CN106787924B - 一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准方波脉冲发生器，具体涉及一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，属于脉冲功率技术领域。所述脉冲发生器由脉冲形成模块、脉冲升压模块、负载三大部分组成。脉冲形成模块的输入端与初级储能系统的输出端相连接，脉冲形成模块的输出端与脉冲升压模块的输入端相连接，脉冲升压模块的输出端与负载相连接。本发明要解决的技术问题是克服现有脉冲形成模块所需网络节数过多、寿命短、输出波形平顶稳定性较差和脉冲升压模块波形畸变严重、脉冲升压比低等不足，提出了一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，具有成本较低、网络节数少、免维护、电压升压比高且脉冲波形无畸变等优势，实现了平顶稳定性好的高电压长脉宽准方波脉冲输出。

Description

一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种准方波脉冲发生器，具体涉及一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，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、消毒、食品和废水处理等领域。

背景技术

脉冲功率技术起源于20世纪60年代初期，随着现代工业、农业、环保、医学、生物电子学和国防等众多领域的发展，研究和发展具有高功率、长脉宽、集成紧凑化和长使用寿命等特点的准方波脉冲发生器是一个亟待解决的重要问题。

根据储能类型不同，脉冲发生器可分为电感储能型和电容储能型。电感储能型装置具有储能密度高的优点，易于实现系统小型化。然而此类脉冲功率发生器往往需要一个能提供大电流的电源，另外稳定的断路开关制造难度较大。电容储能型装置具有能量转换效率高、重频运行能力强、阻抗调节范围大等优点，实际上目前大多数发生器仍然采用电容储能方式。电容储能型脉冲发生系统通常可分为四大模块：初级储能模块、脉冲形成模块、升压模块和负载，其中，脉冲形成模块和升压模块是整个系统的核心部分。

在脉冲形成模块中主要有两大类：脉冲形成线技术(PFL)和脉冲形成网络技术(PFN)。在输出超过200ns的长脉冲时，PFL由于成本高、体积巨大，较少被采用；而PFN具有储能密度高等优势，是产生长脉冲输出的主要技术途径。随着材料技术迅猛发展，陶瓷和云母等一系列新型高介电常数的材料已经逐渐进入实用化阶段。这类材料由于具有高介电常数和良好的耐压特性，能够使储能部件缩减到相当小的体积，同时还能保证一定功率容量；而其固态化的特性又有利于模块化组装和更好的环境适应性，为PFN的应用打下了良好的基础。脉冲形成网络可以分为等电容等电感网络和Guillemin网络。已有的关于等电容等电感网络的技术报道包括李志强，杨建华和张建德等2014年在《强激光与粒子束》上发表的论文《固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器》【李志强，杨建华，张建德，等，“固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器”，强激光与粒子束，2014，Vol.26，No.6，065004】(下文称背景技术一)。该网络得益于脉冲电容器的商品化和较低的造价，目前仍是最常用的脉冲形成网络形式，但其输出准方波时所需网络节数较多且波形受寄生参数影响较大，波形平顶质量较差；而Guillemin网络可分为串联谐振式网络、反谐振式网络、链形网络、梯形网络和等电容网络，其中，由一节LC串联谐振网络和多节LC并联谐振网络构成的反谐振网络，由于其能将LC串联放电电路(比如Marx发生器)的正弦输出波形调制成方波波形且可降低对电容器内感和绝缘要求而具有非常现实的意义。由于Guillemin网络多采用特定值的电容和电感，制造和采购的难度较大，通常要设计五节或五节以上的网络才能输出波形质量较好的方波，网络节数多且易受结构尺寸限制以及寄生参数的影响，波形难以调节，而减少网络节数又无法获得理想的准方波脉冲输出，难以广泛应用。因此，寻求一种成本较低、网络节数少、免维护、长寿命、适合工业应用的准方波脉冲发生器对于实现高功率脉冲驱动源的紧凑化、固态化发展具有重要的意义。

在脉冲发生器的升压模块中，升压技术主要分为两大类：一类是先升压、再成形技术，或称为逐级脉冲压缩技术，以Marx发生器-PFL、Tesla变压器-PFL为典型代表；另一类是先成形、再升压技术，或称为脉冲叠加型技术，以PFL-感应叠加器、PFN-传输线变压器(PFN-TLT)为典型代表。采用脉冲叠加型技术的脉冲发生器，其最终高压的承受时间较短，只有百ns量级，相对于逐级脉冲压缩技术系统的μs至10μs量级，时间得到了明显减少，提高了高压储能及传输器件的耐压程度，最重要的是采用先成形、再升压技术可以明显的降低其对于开关的耐压要求，对高功率脉冲驱动源的发展具有重要的意义。

