CN106537776A - 具有可变脉冲宽度和脉冲重复频率的高压纳秒脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳秒脉冲发生器。在一些实施例中，所述纳秒脉冲发生器可包括一个或多个开关电路，所述一个或多个开关电路包括一个或多个固态开关、变压器和输出。在一些实施例中，所述变压器可包括第一变压器铁芯、至少部分地围绕所述第一变压器铁芯的一部分缠绕的第一初级绕组、以及至少部分地围绕所述第一变压器铁芯的一部分缠绕的次级绕组。在一些实施例中，一个或多个开关电路中的每一个与第一初级绕组的至少一部分耦接。在一些实施例中，所述输出可与所述次级绕组电耦接，并且输出具有大于约1千伏的峰值电压和小于150纳秒或50纳秒的上升时间的电脉冲。

Description

具有可变脉冲宽度和脉冲重复频率的高压纳秒脉冲发生器

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年7月11日提交的名称为“HIGH VOLTAGE NANOSECOND PULSERWITH VARIABLE PULSE WIDTH AND PULSE REPETITION FREQUENCY CONTROL FORNONEQUILIBRIUM PLASMA APPLICATIONS”(用于非平衡等离子体应用的具有可变脉冲宽度和脉冲重复频率控制的高压纳秒脉冲发生器)的美国临时专利申请No.62/023,708的优先权，该临时专利申请的全文以引用方式并入本文。

发明内容

本发明公开了多种纳秒脉冲发生器。在一些实施例中，一种纳秒脉冲发生器可包括一个或多个开关电路，所述一个或多个开关电路包括一个或多个固态开关、变压器和输出。在一些实施例中，变压器可包括第一变压器铁芯、至少部分地围绕第一变压器铁芯的一部分缠绕的第一初级绕组、以及至少部分地围绕第一变压器铁芯的一部分缠绕的次级绕组。在一些实施例中，一个或多个开关电路中的每一个与第一初级绕组的至少一部分耦接。在一些实施例中，输出，输出可与次级绕组电耦接，并且用于输出具有比约1千伏大的峰值电压和比150纳秒或50纳秒小的上升时间的电脉冲。

在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可包括设置在次级绕组与输出之间的脉冲压缩电路。脉冲压缩电路可至少包括与次级绕组输出串联布置的饱和电感器、以及次级绕组输出并联布置次级电容器。饱和电感器例如可与输出串联布置，并且次级电容器与输出并联布置。

在一些实施例中，第一初级绕组可包括至少部分地围绕第一变压器铁芯的一部分缠绕的多个初级绕组，并且其中多个开关电路中的每一个与初级绕组的子集耦接。

在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可包括第二一个或多个开关电路、第二变压器铁芯和至少部分地围绕第二变压器铁芯的一部分缠绕的第二初级绕组。第二一个或多个开关电路中的一个或多个例如可与第二初级绕组耦接。第二初级绕组例如可至少部分地围绕第二变压器铁芯的一部分缠绕。在一些实施例中，可使用多于两个铁芯，其中次级绕组围绕每个铁芯卷绕，并且一组初级绕组与围绕一个铁芯耦接的开关电路耦接。

在一些实施例中，第一变压器铁芯可包括在第一变压器铁芯中具有孔的环形。在一些实施例中，次级绕组可穿过第一变压器铁芯中的孔，并且第一初级绕组可穿过第一变压器铁芯中的孔。

在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可包括具有顶表面和多个孔的电路板。在一些实施例中，第一初级绕组可在两个位置处终止于第一电路板的顶表面上。在一些实施例中，第二初级绕组可针对每个绕组穿过多个孔中的至少两个。

本发明公开了一种纳秒脉冲发生器，该纳秒脉冲发生器包括第一开关电路；第一变压器铁芯；第一初级绕组，所述第一初级绕组与所述第一开关电路电耦接并且至少部分地围绕所述第一变压器铁芯卷绕；第二开关电路；第二变压器铁芯，其邻近第一变压器铁芯设置；第二初级绕组，所述第二初级绕组与所述第二开关电路电耦接并且至少部分地围绕所述第二变压器铁芯卷绕；次级绕组，所述次级绕组围绕所述第一变压器铁芯和所述第二变压器铁芯卷绕；以及与次级绕组耦接的输出。

在一些实施例中，输出可提供具有大于约1千伏的峰值电压和小于150纳秒或50纳秒的上升时间的电脉冲。

在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可包括设置在第一变压器铁芯与第二变压器铁芯之间的电路板。

在一些实施例中，第一变压器铁芯包括具有孔的环形，并且第二变压器铁芯包括具有孔的环形。在一些实施例中，电路板可包括与第一变压器的孔和第二变压器的孔对齐的孔。在一些实施例中，次级绕组可穿过第一变压器铁芯中的孔、第二变压器铁芯中的孔和电路板中的孔。在一些实施例中，次级绕组可针对次级绕组中的每个绕组穿过第一变压器铁芯中的孔、第二变压器铁芯中的孔和电路板中的不同孔。

在一些实施例中，第一变压器铁芯可包括具有孔和周缘的环形，并且第一变压器铁芯设置在电路板的顶表面上。在一些实施例中，第一初级绕组包括第一多个绕组，该第一多个绕组在第一变压器铁芯的周缘附近以及在第一变压器铁芯的孔附近与电路板电耦接。

在一些实施例中，第二变压器铁芯包括具有孔和周缘的环形，并且第二变压器铁芯设置在电路板的底表面上。在一些实施例中，第二初级绕组包括第二多个绕组，该第二多个绕组在第二变压器铁芯的周缘附近以及在第二变压器铁芯的孔附近与电路板电耦接。

在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可包括第一电路板和第二电路板。第一变压器铁芯可包括具有孔的环形并且可设置在第一电路板上。第二变压器铁芯可包括具有孔的环形并且可设置在第二电路板上。第一电路板例如可包括与第一变压器的孔和第二变压器的孔对齐的孔。第二电路板可包括例如与第一变压器的孔和第二变压器的孔对齐的孔。次级绕组可例如穿过第一变压器铁芯中的孔、第二变压器铁芯中的孔、第一电路板中的孔和第二电路板中的孔。

