L_{3} + L_{C 1} + L_{C 2} + L_{C 3}) / (C_{1} + C_{2} + C_{3})}

4.根据权利要求3所述的一种新型脉冲形成网络，其特征为所述C1、C2、C3的电容值不同，L1、L2、L3的电感值不同。

5.根据权利要求4所述的一种新型脉冲形成网络，其特征为所述电容C3的电容值大于电容C2的电容值，电容C2的电容值大于电容C1的电容值。

6.根据权利要求1所述的一种新型脉冲形成网络，其特征为所述每一级脉冲电容器为薄膜介质电容器、或为陶瓷介质电容器、或为复合介质电容器。