当前，在脉冲功率技术领域，传统脉冲变压器上升时间和带宽受变压器的漏电感和绕组自电容的限制无法做到高频(ns)脉冲的无畸变传输；脉冲幅值下降也难以解决，一般传统变压器可通过增加初级绕组的电感来加以改善幅值下降，但这样做必然增加漏电感，从而使脉冲上升前沿变差。已有的关于传输线变压器(TLT)的技术报道包括Jian Qiu，Kefu Liu 2007年在美国电气和电子工程师协会(IEEE)主办的期刊《绝缘体与电绝缘汇刊》(IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation)上发表的论文《一种基于功率半导体开关和传输线变压器的脉冲功率源》(Jian Qiu，Kefu Liu，“A PulsedPower Supply Based on Power Semiconductor Switches and Transmission LineTransformer”，IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，Vol.14，No.4，pp：927-930.)(下文称背景技术二)。和传统脉冲变压器相比，TLT在脉冲幅值下降度、脉冲频率响应能力和脉冲上升前沿方面具有很强的潜在优势。因此，应用TLT作为准方波脉冲发生器的升压装置前景光明，且TLT能够更好地满足高功率脉冲驱动源的紧凑化、固态化要求。在理想的情况下，TLT的输出升压比应该等于其级数，但实际中由于次级寄生线的存在，不仅限制了输入脉冲的宽度，还会引起输出波形的畸变和脉冲平顶的下降。因此，在脉冲功率技术领域，用TLT来进行倍压的应用仍相对少见。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有脉冲形成模块所需网络节数过多、寿命短、输出波形平顶稳定性较差和脉冲升压模块波形畸变严重、脉冲幅值下降等不足，提出了一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，此装置具有成本较低、网络节数少、免维护、长寿命且脉冲波形无畸变等优势，实现了平顶稳定性好的高电压长脉宽准方波脉冲输出，可以应用于高功率微波、消毒、食品和废水处理等领域。

本发明采用以下技术方案：一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，所述脉冲发生器由脉冲形成模块、脉冲升压模块、负载三大部分组成。脉冲形成模块的输入端与初级储能系统的输出端相连接，脉冲形成模块的输出端与脉冲升压模块的输入端相连接，脉冲升压模块的输出端与负载相连接。

所述脉冲形成模块由三节反谐振网络构成，具体由高压开关S、一节串联谐振网络和两节并联谐振网络组成：串联谐振网络由主电容C₁和主电感L₁串联组成；第一节并联谐振网络由第一节调制电容C₂和第一节调制电感L₂并联组成；第二节并联谐振网络由第二节调制电容C₃和第二节调制电感L₃并联组成。所述串联谐振网络的主电容C₁的一端与高压开关S的一端和初级储能系统的高压输出端连接，主电容C₁的另一端与主电感L₁的一端连接，高压开关S的另一端接地；主电感L₁的另一端与第一节并联谐振网络的一端连接，第一节并联谐振网络的另一端与第二节并联谐振网络的一端连接，第二节并联谐振网络的另一端即为脉冲形成模块的输出端，与脉冲升压模块的输入端相连接。本发明所述脉冲形成模块只需对主电容C₁进行充电，其他电容或电感只用于调整输出端的波形，无需对其进行充电，可大大降低对电容器的绝缘要求，实现平顶稳定性好的高电压准方波脉冲的输出。

所述主电容C₁、调制电容C₂和C₃的电容值以及主电感L₁、调制电感L₂和L₃的电感值根据所需输出的脉冲宽度和特性阻抗确定，具体参数根据以下公式计算：

其中：τ为输出准方波的脉冲宽度，ρ为脉冲形成网络的特性阻抗。

所述脉冲升压模块由第1级TLT、第2级TLT、…、第N级(N≥1)TLT组成。TLT采用同轴传输线，所述同轴传输线的内芯采用的是同轴电缆，并以同轴电缆的铜芯作为内导体，同轴电缆的绝缘层作为同轴传输线的绝缘介质，同轴电缆外包一层铜皮作为同轴传输线的外导体，此同轴传输线的阻抗可以表示为：