在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可包括设置在次级绕组与输出之间的脉冲压缩电路。

在一些实施例中，次级绕组可包括围绕第一变压器铁芯和第二变压器铁芯卷绕多次的单个导体。

本发明公开了一种纳秒脉冲发生器，该纳秒脉冲发生器包括一个或多个开关电路，所述一个或多个开关电路包括一个或多个固态开关；与开关电路串联设置的高速电容器；变压器，其包括第一变压器铁芯、至少部分地围绕第一变压器铁芯的一部分缠绕的第一初级绕组，一个或多个开关电路中的每一个与第一初级绕组的至少一部分耦接；以及次级绕组，其至少部分地围绕第一变压器铁芯的一部分缠绕；以及输出，其与次级绕组电耦接，并且用于输出具有比约1千伏大的峰值电压和比约150纳秒或50纳秒的小上升时间的电脉冲。

在一些实施例中，与一个或多个开关电路和高速电容器之间的连接相关联的任何杂散电感小于50nH。在一些实施例中，与高速电容器和变压器之间的连接相关联的任何杂散电感小于50nH。在一些实施例中，与变压器和一个或多个开关电路之间的连接相关联的任何杂散电感小于50nH。

提及这些示例性实施例不是为了限制或限定本公开，而是提供示例以帮助理解本公开。在具体实施方式中讨论了另外的实施例，并且提供了进一步的描述。通过检查本说明书或通过实践所提出的一个或多个实施例，可以进一步理解由一个或多个各种实施例所提供的优点。

附图说明

当参考附图阅读以下具体实施方式时能更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点。

图1示出根据一些实施例的纳秒脉冲发生器的示例性电路图。

图2为根据一些实施例的在负载处的存在和不存在脉冲压缩电路下的脉冲的曲线图。

图3为示出根据一些实施例的具有不同脉冲宽度的跨负载的三个脉冲的曲线图。

图4示出堆叠变压器布置的视图，其中两个变压器堆叠在电路板的顶部和底部上。

图5示出堆叠变压器布置的视图。

图6为根据一些实施例的多变压器铁芯纳秒脉冲发生器的示意图。

图7为根据一些实施例的顺序多变压器铁芯开关布置的输出信号的图。

图8为根据一些实施例的顺序多变压器铁芯开关布置的输出信号的图。

图9示出变压器的侧剖视图，其中单个初级绕组和单个次级绕组围绕变压器铁芯卷绕。

图10示出根据一些实施例的纳秒脉冲发生器的示例性电路图。

具体实施方式

本发明公开了多个高压纳秒脉冲发生器。在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可产生具有大于1千伏的电压和/或小于150纳秒或50纳秒的上升时间的脉冲。在一些实施例中，高压纳秒脉冲发生器可产生具有可编程、可控制和/或可变的脉冲宽度的脉冲。

在一些实施例中，高压纳秒脉冲发生器可包括多个开关电路，所述多个开关电路可包括与变压器耦接的一个或多个固态开关。变压器例如可包括一个或多个变压器铁芯和多个初级绕组以及一个或多个次级绕组。在一些实施例中，初级绕组可围绕单个变压器铁芯卷绕，并且次级绕组可围绕一个以上的变压器铁芯卷绕。

在一些实施例中，高压变压器可包括设置在变压器与输出之间的脉冲压缩电路，该脉冲压缩电路可减少高压脉冲的上升时间。

图1示出根据一些实施例的纳秒脉冲发生器90的示例性电路图。纳秒脉冲发生器100可包括一个或多个开关电路105，所述一个或多个开关电路可包括开关106、缓冲电阻器137、缓冲电容器135、缓冲二极管125或它们的某种组合。在一些实施例中，缓冲电容器135和缓冲二极管125可彼此串联布置，并且与开关106一起并联。缓冲电阻器137例如可与缓冲二极管125并联布置。

开关106可包括可切换高压的任何固态开关装置，例如固态开关、IGBT、FET、MOSFET、SiC结型晶体管或类似装置。开关106可包括集电极107和发射极108。开关电路105可包括与开关106一起的各种其他部件。多个开关电路105可能以并联、串联或它们的某种组合与变压器电路115耦接。

开关电路105可与高速电容器110耦接或可包括该高速电容器，该高速电容器可用于储能。在一些实施例中，一个以上的开关电路105可与高速电容器110耦接。在一些实施例中，高速电容器可以是储能电容器。高速电容器110的电容值可为约1μF、约5μF、介于约1μF与约5μF之间、介于约100nF与约1,000nF之间等。

在开关106的切换期间，可将高速电容器110中的能量释放到变压器116的初级绕组。此外，在一些实施例中，高速电容器110内的能量可能未在每个开关周期期间基本上耗尽，这可允许较高的脉冲重复频率。例如，在一个开关周期中，存储在高速电容器110内的能量的5％至50％可耗尽。又如，在一个开关周期中，存储在高速电容器110内的能量的10％至40％可耗尽。另如，在一个开关周期中，存储在高速电容器110内的能量的15％至25％可耗尽。

开关电路105和高速电容器110可与变压器电路115耦接。变压器电路115例如可包括变压器116、电容器、电感器、电阻器、其他装置或它们的某种组合。变压器116可包括具有中心孔的变压器铁芯，其中多个初级绕组和多个次级绕组围绕变压器铁芯缠绕。在一些实施例中，可能存在比次级绕组更多的初级绕组。在一些实施例中，变压器铁芯可以是环形的；其周缘可以是方形、多边形、椭圆形、矩形等。

变压器电路115可包括杂散电容和/或杂散电感。杂散电容器185表示变压器初级到次级杂散电容。杂散电容器190表示变压器次级杂散电容。电感器155表示变压器的初级杂散电感，并且电感器160表示变压器的次级杂散电感。

