CN105490667A - 基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准方波脉冲发生器，具体涉及一种基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，属于脉冲功率技术领域。本发明要解决的技术问题是克服现有脉冲形成网络技术所需网络节数过多、装置体积巨大、输出波形平顶稳定性较差等不足，提出了一种基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，其电路网络节数少，装置结构简单、体积小且输出波形平顶稳定性好，同时此发生器只需对单节网络进行充电，还可降低对调制网络的电容器绝缘要求，实现了平顶稳定性好的高电压准方波脉冲输出，可以应用于高功率微波、闪光照相、激光研究等对电子束质量要求较高的领域。

Description

基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种准方波脉冲发生器，具体涉及一种基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，属于脉冲功率技术领域，主要用于高电压准方波脉冲的产生，可以应用于高功率微波、闪光照相、激光研究等领域。

背景技术

脉冲功率技术是在20世纪60年代英国原子武器研究中心的J.C.Martin及其研究小组取得一系列技术突破以后迅速发展起来的。目前，在脉冲功率装置中主要有两大脉冲形成技术：脉冲形成线技术(PFL)和脉冲形成网络技术(PFN)。

脉冲形成线实质上是一种传输线，主要用于形成超短脉冲，而脉冲形成网络是传输线在线型脉冲调制器中的代用元件，由集中参数元件构成，并具有与真实传输线大致相同的特性。脉冲形成线具有输出波形较好的优点，且采用Blumlein线相对于单脉冲形成线可以提高一倍的电压输出，但是在需要产生超过200ns的高电压准方波脉冲输出时，脉冲形成线这一脉冲形成技术存在着体积大、造价贵的问题，迫切需要进一步解决。

与脉冲形成线技术相比，脉冲形成网络技术具有以下独特的优势：一是阻抗调节方便，只需改变电路元件的参数或排布即可调节阻抗，使应用范围得到扩大并且减小了制作成本；二是适合输出长脉冲，这是由于电路元件的脉冲延时作用，可产生脉冲宽度为几微秒的长脉冲；三是储能密度高，无论是电流馈电型PFN还是电压馈电型PFN都要比PFL的油或水介质储能密度要高得多，符合装置紧凑化、小型化的发展方向。目前，脉冲形成网络是产生长脉冲的主要技术途径。

传统的脉冲形成网络主要有等电感和等电容网络，以及Guillemin网络等，但其波形存在过冲，平顶稳定性一般且装置紧凑性较差，难以满足高功率微波、闪光照相、激光研究等对电子束质量要求较高的应用。一般来说，PFN都要采用五节及以上的网络节数才能获得平顶稳定性稍好的高电压准方波输出，且每个电容器都需要满足充电时的耐压要求，势必造成电容器体积大且笨重。因此，在实际应用中，过多的网络节数和对电容器耐压方面的要求往往会造成最终的脉冲形成网络体积巨大而且笨重，难以满足具体的使用要求。而减少网络节数又无法获得理想的准方波脉冲输出，因此，寻求网络节数少、结构紧凑、输出波形平顶稳定性较好的脉冲发生器对于实现高功率脉冲驱动源的紧凑化、小型化及实用化发展具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有脉冲形成网络技术所需网络节数过多、装置体积巨大、输出波形平顶稳定性较差等不足，提出了一种基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，其电路网络节数少，装置结构简单、体积小且输出波形平顶稳定性好，同时此发生器只需对单节网络进行充电，还可降低对调制网络的电容器绝缘要求，实现了平顶稳定性好的高电压准方波脉冲输出，可以应用于高功率微波、闪光照相、激光研究等对电子束质量要求较高的领域。

本发明采用以下技术方案：一种基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，所述发生器由一节充电网络、一节整形网络和一个主电感L₁组成，其中，充电网络由电容C₁构成，C₁可以是单个高压脉冲电容器或由多个普通电容器通过串联和/或并联组成；整形网络由电容C₂及电感L₂并联组成，C₂可以是单个高压脉冲电容器或由多个普通电容器通过串联和/或并联组成；所述充电网络的一端与整形网络的一端连接，充电网络的另一端与开关的一端(充电端)连接，开关的另一端接地；整形网络另一端与主电感L₁的一端连接，主电感的另一端接负载。

所述电容C₁、C₂的电容值和电感L₁、L₂的电感值根据负载要求的脉冲宽度和特性阻抗确定，具体参数可根据以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_1=0.420\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ρ}},& C_2=0.315\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ρ}}\\ L_1=0.309\mathrm{\ρ}\mathrm{\τ},& L_2=0.057\mathrm{\ρ}\mathrm{\τ}\end{array}\right.$

其中：τ为输出准方波的脉冲宽度，ρ为网络的特性阻抗。

本发明的优点在于：

1.与传统的PFN不同，本发明中的脉冲形成网络仅采用了单节网络作为储能单元，工作时只需要对单节电容进行充电，而不需要对所有的电容器都进行充电。

2.整形网络的电容在充电时处于断开状态，不需要承受微秒量级的充电高压，而只需承受纳秒量级的整形电压，且加载在整形网络上的电压比充电电压小得多。因此，整形电容所需的绝缘强度远远低于传统的脉冲形成网络，在制作工艺上有利于减少电容器的体积。

3.与传统的PFN相比，本发明将脉冲形成网络减少到了两节，大大减小了装置的体积，可应用于百纳秒级的紧凑型脉冲功率系统。

4.本发明克服了传统的脉冲形成网络输出波形平顶稳定性较差的缺点，实现了平顶稳定性好的高电压准方波脉冲输出，可以应用于高功率微波、闪光照相、激光研究等对电子束质量要求较高的领域。