式中，D为同轴电缆外包铜皮的内径，d为同轴电缆铜内芯的外径，ε_r为同轴电缆绝缘层的相对介电常数。

传输线变压器中次级寄生线的产生是其能量效率不高且波形产生畸变的首要原因，因此，次级寄生线的抑制是关系到TLT能否广泛应用的关键技术。抑制次级寄生线对输出结果的影响主要有两种方法:其一是通过增加同轴传输线的电长度l，使得次级寄生线电长度的两倍大于输入脉冲的宽度，从而实现主脉冲的无畸变传输，但此方法仍无法抑制脉冲幅值的损失；其二是通过提高次级寄生线的阻抗值，当次级寄生线的阻抗值远大于每级传输线的特性阻抗值时，脉冲幅值的损失可以忽略，且在充分减小杂散电容及接头电感的情况下可以实现主脉冲的无畸变传输。

为抑制TLT次级寄生线的影响，本发明一方面增加了同轴传输线长度l，有效抑制了波反射造成的波形畸变。经计算，同轴传输线的长度l可以表示为：

式中，ε₀为真空中的介电常数，ε_r为同轴电缆绝缘层的相对介电常数，μ₀为真空中的磁导率，μ_r为同轴电缆绝缘层的相对磁导率，c为真空中的光速。

另一方面，为了有效提高次级寄生线的阻抗，每级TLT均采用电感绕法，绕在用PP做成的圆筒上。当所需要传输线的长度l较长(超过15米)时，可以采用多层密绕的方式，将传输线绕在多个PP圆筒上，圆筒上刻上合适的刻槽以方便传输线的绕制和固定，每个圆筒的直径应满足圆筒之间能够以大筒套小筒的方式嵌套以达到紧凑化的目的。同时，每级TLT嵌套的圆筒个数为奇数个，以避免将TLT的输入端和输出端置于圆筒的同一侧。

所述脉冲升压模块的连接方式如下：N级TLT采用输入端并联，输出端串联的方式来实现N级倍压输出：即在升压模块的输入端，每级TLT的同轴电缆的铜内芯(高压端)相互并联后与脉冲形成模块的输出端连接，同轴电缆的外包铜皮相互并联接地；在升压模块的输出端，第一级TLT同轴电缆的铜内芯(高压端)与负载的一端连接，其外包铜皮与第二级TLT的同轴电缆的铜内芯连接，第二级TLT的同轴电缆的外包铜皮与第三极TLT同轴电缆的铜内芯连接，……，第(N-1)级TLT的同轴电缆的外包铜皮与第N级TLT的同轴电缆的铜内芯连接，第N级TLT的同轴电缆的外包铜皮与负载的另一端连接，同时接地。假设TLT的输入端电压为V₀，每级TLT的自身阻抗为Z₀，则通过此连接方式后，N级TLT输入端的阻抗减小为Z₀/N，输出端的阻抗增大为Z₀×N，在阻抗匹配的情况下输出端电压也增至V₀×N。

所述负载的阻值要与TLT的输出阻抗Z₀×N匹配，耐压值要高于TLT的输出电压V₀×N。

主电容C₁和调制电容C₂、C₃由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，负载由单个高压玻璃釉电阻器或由多个普通电阻器通过串联和/或并联组成,也可为具有一定电阻的高压处理腔。

本发明的优点在于：

1.本发明中的脉冲形成模块与传统的脉冲形成网络不同，仅采用了单个电容作为储能单元，工作时只需要对单个电容进行充电，而不需要对所有的电容器都进行充电。

2.本发明中的脉冲形成模块中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.本发明中的脉冲形成模块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。

4.本发明的脉冲升压模块中的传输线变压器和传统脉冲变压器不同，其在脉冲幅值下降度、脉冲频率响应能力和脉冲上升前沿方面具有很强的潜在优势；获得N倍高压时，传统的N级MARX发生器需要N个高压开关，而本发明的N级传输线变压器不需要任何的高压开关，可以避免开关的离散作用，具有免维护长寿命的特点，适合工业应用。