在一些实施例中，变压器116可包括环形变压器铁芯，该环形变压器铁芯包括：空气、铁、铁氧体、软铁氧体、MnZn、NiZn、硬铁氧体、粉末、镍铁合金、无定形金属、金属玻璃或它们的某种组合。

在一些实施例中，变压器初级到次级杂散电容和/或变压器次级杂散电容可低于约1pF，低于约100pF、约10pF、约20pF等。在一些实施例中，次级杂散电容和初级杂散电容的总和可小于约50pF、75pF、100pF、125pF、135pF等。

在一些实施例中，变压器的次级杂散电感和/或变压器的初级杂散电感的电感值可为例如1nH、2nH、5nH、10nH、20nH、介于约1nH与1,000nH之间、小于约100nH、小于约500nH等。

在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可以被设计成具有低杂散电容。例如，纳秒脉冲发生器内的所有杂散电容的总和可低于500pF。这可包括变压器电路杂散电容、开关电路杂散电容、其他杂散电容或它们的某种组合。

变压器116的初级绕组可包括多个单绕组。例如，每个初级绕组可包括单电线，该单电线围绕环形变压器铁芯的至少一大部分卷绕，并且终止于变压器铁芯的任一侧面上。又如，初级绕组的一个端部可终止于开关106的集电极107处，并且初级绕组的另一个端部可终止于高速电容器110处。可根据具体应用使用任意数目的串联或并联的初级绕组。例如，约10、20、40、50、100、116、200、250、300等个或更多个绕组可用于初级绕组。

在一些实施例中，单个初级绕组可与单个开关电路105耦接。在一些实施例中，可包括多个开关电路，并且多个开关电路中的每一个可与多个初级绕组中的一个耦接。多个绕组可围绕变压器铁芯并联布置。在一些实施例中，此布置可用于减少纳秒脉冲发生器100中的杂散电感。

次级绕组可包括围绕变压器铁芯以任意次数卷绕的单电线。例如，次级绕组可包括5、10、20、30、40、50、100等个绕组。在一些实施例中，次级绕组可围绕变压器铁芯并且通过电路板的部分卷绕(例如，如图9所示)。例如，变压器铁芯可定位在电路板上，其中电路板中的多个狭槽围绕变压器铁芯的外部轴向布置，并且电路板中的内部狭槽定位在环形变压器铁芯的中心内。次级绕组可围绕环形变压器铁芯卷绕，并且通过狭槽和内部狭槽卷绕。次级绕组可包括高压电线。

在一些实施例中，脉冲压缩电路195可与变压器电路115耦接。脉冲压缩电路195例如可包括饱和电感器198和次级电容器196。饱和电感器198例如在饱和之前的电感值可小于100nH、10μH、100μH等，并且在饱和之后电感值可小于10nH、100nH等。次级电容器196的电容例如可小于约10pF、100pF、1nF、100nF等。脉冲压缩电路195可与负载120耦接。在一些实施例中，多个脉冲压缩模块可与变压器模块115串联耦接。

在一些实施例中，饱和电感器198可与变压器116的次级绕组并联布置。在一些实施例中，次级电容器196可与变压器116的次级绕组并联布置。在一些实施例中，饱和电感器198可与负载120串联布置。在一些实施例中，次级电容器196可与负载120并联布置。在一些实施例中，饱和电感器198可与次级电容器196并联布置。

在一些实施例中，脉冲压缩电路195可减少来自变压器电路115的信号的上升时间以得到负载120处的具有较低上升时间的信号。例如，负载120处的信号的上升时间可小于100ns、10ns、1ns等，其中电压大于1千伏、10千伏等，和/或其中脉冲重复频率大于20kHz、50kHz、100kHz、500kHz、1MHz、10MHz等。在一些实施例中，变压器电路115所产生的上升时间可减少超过2倍、5倍、10倍、15倍、20倍等。

在一些实施例中，具有脉冲压缩电路195的纳秒脉冲发生器100可产生脉冲重复频率大于1kHz、10kHz、100kHz、1MHz、10MHz等的输出脉冲。这可至少部分地例如因为脉冲压缩电路195被具有高脉冲重复频率和高功率的开关电路105和变压器电路115驱动而实现。

在一些实施例中，脉冲压缩电路195可驱动具有低阻抗的负载120，该低阻抗例如低于1,000欧姆、500欧姆、250欧姆、100欧姆、50欧姆、10欧姆等的阻抗。在一些实施例中，脉冲压缩电路195可驱动具有快速上升时间的负载120，而不需要多个脉冲压缩电路。在一些实施例中，可包括与脉冲压缩电路195串联的多个脉冲压缩电路。

在一些实施例中，单个脉冲压缩电路195可与变压器电路115和负载120耦接。

在一些实施例中，多个脉冲压缩电路可与变压器电路115和负载120串联和/或并联耦接。每个脉冲压缩电路195可包括具有不同尺寸的电容器和/或电感器。

在一些实施例中，饱和电感器198的值以及次级电容器196的值可被选择成允许次级电容器196在饱和电感器198变得饱和时完全充电。变压器电路115可为次级电容器196充电，它同时使饱和电感器198饱和。当饱和电感器198变得饱和时，次级电容器196可以被完全充电。一旦饱和电感器198饱和，存储在次级电容器196中的能量就可通过饱和电感器198释放到负载120。这可得到快速的上升时间。此外，来自变压器电路116的能量可继续用足够的能量(或电压)驱动脉冲压缩电路195，以使饱和电感器198保持饱和并且从而允许输出脉冲具有需要的脉冲宽度。

图2为根据一些实施例的不使用脉冲压缩电路195形成的脉冲205、以及使用脉冲压缩电路195的在负载120处形成的脉冲210的曲线图200。在此示例中，包括300ohm负载，和/或输出电压为27千伏。脉冲205的上升时间在脉冲压缩电路195之前是160ns，并且在脉冲压缩电路195之后减少到20ns。

