CN105007063A - 一种基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源，包括触发单元、负载电阻、接地板、电源、N个Marx电路、N个第一开关、N个第二开关及N个第三开关；触发单元的电源接口与电源相连接，触发单元的输出端通过第i个第一开关与第i个Marx电路的输入端相连接，第i个Marx电路的电源端通过第i个第二开关与电源相连接，第i个Marx电路的输出端通过第i个第三开关与负载电阻的一端相连接，负载电阻的另一端与接地板相连接；所述触发电路的输出端与各Marx电路的输入端之间的路径长度相同，各Marx电路的输出端到负载电阻之间的路径长度相同。本发明能够实现多路脉冲信号的同步叠加，同时便于控制，灵活性较好，并且利于模块化扩展。

Description

一种基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源
技术领域
本发明涉及一种脉冲源，具体涉及一种基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源。
背景技术
在高电压技术领域，脉冲功率技术一直占据着举足轻重的地位。近年来，等离子体物理的发展又为脉冲功率技术开拓了很多新的应用领域，例如工业上的等离子体浸入离子注入(PⅢ)、脉冲电子束表面改性、废气处理等，军事上的等离子体隐身技术、微波武器等。为满足这些应用的要求，脉冲源已不再只追求高输出功率与高脉冲能量，其输出脉冲波形和重复频率也逐渐成为了关注的重点。输出脉冲波形(上升时间、下降时间、脉冲宽度等)直接影响具体应用是否能够达到预期的效果，而脉冲的重复频率通常决定系统的工作速率和效益。此外，脉冲源的小型化、模块化也是其主要的发展趋势。
基于雪崩三极管Marx电路的脉冲源具有上升时间短、抖动小、脉冲宽度窄、结构紧凑等优点，近年来已引起广泛关注。但是，Marx电路的输出效率会随着级数的增加而迅速下降，从而限制了脉冲源输出幅值的提高。为进一步提高输出幅值，一种有效的办法是采用多路Marx电路同步叠加。然而，目前国内外关于多路Marx电路同步叠加的实施方法尚不成熟，所提出的触发时延控制、平面微带传输线等方案，虽然可以得到输出幅值较高的窄脉冲，但实现其同步触发和同步输出的技术难度大、控制复杂，难以实现，不利于模块化扩展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源，该脉冲源能够实现多路脉冲信号的同步叠加，同时便于控制，灵活性较好，并且利于模块化扩展。
为达到上述目的，本发明所述的基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源包括触发单元、负载电阻、接地板、电源、N个Marx电路、N个第一开关、N个第二开关及N个第三开关；
触发单元的电源接口与电源相连接，触发单元的输出端通过第i个第一开关与第i个Marx电路的输入端相连接，第i个Marx电路的电源端通过第i个第二开关与电源相连接，第i个Marx电路的输出端通过第i个第三开关与负载电阻的一端相连接，负载电阻的另一端与接地板相连接，其中，N大于等于2，N为正整数，1≤i≤N；
所述触发电路的输出端与各Marx电路的输入端之间的路径长度相同，各Marx电路的输出端到负载电阻之间的路径长度相同。
所述触发单元包括控制器及触发电路，控制器的输出端与触发电路的输入端相连接，触发电路的输出端与各第一开关相连接。
所述触发电路包括隔离线圈、MOSFET驱动模块及MOSFET单管正脉冲发生电路，控制器的输出端与隔离线圈的输入端相连接，隔离线圈的输出端与MOSFET驱动模块的输入端相连接，MOSFET驱动模块的输出端与MOSFET单管正脉冲发生电路的输入端相连接，MOSFET单管正脉冲发生电路的输出端与各第一开关相连接。
各Marx电路均为16级Marx电路。
所述电源为高压直流充电电源。
所述控制器为MCU芯片或单片机。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源包括触发单元、负载电阻、电源、N个Marx电路、N个第一开关、N个第二开关及N个第三开关，触发单元的输出端通过N个第一开关分别与N个Marx电路的输入端相连接，Marx电路的输出端通过第三开关与负载电阻相连接，电源通过N个第二开关分别与N个Marx电路的电源接口相连接，通过闭合对应的第一开关、第二开关及第三开关即可实现相应Marx电路输出的脉冲信号叠加，同时由于所述触发电路的输出端与各Marx电路的输入端之间的路径长度相同，各Marx电路的输出端到负载电阻之间的路径长度相同，可保证多路脉冲信号的同步叠加，且操作简单，实用性强，同时便于控制，灵活性较好，利于模块化扩展，脉冲源的稳定性较高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中当N等于4时各元件的位置关系图；
图3为本发明中触发单元10的电路图；
图4为本发明中Marx电路5的电路图。
其中，1为控制器、2为触发电路、3为第一开关、4为第二开关、5为Marx电路、6为第三开关、7为负载电阻、8为接地板、9为电源、10为触发单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源包括触发单元10、负载电阻7、接地板8、电源9、N个Marx电路5、N个第一开关3、N个第二开关4及N个第三开关6；触发单元10的电源接口与电源9相连接，触发单元10的输出端通过第i个第一开关3与第i个Marx电路5的输入端相连接，第i个Marx电路5的电源端通过第i个第二开关4与电源9相连接，第i个Marx电路5的输出端通过第i个第三开关6与负载电阻7的一端相连接，负载电阻7的另一端与接地板8相连接，其中，N大于等于2，N为正整数，1≤i≤N；触发电路2的输出端与各Marx电路5的输入端之间的路径长度相同，各Marx电路5的输出端到负载电阻7之间的路径长度相同。
所述触发单元10包括控制器1及触发电路2，控制器1的输出端与触发电路2的输入端相连接，触发电路2的输出端与各第一开关3相连接。具体的，所述触发电路2包括隔离线圈、MOSFET驱动模块及MOSFET单管正脉冲发生电路，控制器1的输出端与隔离线圈的输入端相连接，隔离线圈的输出端与MOSFET驱动模块的输入端相连接，MOSFET驱动模块的输出端与MOSFET单管正脉冲发生电路的输入端相连接，MOSFET单管正脉冲发生电路的输出端与各第一开关3相连接。
各Marx电路5均为16级Marx电路；电源9为高压直流充电电源，所述控制器1为MCU芯片或单片机。
本发明在具体操作时，通过第一开关3、第二开关4及第三开关6的闭合或打开来控制触发电路2产生的触发信号、电源9、及负载电阻7是否接入，从而改变参与脉冲信号叠加的Marx电路5的数量，实现最终输出的脉冲信号的灵活调节。
参考图3，工作时，MCU芯片发出单次或重复频率的TTL信号，再由MOSFET驱动模块进行功率放大并输出驱动信号，从而驱动MOSFET单管正脉冲发生电路中的Q0导通，在可变电阻RE1上得到幅值约100V的正触发信号，最后经过电容Cin耦合到各Marx电路5中，实现Marx电路5的触发。
参考图2，触发脉冲从各第一开关3输入，并同时施加给径向长度相等的各Marx电路5，实现同步触发；四路输出脉冲信号同样经过对称路径后在负载电阻7上汇聚，实现同步输出与叠加。
参见图4，电源电压VCC＝300V，负载电阻7的电阻值RL＝50Ω，静态时，直流源通过充电隔离电阻RC1～RC16和RC1'～RC16'给电容C1～C16充电到VCC，雪崩三极管Q1～Q16均处于临界雪崩状态，没有导通；触发信号到来时，Q1首先导通，C1的左端瞬间接地，右端电位跃变为-VCC，此时Q2会在快速过电压作用下导通，即C2左端电位瞬间跃变为-VCC，右端电位则跃变为-2VCC；以此类推，Q3～Q16依次导通，最终在C16的右端即负载上产生幅值为-16VCC的电压脉冲。由于三极管不能进入完全理想的导通状态，这使得Marx电路5具有一定的输出阻抗，所以实际在负载上得到的脉冲幅值要略低于16VCC。