5.本发明的脉冲升压模块中的传输线变压器升压比高，电压损失小，且除了具有倍压的作用外，还具有整形滤波的作用，对高频噪声具有抑制作用。

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为背景技术所述李志强，杨建华和张建德等2014年在《强激光与粒子束》上发表的论文《固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器》(李志强，杨建华，张建德，等，“固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器”，强激光与粒子束，2014，Vol.26，No.6，065004)中，公布的10级PFN-Marx脉冲发生器的电路图和输出波形图(背景技术一)；其中，图1a为10级PFN-Marx脉冲发生器中每级的等效电路图；图1b为此10级PFN-Marx脉冲发生器的输出波形图；

图2为背景技术所述Jian Qiu，Kefu Liu 2007年在美国电气和电子工程师协会(IEEE)主办的期刊《绝缘体与电绝缘汇刊》(IEEE Transactions on Dielectrics andElectrical Insulation)上发表的论文《一种基于功率半导体开关和传输线变压器的脉冲功率源》【Jian Qiu，Kefu Liu，“A Pulsed Power Supply Based on Power SemiconductorSwitches and Transmission Line Transformer”，IEEE Transactions on Dielectricsand Electrical Insulation，2007，Vol.14，No.4，pp：927-930.】中，公布的10级传输线变压器的实物装置图(背景技术二)；

图3为本发明的高电压长脉宽准方波脉冲发生器的等效电路图；

图4为本发明实施例中基于三节反谐振网络和三级传输线变压器的高电压长脉宽准方波脉冲发生器的主视结构图；

图5为本发明实施例中脉冲形成模块主视结构图；

图6a为本发明实施例中单级TLT的主视结构图；

图6b为本发明实施例中单级TLT的横截面剖面图；

图7位本发明实施例中基于三节反谐振网络和三级传输线变压器的高电压长脉宽准方波脉冲发生器的实验输出波形图。

图3中的标号说明如下：

1脉冲形成模块等效电路图、2脉冲升压模块等效电路图。

图4中的标号说明如下：

3脉冲形成模块、4脉冲升压模块、4-1第一级TLT模块、4-2第二级TLT模块、4-3第三级TLT模块、5带直角支架的长方形绝缘板。

图5中的标号说明如下：

6高压开关、7主电容、8第一级调制电容、9第二级调制电容、10第一级调制电感、11第二级调制电感、12铜板、13绝缘底座、14支撑杆。

图6a中的标号说明如下：

15同轴传输线、16固定圆板、17绝缘通杆、18绝缘螺帽。

图6b中的标号说明如下：

标号15-18与图6a中的标号说明完全相同、19绝缘内筒、20绝缘中筒、21绝缘外筒。

图7中的标号说明如下：

22充电波形、23脉冲形成模块输出波形、24TLT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1a所示，该电路图为背景技术一所述李志强，杨建华和张建德等2014年在《强激光与粒子束》上发表的论文《固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器》(李志强，杨建华，张建德，等，“固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器”，强激光与粒子束，2014，Vol.26，No.6，065004)中，公布的10级PFN-Marx脉冲发生器的每级的等效电路图。该10级PFN-Marx发生器共包括10级PFN-Marx单元，每一级PFN-Marx单元为一个四节等电容等电感网络，包含6个充电电感L_p、1个保护电感L、1个开关等效电感L_s、4个电容器C_p、1个触发开关和3个自击穿开关。此技术是目前高电压长脉宽准方波脉冲发生器采用最多且最为成熟的电路，电路采用的网络节数一般都在四节及以上，级数也相对较多，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；同时，此种装置需要对所有的电容进行充电，容易造成充电不均匀，且开关的时序要控制得当，否则难以获得理想的高电压方波脉冲输出。

图1b为背景技术一所述10级PFN-Marx脉冲发生器的输出波形图。从图中可以看出，采用此技术的准方波脉冲发生器难以输出波形平顶较好的准方波，且易受分布参数的影响，造成脉冲后沿过长的问题。

图2为背景技术二所述Jian Qiu，Kefu Liu 2007年在美国电气和电子工程师协会(IEEE)主办的期刊《绝缘体与电绝缘汇刊》(IEEE Transactions on Dielectrics andElectrical Insulation)上发表的论文《一种基于功率半导体开关和传输线变压器的脉冲功率源》【Jian Qiu，Kefu Liu，“A Pulsed Power Supply Based on Power SemiconductorSwitches and Transmission Line Transformer”，IEEE Transactions on Dielectricsand Electrical Insulation，2007，Vol.14，No.4，pp：927-930.】中，公布的10级传输线变压器的实物装置图。为实现装置的紧凑化、模块化，此TLT采用电感线绕法将传输线绕在绝缘材料做成的轴心上，每级传输线之间用绝缘隔板相互隔开。实验发现此10级传输线变压器能够传输峰值电压达到10kV以上，频率达到10kHz的脉冲，但是在匹配负载上却只能够获得4倍左右的倍压，与理想的10倍电压升压比差距较大，主要是因为该结构未能很好的抑制TLT的次级寄生线，造成了能量的流失。