图3为示出根据一些实施例的具有不同脉冲宽度的跨负载120的三个脉冲的曲线图300。例如，脉冲305具有100ns的脉冲宽度，脉冲310具有200ns的脉冲宽度，并且脉冲315具有300ns的脉冲宽度。每个脉冲例如具有2ns的相同上升时间。负载120处的脉冲的脉冲宽度可至少部分地取决于变压器电路115所提供的脉冲的脉冲宽度。由此，纳秒脉冲可产生具有可变脉冲宽度的脉冲。

图1所示的变压器116的初级绕组可包括多个初级绕组和一个或多个连续次级绕组。例如，每个初级绕组可包括单个电导体(或电线)，该单个电导体围绕环形变压器铁芯的至少一大部分卷绕并且终止于变压器铁芯的任一侧面或两个侧面上。又如，初级绕组的一个端部可终止于开关106的集电极107处，并且初级绕组的另一个端部可终止于高速电容器110处。可根据具体应用使用任意数目的串联或并联的初级绕组。例如，约10、20、40、50、100、116、200、250、300、500、750、1,000等个或更多个绕组可用于初级绕组。在一些实施例中，初级绕组可包括围绕变压器铁芯卷绕的导电片，而不是围绕变压器铁芯缠绕的多个导体，用于创建以便为多个初级绕组提供补充或替代多个初级绕组。在一些实施例中，铜(或任何其他导电材料)带可围绕变压器铁芯卷绕，用于创建以便为一个或多个初级绕组提供补充或替代一个或多个初级绕组。在一些实施例中，导体可以被喷涂在变压器铁芯上(例如，其间具有绝缘体)，用于创建以便为多个初级绕组提供补充或替代多个初级绕组。在一些实施例中，导体可沉积在变压器铁芯上(例如，使用蒸气沉积技术)，用于创建以便为多个初级绕组提供补充或替代多个初级绕组。

在一些实施例中，单个初级绕组可与单个开关电路105和/或单个高速电容器110耦接。在一些实施例中，可包括多个开关电路105和/或多个高速电容器110，并且多个开关电路中的每一个可与多个初级绕组中的一个耦接。多个绕组可围绕变压器铁芯并联布置。在一些实施例中，此布置可用于减少纳秒脉冲发生器100中的杂散电感。

一个或多个连续次级绕组可包括围绕环形变压器铁芯卷绕多于一次的电导体(或电线)。在一些实施例中，次级绕组的数目可少于初级绕组的数目。在另外的实施例中，次级绕组的数目可大于初级绕组的数目。

在一些实施例中，具有环形变压器铁芯的多个电路板可堆叠在一起，并且次级绕组可围绕每个板的变压器铁芯卷绕，如图5所示。这种布置例如可增加脉冲的峰值电压和/或峰值功率。这种布置还可限制杂散电感和/或杂散电容。

图4示出堆叠变压器布置400的视图，其中两个变压器堆叠在电路板405的顶部和底部上。堆叠变压器布置400包括设置在电路板405顶部上的第一变压器铁芯410和第一多个初级绕组415(在图中仅单个初级绕组被标记有标注415)。堆叠变压器布置400还包括设置在电路板405底部上的第二变压器铁芯435和第二多个初级绕组440(在图中仅单个初级绕组被标记有标注440)。应当注意，环形第一变压器铁芯410和第二变压器铁芯435中的每一个内的内部分(或孔)以虚线示出。此外，与环形变压器铁芯中的孔对齐的电路板中的孔在电路板上以虚线示出。

第一多个初级绕组415中的每一个可围绕第一变压器铁芯410缠绕一次或多次。例如，第一多个初级绕组415中的每一个可在第一变压器铁芯410的外周缘之外终止于电路板405的顶部上，并且在环形第一变压器铁芯410内的孔内终止于电路板405的顶部上。另选地或除此之外，第一多个初级绕组415中的每个绕组可围绕第一变压器铁芯410缠绕一次或多次。第一多个初级绕组415可与一个或多个开关电路(例如，图1所示的开关电路105)、一个或多个高速电容器(例如，高速电容器110)和/或设置在电路板405顶部上的其他部件耦接。另选地或除此之外，第一多个初级绕组415可与单个开关电路(例如，图1所示的开关电路105)和/或单个高速电容器(例如，高速电容器110)耦接。

第二多个初级绕组440中的每一个围绕第二变压器铁芯435缠绕一次或多次。例如，第二多个初级绕组440中的每一个在第二变压器铁芯435的外周缘之外终止于电路板405的底部上，并且在环形第二变压器铁芯435内的孔内终止于电路板405的底部上。另选地或除此之外，第二多个初级绕组440中的每个绕组可围绕第二变压器铁芯435缠绕一次或多次。第二多个初级绕组440可与第二开关电路(例如，图1所示的开关电路105)和/或设置在电路板405底部上的其他部件耦接。

次级绕组450中的每个环或多个环(在图中次级绕组的仅单个环被标记有标注450)围绕第一变压器铁芯410和第二变压器铁芯435两者缠绕。例如，次级绕组450中的每个环或多个环穿过环形第一变压器铁芯410和环形第二变压器铁芯435中的每一个内的孔。在一些构造中，次级绕组450中的每个环或多个环穿过电路板405内的孔。

图5示出堆叠变压器布置500的视图，其中第一电路板505具有第一变压器铁芯510和第一多个初级绕组515(在图中仅单个初级绕组被标记有标注515)。堆叠变压器布置500还包括具有第二变压器铁芯535和第二多个初级绕组540(在图中仅单个初级绕组被标记有标注540)的第二电路板530。堆叠变压器布置500还包括具有第三变压器铁芯560和第三多个初级绕组565(在图中仅单个初级绕组被标记有标注565)的第三电路板555。堆叠变压器布置500还包括具有第四变压器铁芯580和第四多个初级绕组585(在图中仅单个初级绕组被标记有标注585)的第四电路板575。应当注意，第一变压器铁芯510、第二变压器铁芯535、第三变压器铁芯560和第四变压器铁芯580中的每一个的内部分(或孔)以虚线示出。