Claims (6)

1.一种基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源，其特征在于，包括触发单元(10)、负载电阻(7)、接地板(8)、电源(9)、N个Marx电路(5)、N个第一开关(3)、N个第二开关(4)及N个第三开关(6)；
触发单元(10)的电源接口与电源(9)相连接，触发单元(10)的输出端通过第i个第一开关(3)与第i个Marx电路(5)的输入端相连接，第i个Marx电路(5)的电源端通过第i个第二开关(4)与电源(9)相连接，第i个Marx电路(5)的输出端通过第i个第三开关(6)与负载电阻(7)的一端相连接，负载电阻(7)的另一端与接地板(8)相连接，其中，N大于等于2，N为正整数，1≤i≤N；
所述触发电路(2)的输出端与各Marx电路(5)的输入端之间的路径长度相同，各Marx电路(5)的输出端到负载电阻(7)之间的路径长度相同。
2.根据权利要求1所述的基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源，其特征在于，所述触发单元(10)包括控制器(1)及触发电路(2)，控制器(1)的输出端与触发电路(2)的输入端相连接，触发电路(2)的输出端与各第一开关(3)相连接。
3.根据权利要求2所述的基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源，其特征在于，所述触发电路(2)包括隔离线圈、MOSFET驱动模块及MOSFET单管正脉冲发生电路，控制器(1)的输出端与隔离线圈的输入端相连接，隔离线圈的输出端与MOSFET驱动模块的输入端相连接，MOSFET驱动模块的输出端与MOSFET单管正脉冲发生电路的输入端相连接，MOSFET单管正脉冲发生电路的输出端与各第一开关(3)相连接。
4.根据权利要求1所述的基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源，其特征在于，各Marx电路(5)均为16级Marx电路。
5.根据权利要求1所述的基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源，其特征在于，所述电源(9)为高压直流充电电源。
6.根据权利要求2所述的基于Marx电路的空间对称型高压纳秒脉冲源，其特征在于，所述控制器(1)为MCU芯片或单片机。
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