图3为本发明的高电压长脉宽准方波脉冲发生器的等效电路图。本发明的工作原理为：脉冲形成模块1先对初级能源提供的能量进行能量压缩和波形整形，使其输出准方波脉冲，此脉冲通过脉冲升压模块2的滤波和升压作用，在负载R上可以获得百kV以上的高电压准方波脉冲输出。本发明的基于三节反谐振网络的脉冲形成模块1，基本电路包括3个电容C₁、C₂、C₃和3个电感L₁、L₂、L₃，且3个电容为非等电容，3个电感为非等电感。外部初级储能系统先对主电容C₁进行充电，充电完成后高压开关闭合，主电容C₁开始对后面的电路进行放电，同时对并联谐振网络的调制电容C₂、C₃进行充电。在负载匹配的情况下，当主电容C₁放电脉冲峰值下降至最大幅值的75％左右时，不再对电容C₂、C₃进行充电，此时3个电容通过3个电感同时对负载进行放电，3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。本发明的基于传输线变压器的脉冲升压模块2，基本电路包括N级TLT，且所有N级TLT的输入端并联，输出端依次串联。脉冲形成模块1的输出电脉冲馈入N级TLT的并联输入端，通过传输线的中间储能和整形作用，可以在TLT的输出端获得N倍于输入端的高电压。

国防科技大学采用本发明实施方式设计了基于三节反谐振网络和三级传输线变压器的高电压长脉宽准方波脉冲发生器，准方波脉宽τ＝400ns，反谐振网络特征阻抗ρ＝20Ω，负载阻抗R＝180Ω。为验证本发明的脉冲发生器的特性，根据设计的参数设计了图4所示的实验装置并进行了实验验证。

图4为本发明实施例基于三节反谐振网络和三级传输线变压器的高电压长脉宽准方波脉冲发生器的主视结构图。本发明由脉冲形成模块3、脉冲升压模块4、负载三大部分组成。其中，脉冲形成模块3由三节反谐振网络构成，脉冲升压模块4由第一级TLT模块4-1、第二级TLT模块4-2和第三级TLT模块4-3构成。整个系统可固化成一个长方体模块，可用两块平行的带直角支架的长方形绝缘板5固定。此三级TLT采用输入端并联，输出端串联的方式来实现三级倍压输出。即在升压模块4的输入端，每级TLT的同轴电缆的铜内芯(高压端)相互并联，铜外皮(接地端)也相互并联，并通过绝缘螺杆和螺帽固定在长方形板上；在升压模块4的输出端，第一级TLT的同轴电缆的铜内芯(高压端)通过金属螺杆与负载的一端连接，外包铜皮与第二级TLT的同轴电缆的铜内芯连接，通过绝缘螺杆固定在长方形板上，第二级TLT同轴电缆的外包铜皮与第三极TLT的同轴电缆的铜内芯连接，同样通过绝缘螺杆固定在长方形板上，第三级TLT的同轴电缆的外包铜皮与负载的另一端连接，同时接地并固定在长方形板上。假设TLT的输入端电压为V₀，每级TLT的自身阻抗为Z₀，则通过此连接方式后，三级TLT输入端的阻抗减小为Z₀/3，输出端的阻抗增大为3×Z₀，在阻抗匹配的情况下输出端电压也增至3×V₀。脉冲形成模块3的输入端与初级能源的输出端相连接，其输出端与脉冲升压模块4的输入端相连接，脉冲升压模块4的输出端与负载相连接。基于三节反谐振网络和三级传输线变压器的高电压长脉宽准方波脉冲发生器的输入端为脉冲形成模块3的输入端，输出端即为负载高压输出极，与脉冲升压模块4的输出端相连。