第一多个初级绕组515中的每一个围绕第一变压器铁芯510缠绕一次或更少。例如，第一多个初级绕组515中的每一个在第一变压器铁芯510之外以及在环形第一变压器铁芯510内的孔内终止于第一电路板505上。另选地或除此之外，第一多个初级绕组515中的每个绕组可围绕第一变压器铁芯510缠绕一次或多次。第一多个初级绕组515可与第一开关电路(例如，图1所示的开关电路105)和/或设置在第一电路板505上的其他部件耦接。

第二多个初级绕组540中的每一个围绕第二变压器铁芯535缠绕一次或更少。例如，第二多个初级绕组540中的每一个在第二变压器铁芯535之外以及在环形第二变压器铁芯535内的孔内终止于第二电路板530上。另选地或除此之外，第二多个初级绕组540中的每个绕组可围绕第二变压器铁芯535缠绕一次或多次。第二多个初级绕组540可与第二开关电路(例如，图1所示的开关电路105)和/或设置在第二电路板530上的其他部件耦接。

第三多个初级绕组565中的每一个围绕第三变压器铁芯560缠绕一次或更少。例如，第三多个初级绕组565中的每一个在第三变压器铁芯560之外以及在环形第三变压器铁芯560内的孔内终止于第三电路板555上。另选地或除此之外，第三多个初级绕组565中的每个绕组可围绕第三变压器铁芯560缠绕一次或多次。第三多个初级绕组565可与第三开关电路(例如，图1所示的开关电路105)和/或设置在第三电路板555上的其他部件耦接。

第四多个初级绕组585中的每一个围绕第四变压器铁芯580缠绕一次或更少。例如，第四多个初级绕组585中的每一个在第四变压器铁芯580之外以及在环形第四变压器铁芯580内的孔内终止于第四电路板575上。另选地或除此之外，第四多个初级绕组585中的每个绕组可围绕第四变压器铁芯580缠绕一次或多次。第四多个初级绕组585可与第四开关电路(例如，图1所示的开关电路105)和/或设置在第四电路板575上的其他部件耦接。

次级绕组550中的每个环或多个环(在图中次级绕组的仅单个环被标记有标注550)围绕第一变压器铁芯510和第二变压器铁芯535两者缠绕。例如，次级绕组550中的每个环或多个环穿过环形第一变压器铁芯510和环形第二变压器铁芯535中的每一个内的孔。在一些构造中，次级绕组550中的每个环或多个环穿过第一电路板505内的孔和/或第二电路板530内的孔。

尽管堆叠变压器布置400和堆叠变压器布置500分别示出具有两个堆叠变压器铁芯和四个堆叠变压器铁芯的堆叠变压器铁芯示例，但也可以任何组合堆叠任何数目的变压器。例如，可将两个变压器与第一电路板如图4所示堆叠成第一堆叠布置，并且可将两个另外的变压器与第二电路板堆叠成第二堆叠布置。第一堆叠布置和第二堆叠布置可随后堆叠在一起以形成另一个堆叠布置。还可使用各种其他组合。

图6为根据一些实施例的多变压器铁芯纳秒脉冲发生器600的示意图。多变压器铁芯纳秒脉冲发生器600包括四个开关电路605-A、605-B、605-C和605-D。在一些实施例中，每个开关电路605例如可包括图1所示的一个或多个开关电路105。在一些实施例中，每个开关电路605例如可包括图1所示的开关电路105的所有或部分。开关电路605可与初级绕组615耦接，该初级绕组至少部分地围绕变压器的变压器铁芯620缠绕。杂散电感610可在开关电路605与初级绕组615之间形成和/或作为其一部分。在一些实施例中，初级绕组615中的一个或多个绕组可与开关电路605中的一个或多个开关耦接。

次级绕组625围绕多变压器铁芯纳秒脉冲发生器600的四个变压器铁芯620-A、620-B、620-C和620-D缠绕。次级绕组625可包括次级杂散电感630和/或次级杂散电容640。在一些实施例中，次级杂散电容640可小于1nF、100pF、10pF、1pF等。在一些实施例中，次级杂散电感630可小于100nH、10nH、1nH等。此外，多变压器铁芯纳秒脉冲发生器600可用于驱动负载635。当杂散电容和/或杂散电感可以被定位贯穿变压器时，可跨次级绕组测量杂散电容和/或杂散电感的值。

尽管在多变压器铁芯纳秒脉冲发生器600中示出了四个开关电路605，但也可在多变压器铁芯纳秒脉冲发生器600中使用任意数目的开关电路605。

在一些实施例中，每个开关电路605中的开关可在不同时间和/或以不同序列来进行切换。例如，开关子集或所有开关中的每个开关可在预定时间段之后接通，直到开关子集或所有开关中的每个开关打开。诸如这种的顺序多变压器铁芯开关布置的示例性输出信号705如图7所示。如图所示，随着开关子集的每个开关打开，输出信号705以逐级的方式增加。在此示例中，第一开关在时间T1打开，并且输出信号705上升到电压V1。第二开关在时间T2打开，并且输出信号705上升到电压V2。第三开关在时间T3打开，并且输出信号705上升到电压V3。第四开关在时间T4打开，并且输出信号705上升到电压V4。在一些实施例中，电压V1、V2、V3和/或V4可大于0.1、0.5、1.0、5、10、50、100、500等千伏。在一些实施例中，时间段T1、T2、T3和/或T4可小于200、100、50、25、10等纳秒。在一些实施例中，每次电压增加的上升时间可小于100、10、1等纳秒。