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为现有技术的电路图；

图2为本发明的电路图；

图3为通过PSpice软件仿真的现有技术的和本发明的两节网络输出波形对比图；

其中：1为现有技术中两节网络的输出波形，2为本发明的输出波形。

图4为本发明的实验装置结构示意图；

图5为本发明的一组模拟和实验波形对比图；

其中：8为PSpice软件仿真波形，9为实验输出波形。

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，该电路图是现有技术采用的电路，电路采用的网络节数一般都在五节及以上，相应的装置体积和重量巨大，非常不方便运输和实用，无法满足脉冲功率装置紧凑化、小型化的要求；减少网络节数虽然能减小装置的体积和重量，但却无法获得理想的准方波脉冲输出。

如图2所示，该电路图是本发明的电路，本发明通过将多节网络降低为两节，同时工作时只需要对第一个电容进行充电即可实现准方波脉冲的输出。本发明的基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，基本电路包括两个电容C₁、C₂和两个电感L₁、L₂，且两个电容为非均匀电容，两个电感为非均匀电感。电路的工作原理为：首先通过高压电源U_s对电容C₁进行充电，充电完成后闭合开关U₁,此时电容C₁开始对后面的电路进行放电，同时也对电容C₂进行充电。在负载匹配的情况下，当电容C₁放电脉冲峰值下降至最大幅值的70％时，电容C₂不再进行充电，此时电容C₁和C₂同时对负载进行放电，两个波形相互叠加，形成了平顶稳定性好的准方波脉冲输出波形。

脉冲形成网络的电容值和电感值主要通过输出准方波的脉冲宽度和网络的特性阻抗确定，具体的电路参数为：

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_1=0.420\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ρ}},& C_2=0.315\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ρ}}\\ L_1=0.309\mathrm{\ρ}\mathrm{\τ},& L_2=0.057\mathrm{\ρ}\mathrm{\τ};\end{array}\right.$

图3为采用Pspice软件对现有技术中两节网络和本发明的两节网络进行仿真后输出波形的对比图。仿真结果表明，现有技术的两节网络输出波形1虽然脉冲前沿时间较短，但平顶稳定性差，明显差于本发明的输出波形2。

图4为本发明的实验装置结构示意图：本发明由高压开关3、充电电容4、并联电感5、整形电容6、主电感7组成。高压开关3一端接地，另一端与高压充电电源相连；充电网络一端与高压充电电源相连，另一端与整形网络相连；主电感7一端与整形网络的一端相连，另一端接负载。本发明的实验装置长仅为500mm，高仅为230mm，结构紧凑且体积小。高压开关3为气体开关，也可以是其他类型的开关如等离子体开关或其他能使电路通断的结构；充电电容4和整形电容6为陶瓷电容，并联电感5和主电感7为螺线管。

模拟一个准方波脉宽τ＝120ns，网络特性阻抗ρ＝12.5Ω的基于单电容充电和单电容调制的准方波脉冲发生器，通过计算可以得出此脉冲形成网络的具体参数如下：C₁＝4nF,L₁＝492nH,C₂＝3nF,L₂＝85.5nH。

为验证本发明的脉冲发生器的特性，根据设计的参数运用PSpice软件进行了仿真分析并设计了实验装置进行验证，结果如图5所示。仿真结果表明，本发明的PSpice软件仿真波形8脉冲宽度为116ns，负载为12.5Ω时基本成匹配状态，验证了本发明设计参数的正确性；实验输出波形9和仿真结果基本一致，从而证明了此脉冲发生器的可行性。本发明输出波形的上升沿较短、平顶稳定性好，不存在过冲现象。

在实际应用中，采用本发明的基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，有效的减少了脉冲形成网络的节数，只利用了单节网络充电和单节网络调制便实现了平顶稳定性好的准方波脉冲输出。该脉冲形成网络结构紧凑、体积小，可以应用于高功率微波、闪光照相、激光研究等对电子束质量要求较高的领域。

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)

1.一种基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，其特征在于：所述发生器由一节充电网络、一节整形网络和一个主电感L₁组成，其中，充电网络由电容C₁构成，整形网络由电容C₂及电感L₂并联组成，所述充电网络的一端与整形网络的一端连接，充电网络的另一端与开关的一端连接，开关的另一端接地；整形网络另一端与主电感L₁的一端连接，主电感的另一端接负载；

所述电容C₁、C₂的电容值和电感L₁、L₂的电感值根据负载要求的脉冲宽度和特性阻抗确定，具体参数可根据以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_1=0.420\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ρ}},& C_2=0.315\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ρ}}\\ L_1=0.309\mathrm{\ρ}\mathrm{\τ},& L_2=0.057\mathrm{\ρ}\mathrm{\τ}\end{array}\right.$

其中：τ为输出准方波的脉冲宽度，ρ为网络的特性阻抗。

2.根据权利要求1所述基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，其特征在于：C₁为单个高压脉冲电容器。

3.根据权利要求1所述基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，其特征在于：C₁由多个普通电容器通过串联和/或并联组成。

4.根据权利要求1所述基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，其特征在于：C₂为单个高压脉冲电容器。

5.根据权利要求1所述基于单节充电网络和单节调制网络的准方波脉冲发生器，其特征在于：C₂由多个普通电容器通过串联和/或并联组成。