图5为本发明实施例中脉冲形成模块3主视结构图。本发明脉冲形成模块3由高压开关6、单节串联谐振网络和两节并联谐振网络组成。其中，串联谐振网络由主电容7和主电感串联组成，主电感通过电路的连接电感和回路中的结构电感提供；第一节并联谐振网络由第一级调制电容8和第一级调制电感10并联组成；第二节并联谐振网络由第二级调制电容9和第二级调制电感11并联组成；主电容7、第一级调制电容8和第二级调制电容9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；通过公式(1)计算可得脉冲形成模块的具体参数如下：主电容C₁＝8.7nF，主电感L₁＝1.6μH，第一级调制电容C₂＝9.0nF，第一级调制电感L₂＝96nH，第二级调制电容C₃＝5.0nF，第二级调制电感L₃＝680nH。脉冲形成模块中的电气连接均采用金属铜板12以减小连接电感，整个模块集成在一块长方形的绝缘底座13的上方，并通过两个支撑杆14将其固定于两块平行的带直角支架的长方形绝缘板5。主电容7的一端与第一级调制电容8的一端连接，主电容7的另一端与高压开关6的一端和初级能源的输出端连接，高压开关6的另一端接地；第一级调制电容8的另一端与第二级调制电容9的一端连接，第二级调制电容9的另一端与主电感的一端连接，主电感的另一端即为脉冲形成模块3的输出端，与脉冲升压模块4的输入端相连接。

图6a为本发明实施例中单级TLT的主视结构图；图6b为本发明实施例中单级TLT的横截面剖面图。本发明的每级TLT的长度、直径、结构等完全相同，均由同轴传输线15、绝缘内筒19、绝缘中筒20、绝缘外筒21、固定圆板16、绝缘通杆17(两端带螺杆)、绝缘螺帽18组成。同轴传输线15的相关参数如下：将绝缘材料的介电常数ε_r＝2.3及同轴线的尺寸D＝11mm，d＝2.4mm代入公式(2)计算可得，此传输线的特征阻抗约为Z₀≈60Ω，将传输脉冲的脉冲宽度τ＝400ns和绝缘材料的介电常数ε_r＝2.3，相对磁导率μ_r＝1.0代入式(3)计算可得传输线的长度至少要有40m。因传输线长度较长，故采用三个直径不同的圆筒：绝缘内筒19、绝缘中筒20、绝缘外筒21嵌套的方式来固定同轴传输线15，三个圆筒的外直径分别为150mm、200mm和250mm，筒的厚度都为30mm，且外侧均车有螺旋线刻槽，刻槽的直径为15mm。圆筒两端各用一块固定圆板16实现固定，固定圆板16的内侧刻有与三个圆筒配套的刻槽，刻槽直径为5mm，，两块圆板的中心皆有直径20mm的圆孔供绝缘通杆17从绝缘内筒19中心穿过，用两个绝缘螺帽18将整个模块锁紧，再通过绝缘通杆17固定于两块平行的带直角支架的长方形绝缘板5。

实验结果如图7所示。本发明的充电波形22表明，初级能源提供的充电电压约为30.2kV，充电时间约为5.7μs；本发明的脉冲形成模块输出波形23表明，经过脉冲形成模块的能量压缩，可以得到脉宽τ＝400ns，电压约为15.1kV的准方波输出。将此准方波脉冲馈入脉冲升压模块，得到的三级TLT输出波形24基本与脉冲形成模块输出波形23基本一致，电压达到了45.0kV，电压升压比达到了2.98，基本实现了升压比的无损耗，与理论分析一致，从而证明了此脉冲发生器技术方案的可行性。

在实际应用中，采用本发明的基于反谐振网络和传输线变压器的高电压长脉宽准方波脉冲发生器成本较低、网络节数少、免维护、长寿命且脉冲波形无畸变等优势，实现了平顶稳定性好的高电压长脉宽准方波脉冲输出，可以应用于高功率微波、消毒、食品和废水处理等领域。

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)

1.一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，其特征在于：所述脉冲发生器由脉冲形成模块、脉冲升压模块、负载三大部分组成，脉冲形成模块的输入端与初级储能系统的输出端相连接，脉冲形成模块的输出端与脉冲升压模块的输入端相连接，脉冲升压模块的输出端与负载相连接；