又如，一个开关子集可在一个时间段接通，并且第二开关子集可在不同的时间段接通。诸如这种的顺序多变压器铁芯开关布置的示例性输出信号805如图8所示。在此示例中，两个开关电路605中的开关在时间T1打开，并且输出信号805上升到电压V1。稍后，在时间T2，开关电路605的另外两个开关在时间T2打开，并且输出信号805上升到电压V2。在一些实施例中，电压V1和/或V2可大于0.1、0.5、1.0、5、10、50、100、500等千伏。在一些实施例中，时间段T1和/或T2可小于200、100、50、25、10等纳秒。在一些实施例中，每次电压增加的上升时间可小于100、10、1等纳秒。

开关电路605中的开关的任何开关组合可能以任何组合和/或序列来打开和/或关闭，从而产生各种输出信号形状或波形。在一些实施例中，控制器、处理器、FPGA等可用于控制接通和断开开关的时序、持续时间、顺序、序列等，从而产生具有各种尺寸、形状和/或构型的波形。

图9示出根据一些实施例的变压器910的侧剖视图，其中单个初级绕组925和单个次级绕组920围绕变压器铁芯910卷绕。尽管仅示出单个初级绕组925和单个次级绕组920，但也可使用任意数目的绕组。此图像仅示出单个初级绕组925和单个次级绕组920，以便示出绕组如何围绕变压器铁芯910独特地缠绕。

在一些实施例中，初级绕组可以被设置成接近铁芯以减少杂散电感。在一些实施例中，次级绕组可与铁芯间隔某个距离以减少杂散电容。

如图所示，初级绕组925在变压器铁芯910的外周缘上终止于衬垫940处，并且在环形变压器铁芯910的中心孔内终止于衬垫941处。在一些实施例中，衬垫941可与电路板905的内层上的导电电路板走线耦接。衬垫940和衬垫941将初级绕组与初级电路电耦接，该初级电路包括例如开关电路(例如，开关电路105)和/或其他部件。

如图所示，次级绕组920通过穿过电路板905中的定位在环形变压器铁芯910周缘处的孔930、环形变压器铁芯910的内孔以及电路板905中的孔911，围绕变压器铁芯910卷绕。次级绕组920的顺序绕组可穿过电路板中的孔930或另一个孔931。除此之外，次级绕组920的顺序绕组可穿过电路板905中的孔911。次级绕组920可与次级电路耦接，该次级电路例如压缩电路、输出部件和/或负载。在一些实施例中，单个次级绕组920可穿过定位在变压器铁芯910周缘上的多个孔和孔911，围绕变压器铁芯910卷绕多次。

图10示出根据一些实施例的纳秒脉冲发生器1000的示例性电路图。纳秒脉冲发生器1000可包括一个或多个开关电路105，所述一个或多个开关电路可包括开关、缓冲电阻器、缓冲电容器、缓冲二极管或它们的某种组合，如图1示出的纳秒脉冲发生器1000中所示。纳秒脉冲发生器1000包括初级电路1030，该初级电路至少包括开关电路105和高速电容器110、和/或与变压器电路115的变压器的初级绕组耦接的任何其他部件。在一些实施例中，缓冲电容器和缓冲二极管可彼此串联并且与开关一起并联布置。缓冲电阻器例如可与缓冲二极管并联布置。

开关电路105的开关可包括可切换高压的任何固态开关装置，例如固态开关、IGBT、FET、MOSFET、SiC结型晶体管或类似装置。开关可包括集电极和发射极。开关电路105可包括与开关结合的各种其他部件。多个开关电路105可能以并联、串联或它们的某种组合与变压器电路115耦接。

开关电路105可与高速电容器110耦接或可包括该高速电容器，该高速电容器可用于储能。在一些实施例中，一个以上的开关电路105可与高速电容器110耦接。在一些实施例中，高速电容器可以是储能电容器。高速电容器110的电容值可为约1μF、约5μF、介于约1μF与约5μF之间、介于约100nF与约1,000nF之间等。

高速电容器110可具有被示出为杂散电感器1020的杂散电感。此杂散电感可以是高速电容器110的杂散电感、以及与高速电容器和/或与其他部件的任何连接(例如，与开关电路105和/或变压器电路115的连接)相关联的杂散电感。在一些实施例中，杂散电感器1020的电感可小于1nH、5nH、20nH、50nH、100nH等。

在开关的切换期间，可将高速电容器110中的能量释放到变压器电路115的初级绕组。此外，在一些实施例中，高速电容器110内的能量可能未在每个开关周期期间基本上耗尽，这可允许较高的脉冲重复频率。例如，在一个开关周期中，存储在高速电容器110内的能量的5％至50％可耗尽。又如，在一个开关周期中，存储在高速电容器110内的能量的10％至40％可耗尽。另如，在一个开关周期中，存储在高速电容器110内的能量的15％至25％可耗尽。

开关电路105和高速电容器110可与变压器电路115耦接。变压器电路115例如可包括变压器、电容器、电感器、电阻器、其他装置或它们的某种组合。变压器可包括环形变压器铁芯，其中多个初级绕组和多个次级绕组围绕变压器铁芯缠绕。在一些实施例中，可能存在比次级绕组更多的初级绕组。

变压器电路115可包括杂散电容和/或杂散电感。杂散电容器185表示变压器初级到次级杂散电容。杂散电容器190表示变压器次级杂散电容。电感器155表示变压器的初级杂散电感，并且电感器160表示变压器的次级杂散电感。

杂散电感器1015表示变压器电路115和/或变压器杂散电感。此杂散电感可包括变压器初级到次级杂散电感、和/或与变压器电路115和/或与其他部件的任何连接(例如，与开关电路105和/或高速电容器110的连接)相关联的杂散电感。在一些实施例中，杂散电感器1015的电感可小于1nH、5nH、20nH、50nH、100nH等、介于约1nH与1,000nH之间、小于约100nH、或小于约500nH等。

在一些实施例中，变压器116可包括环形变压器铁芯，该环形变压器铁芯包括：空气、铁、铁氧体、软铁氧体、MnZn、NiZn、硬铁氧体、粉末、镍铁合金、无定形金属、金属玻璃或它们的某种组合。

在一些实施例中，变压器初级到次级杂散电容和/或变压器次级杂散电容可低于约1pF，低于约100pF、约10pF、约20pF等。在一些实施例中，次级杂散电容和初级杂散电容的总和可小于约50pF、75pF、100pF、125pF、135pF等。

在一些实施例中，纳秒脉冲发生器可以被设计成具有低杂散电容。例如，纳秒脉冲发生器内的所有杂散电容的总和可低于500pF。这可包括变压器电路杂散电容、开关电路杂散电容、其他杂散电容或它们的某种组合。

变压器116的初级绕组可包括多个单绕组。例如，每个初级绕组可包括单电线，该单电线围绕环形变压器铁芯的至少一大部分卷绕，并且终止于变压器铁芯的任一侧面上。又如，初级绕组的一个端部可终止于开关的集电极(例如，图1所示的集电极107)处，并且初级绕组的另一个端部可终止于高速电容器110处。可根据具体应用使用任意数目的串联或并联的初级绕组。例如，约10、20、40、50、100、116、200、250、300等个或更多个绕组可用于初级绕组。

在一些实施例中，单个初级绕组可与单个开关电路105耦接。在一些实施例中，可包括多个开关电路，并且多个开关电路中的每一个可与多个初级绕组中的一个耦接。多个绕组可围绕变压器铁芯并联布置。在一些实施例中，此布置可用于减少纳秒脉冲发生器1000中的杂散电感。

纳秒脉冲发生器1000可具有部件之间的低杂散电感。例如，杂散电感器1005示出与广义高速电容器110和广义开关电路105之间的连接相关联的杂散电感。杂散电感器1005可至少部分地包括高速电容器110、开关电路105、开关电路105内的开关、这些部件之间的连接和/或电路板中的杂散电感。在一些实施例中，杂散电感器1005的电感可小于1nH、5nH、20nH、50nH、100nH等、介于约1nH与1,000nH之间、小于约100nH、或小于约500nH等。

又如，杂散电感器1010示出与广义开关电路105和广义变压器电路116之间的连接相关联的杂散电感。杂散电感器1010可至少部分地包括开关电路105、开关电路105内的开关中的杂散电感，变压器电路115、变压器电路115内的变压器、变压器电路116内的变压器的初级绕组、这些部件之间的连接和/或电路板中的杂散电感。在一些实施例中，杂散电感器1010的电感可小于1nH、5nH、20nH、50nH、100nH等、介于约1nH与1,000nH之间、小于约100nH、或小于约500nH等。

又如，杂散电感器1015示出与高速电容器110和广义变压器电路116之间的连接相关联的杂散电感。杂散电感器1010可至少部分地包括高速电容器110中的杂散电感，变压器电路115、变压器电路115内的变压器、变压器电路116内的变压器的初级绕组、这些部件之间的连接和/或电路板中的杂散电感。在一些实施例中，杂散电感器1015的电感可小于1nH、5nH、20nH、50nH、100nH等、介于约1nH与1,000nH之间、小于约100nH、或小于约500nH等。

术语“广义”描述理想化元件(例如，变压器电路115和/或变压器电路115内的变压器)连同关联的非理想元件(例如，杂散电感1005、1110、1115和1020、和/或任何杂散电容)的组合。

图10所示和上文所描述的杂散电感可包括在图1的纳秒脉冲发生器100中。

变压器电路115内的变压器(例如，图1所示的变压器116)的次级绕组可包括围绕变压器铁芯以任何次数卷绕的单电线。例如，次级绕组可包括5、10、20、30、40、50、100等个绕组。在一些实施例中，次级绕组可围绕变压器铁芯并且通过电路板的部分卷绕(例如，如图9所示)。例如，变压器铁芯可定位在电路板上，其中电路板中的多个狭槽围绕变压器铁芯的外部轴向布置，并且电路板中的内部狭槽定位在环形变压器铁芯的中心内。次级绕组可围绕环形变压器铁芯卷绕，并且通过狭槽和内部狭槽卷绕。次级绕组可包括高压电线。

本文公开并描述了本发明的各种实施例。本发明可延伸到每个公开实施例的全部或一些的任何组合而不受限制。

术语“基本上”意味着参照制造公差或在制造公差内的值的5％或10％之内。

本文所论述的一个或多个系统不限于任何特定的硬件架构或构造。

在本文中使用“被适于”或“被构造成”意味着不排除被适于或构造成以执行另外的任务或步骤的装置的开放性和包含性语言。除此之外，“基于”的使用意味着是开放性和包含性的，因为“基于”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中也可以基于超出所述那些的另外的条件或值。本文所包括的标题、列表和编号仅仅是为了便于解释，而不意味着限制。

尽管已经相对于其具体实施例详细描述了本主题，但是应当理解，本领域技术人员在获得对前述内容的理解时，可以容易地产生对这些实施例的更改、变化和等同形式。因此，应当理解，出于示例性目的而非限制性目的而呈现本公开，并且本公开不排除包括对本主题的此类修改、变化和/或添加，这对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。

Claims (22)

1.一种纳秒脉冲发生器，包括：

一个或多个开关电路，所述一个或多个开关电路包括一个或多个固态开关；

变压器，包括：

第一变压器铁芯；

第一初级绕组，所述第一初级绕组至少部分地围绕所述第一变压器铁芯的一部分缠绕，所述一个或多个开关电路中的每一个与所述第一初级绕组的至少一部分耦接；以及

次级绕组，所述次级绕组至少部分地围绕所述第一变压器铁芯的一部分缠绕；以及

输出，所述输出与所述次级绕组电耦接，用于输出具有比约1千伏大的峰值电压和比150纳秒小的上升时间的电脉冲。

2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，进一步包括设置在所述次级绕组与所述输出之间的脉冲压缩电路。