所述脉冲形成模块由三节反谐振网络构成，具体由高压开关S、一节串联谐振网络和两节并联谐振网络组成：串联谐振网络由主电容C₁和主电感L₁串联组成，第一节并联谐振网络由第一节调制电容C₂和第一节调制电感L₂并联组成，第二节并联谐振网络由第二节调制电容C₃和第二节调制电感L₃并联组成；所述串联谐振网络的主电容C₁的一端与高压开关S的一端和初级储能系统的高压输出端连接，主电容C₁的另一端与主电感L₁的一端连接，高压开关S的另一端接地；主电感L₁的另一端与第一节并联谐振网络的一端连接，第一节并联谐振网络的另一端与第二节并联谐振网络的一端连接，第二节并联谐振网络的另一端即为脉冲形成模块的输出端，与脉冲升压模块的输入端相连接；

所述主电容C₁、调制电容C₂和C₃的电容值以及主电感L₁、调制电感L₂和L₃的电感值根据所需输出的脉冲宽度和特性阻抗确定，具体参数根据以下公式计算：

其中：τ为输出准方波的脉冲宽度，ρ为脉冲形成网络的特性阻抗；

所述脉冲升压模块由第1级传输线变压器、第2级传输线变压器、...、第N级传输线变压器组成，N≥1；传输线变压器采用同轴传输线，所述同轴传输线的内芯采用的是同轴电缆，并以同轴电缆的铜芯作为内导体，同轴电缆的绝缘层作为同轴传输线的绝缘介质，同轴电缆外包一层铜皮作为同轴传输线的外导体，此同轴传输线的阻抗可以表示为：

式中，D为同轴电缆外包铜皮的内径，d为同轴电缆铜内芯的外径，ε_r为同轴电缆绝缘层的相对介电常数；

同轴传输线的长度l可以表示为：

式中，ε₀为真空中的介电常数，ε_r为同轴电缆绝缘层的相对介电常数，μ₀为真空中的磁导率，μ_r为同轴电缆绝缘层的相对磁导率，c为真空中的光速；

每级传输线变压器均采用电感绕法，绕在用PP做成的圆筒上，当所需要传输线的长度l较长时，采用多层密绕的方式，将传输线绕在多个PP圆筒上，圆筒上刻上合适的刻槽以方便传输线的绕制和固定，每个圆筒的直径应满足圆筒之间能够以大筒套小筒的方式嵌套以达到紧凑化的目的；同时，每级传输线变压器嵌套的圆筒个数为奇数个，以避免将传输线变压器的输入端和输出端置于圆筒的同一侧；所述脉冲升压模块的连接方式如下：N级传输线变压器采用输入端并联，输出端串联的方式来实现N级倍压输出：即在脉冲升压模块的输入端，每级传输线变压器的同轴电缆的铜内芯相互并联后与脉冲形成模块的输出端连接，同轴电缆的外包铜皮相互并联接地；在脉冲升压模块的输出端，第一级传输线变压器同轴电缆的铜内芯与负载的一端连接，其外包铜皮与第二级传输线变压器的同轴电缆的铜内芯连接，第二级传输线变压器的同轴电缆的外包铜皮与第三极传输线变压器同轴电缆的铜内芯连接，......，第(N-1)级传输线变压器的同轴电缆的外包铜皮与第N级传输线变压器的同轴电缆的铜内芯连接，第N级传输线变压器的同轴电缆的外包铜皮与负载的另一端连接，同时接地；假设传输线变压器的输入端电压为V₀，每级传输线变压器的自身阻抗为Z₀，则通过此连接方式后，N级传输线变压器输入端的阻抗减小为Z₀/N，输出端的阻抗增大为Z₀×N，在阻抗匹配的情况下输出端电压也增至V₀×N；

所述负载的阻值要与传输线变压器的输出阻抗Z₀×N匹配，耐压值要高于传输线变压器的输出电压V₀×N。

2.根据权利要求1所述高电压长脉宽准方波脉冲发生器，其特征在于：主电容C₁和调制电容C₂、C₃由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，负载由单个高压玻璃釉电阻器或由多个普通电阻器通过串联和/或并联组成。

3.根据权利要求1所述高电压长脉宽准方波脉冲发生器，其特征在于：负载为具有一定电阻的高压处理腔。

4.根据权利要求1所述高电压长脉宽准方波脉冲发生器，其特征在于：脉冲升压模块的传输线变压器采用大筒套小筒的螺旋绕制方式嵌套或采用单筒螺旋绕制方式。

5.根据权利要求1所述高电压长脉宽准方波脉冲发生器，其特征在于：脉冲升压模块的传输线变压器采用单筒螺旋绕制方式。