3.根据权利要求2所述的纳秒脉冲发生器，其中所述脉冲压缩电路至少包括与所述输出串联布置的饱和电感器、以及与所述输出并联布置的次级电容器。

4.根据权利要求3所述的纳秒脉冲发生器，其中所述饱和电感器具有小于约100μH的电感，并且所述次级电容器具有小于约100nF的电容。

5.根据权利要求3所述的纳秒脉冲发生器，其中所述饱和电感器与所述输出并联布置。

6.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述第一初级绕组包括至少部分地围绕所述第一变压器铁芯的一部分缠绕的多个初级绕组，并且其中所述一个或多个开关电路中的每一个与所述初级绕组的子集耦接。

7.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，进一步包括第二一个或多个开关电路，

其中所述变压器进一步包括第二变压器铁芯和至少部分地围绕所述第二变压器铁芯的一部分缠绕的第二初级绕组，

其中所述第二一个或多个开关电路中的一个或多个与所述第二初级绕组耦接，以及

其中所述第二初级绕组至少部分地围绕所述第一变压器铁芯和所述第二变压器铁芯的一部分缠绕。

8.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，其中所述第一变压器铁芯包括所述第一变压器铁芯中的孔，其中所述次级绕组穿过所述第一变压器铁芯中的所述孔，并且所述第一初级绕组穿过所述第一变压器铁芯中的所述孔。

9.根据权利要求1所述的纳秒脉冲发生器，进一步包括具有顶表面和多个孔的第一电路板；

其中所述第一初级绕组终止于所述第一电路板的所述顶表面上；以及

其中所述次级绕组穿过所述多个孔中的至少两个。

10.一种纳秒脉冲发生器，包括：

第一开关电路；

第一变压器铁芯；

第一初级绕组，所述第一初级绕组与所述第一开关电路电耦接并且至少部分地围绕所述第一变压器铁芯卷绕；

第二开关电路；

第二变压器铁芯，所述第二变压器铁芯邻近所述第一变压器铁芯设置；

第二初级绕组，所述第二初级绕组与所述第二开关电路电耦接并且至少部分地围绕所述第二变压器铁芯卷绕；

次级绕组，所述次级绕组围绕所述第一变压器铁芯和所述第二变压器铁芯卷绕；以及

输出，所述输出与所述次级绕组耦接。

11.根据权利要求10所述的纳秒脉冲发生器，其中所述输出提供具有比约1千伏大的峰值电压和比150纳秒小的上升时间的电脉冲。

12.根据权利要求10所述的纳秒脉冲发生器，进一步包括设置在所述第一变压器铁芯与所述第二变压器铁芯之间的电路板。

13.根据权利要求12所述的纳秒脉冲发生器，

其中所述第一变压器铁芯具有孔；

其中所述第二变压器铁芯具有孔；

其中所述电路板具有与所述第一变压器的所述孔和所述第二变压器的所述孔对齐的孔；并且

其中所述次级绕组穿过所述第一变压器铁芯中的所述孔、所述第二变压器铁芯中的所述孔和所述电路板中的所述孔。

14.根据权利要求12所述的纳秒脉冲发生器，

其中所述第一变压器铁芯具有孔和周缘；

其中所述第一变压器铁芯设置在所述电路板的顶表面上；并且

其中所述第一初级绕组包括第一多个绕组，所述第一多个绕组在所述第一变压器铁芯的所述周缘附近以及在所述第一变压器铁芯的所述孔附近与所述电路板电耦接。

15.根据权利要求14所述的纳秒脉冲发生器，

其中所述第二变压器铁芯具有孔和周缘；

其中所述第二变压器铁芯设置在所述电路板的底表面上；并且

其中所述第二初级绕组包括第二多个绕组，所述第二多个绕组在所述第二变压器铁芯的所述周缘附近以及在所述第二变压器铁芯的所述孔附近与所述电路板电耦接。

16.根据权利要求10所述的纳秒脉冲发生器，进一步包括第一电路板和第二电路板；

其中所述第一变压器铁芯具有孔，并且设置在所述第一电路板上；

其中所述第二变压器铁芯具有孔，并且设置在所述第二电路板上；

其中所述第一电路板具有与所述第一变压器铁芯的所述孔和所述第二变压器铁芯的所述孔对齐的孔；

其中所述第二电路板具有与所述第一变压器铁芯的所述孔和所述第二变压器铁芯的所述孔对齐的孔；并且

其中所述次级绕组穿过所述第一变压器铁芯中的所述孔、所述第二变压器铁芯中的所述孔、所述第一电路板中的所述孔和所述第二电路板中的所述孔。

17.根据权利要求10所述的纳秒脉冲发生器，进一步包括设置在所述次级绕组与所述输出之间的脉冲压缩电路。

18.根据权利要求10所述的纳秒脉冲发生器，其中所述次级绕组包括围绕所述第一变压器铁芯和所述第二变压器铁芯卷绕多次的单个导体。

19.一种纳秒脉冲发生器，包括：

一个或多个开关电路，所述一个或多个开关电路包括一个或多个固态开关；

与所述开关电路串联设置的高速电容器；

变压器，包括：

第一变压器铁芯；

第一初级绕组，所述第一初级绕组至少部分地围绕所述第一变压器铁芯的一部分缠绕，所述一个或多个开关电路中的每一个与所述第一初级绕组的至少一部分耦接；以及

次级绕组，所述次级绕组至少部分地围绕所述第一变压器铁芯的一部分缠绕；以及

输出，所述输出与所述次级绕组电耦接，用于输出具有比约1千伏大的峰值电压和比约150纳秒小的上升时间的电脉冲。

20.根据权利要求19所述的纳秒脉冲发生器，其中与所述一个或多个开关电路和所述高速电容器之间的连接相关联的任何杂散电感小于50nH。

21.根据权利要求19所述的纳秒脉冲发生器，其中与所述高速电容器和所述变压器之间的连接相关联的任何杂散电感小于50nH。

22.根据权利要求19所述的纳秒脉冲发生器，其中与所述变压器和所述一个或多个开关电路之间的连接相关的任何杂散电感小于50nH。