CN106961263A - 一种PFN-Marx发生器输出波形的整形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的Marx发生器技术，具体涉及一种通过单级网络参数调整PFN-Marx输出波形的整形方法，属于脉冲功率技术领域。本发明通过改变常规等电容等电感PFN-Marx中的任意一级单元形式为等电感非等电容形式，即除该单元采用等电感非等电容的网络形式外，其他级的网络依然采用等电容等电感网络形式，这样仅通过调整Marx发生器中的一级即可实现Marx输出波形的精细调整。本发明可以方便实现对PFN-Marx输出脉冲的前沿、平顶质量、后沿以及脉宽进行调整，克服了多级Marx波形难以调节的缺点。此外，本发明对于实现脉冲功率系统的紧凑小型化也有显著价值。

Description

一种PFN-Marx发生器输出波形的整形方法

技术领域

本发明涉及一种新型的Marx发生器技术，具体涉及一种通过单级网络参数调整PFN-Marx输出波形的整形方法，属于脉冲功率技术领域，主要用于高电压脉冲方波的产生和整形。

背景技术

脉冲功率技术是以一种较低的功率储存能量，将其以高得多的功率变换为脉冲电磁能量并释放到特定负载上的电物理技术。Marx是脉冲功率装置中形成高压脉冲的重要方式之一。

Marx发生器的基本原理可以简单地概括为：若干电容器通过并联充电后再以串联方式放电产生高电压脉冲。其相关概念于1923年由Marx E教授提出，因而被命名为“Marx发生器”，最早被用于雷电冲击电压实验。PFN-Marx，是利用脉冲形成网络(Pulse formingnetwork，简称PFN)代替传统Marx发生器中的级电容，在获取电压叠加的同时，利用PFN可以输出方波的特性来获取良好的输出电压波形。此类装置具有电压倍增和长脉冲输出的特点，在长脉冲输出时具有与脉冲形成线类似的特性，其将升压模块和脉冲形成模块整合起来，降低了脉冲功率系统的复杂度，减小了装置体积并提高了可移动性。

PFN有多种网络结构形式，在脉冲功率技术中，常见的有等电容等电感网络以及Guillemin网络。由于Guillemin网络中多采用特定容值电容器，制造和采购的难度加大，难以广泛应用。而等电容等电感网络得益于脉冲电容器的商品化和较低的造价，目前仍是最常用的网络形式。在实际应用中，等电容等电感PFN一旦L和C确定，其网络的输出特性也确定，而当其应用到Marx发生器中时，又常常受结构尺寸限制以及寄生参数的影响，很难获得理想的输出波形，这时再对相关参数做改动将变得非常困难。另外，在需要降低PFN-Marx输出阻抗时，各种寄生参数影响变得更为严重，为此需要减少节数以换取低阻输出，此时更是难以获得较好的方波输出。因此寻求简易调整Marx输出波形特性的方法对于Marx的模块化、紧凑化以及应用范围的拓展具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术难点是通过一种合适的方法，解决PFN-Marx中等电容等电感网络输出波形调整困难以及PFN节点数过少时输出波形质量差等问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种PFN-Marx发生器输出波形的整形方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、构建一个相等节电容和相等节电感的n级m节PFN-Marx发生器，所述m节(一般m≤5)脉冲电容器(称为节电容，C₀)依次并联组成单级PFN，相邻的节电容之间采用电感(称为节电感，L₀)进行连接，所述单级PFN均包含两个电极，n个(一般n≤20)单级PFN通过n个开关进行串联：第一级PFN的两个电极，其中一个电极和第一级开关的一端相连，另一个电极和负载接地端相连；第二级PFN的一个电极和第一级开关的另外一端相连，同时通过一个电感或电阻(称为隔离电感L_g或隔离电阻R_g)和第一级PFN的接地端相连，第二级PFN的另外一个电极和第二级开关的一端相连，同时通过电感或电阻同第一级PFN的非接地端相连；……；依此类推，第n级PFN的一个电极和第(n-1)个PFN的开关一端相连，同时和第(n-1)级PFN的接地端通过一个电感或者电阻相连，第n级PFN的另外一个电极和第n个开关的一端相连，第n个开关的另一端和负载R_L相连；

步骤二、将上述PFN-Marx中的任意一级单元(在实际中为了方便调试，通常选用第一级，并将其命名为调整级，其它各级命名为非调整级)调整为k节PFN(一般k≥m)，采用非等节电容形式，每节电容分别为C₁、C₂、…、C_k，电感仍为L₀，即除该单元采用等节电感非等节电容的网络形式外，其他各级的PFN网络依然采用等节电容等节电感网络形式；

步骤三、由于调整级和非调整级采用了不同的网络参数，所以PFN-Marx的总输出不再是传统PFN-Marx各级输出波形的直接叠加，而是调整级和非调整级的综合作用的结果，也因此很难得到波形调节的准确解析解，但可以通过非调整级对调整级相关参数进行预估。调整级的电容值要求满足C₁+C₂+…+C_k≤mC₀，初始参数选择C₁＝C₂＝...＝C_k＝mC₀/k，然后再根据波形的实际需求进行调整。一般的，调整级的第k节脉冲电容器C_k电容值较大，而其它的节电容值C₁、C₂、…、C_k-1较小；

步骤四、通过Spice类仿真软件采用数值模拟计算得方式确定调整级中各节电容C₁、C₂、…、C_k的大小。首先，为缩短输出波形前沿，需适当减小C₁值；其次，为获得较好的平顶和后沿特性，则需适当调整C₂、C₃、…、C_k-1值；最后调整C_k值补偿前几节电容值改变所引起的脉冲宽度变化。实际上，从时域上看，C₁、C₂、…、C_k对输出波形的影响分别依次对应方波脉冲平顶的前端、中段、后沿和脉宽。

在上述方案中，所述节电容可选用薄膜介质电容器、陶瓷介质电容器、云母介质电容器、复合介质电容器等低内感的脉冲电容器。

在上述方案中，所述除调整级之外其它级的节电容、节电感参数选取根据负载要求的脉冲宽度和特性阻抗确定。

在上述方案中，所述隔离电感L_g一般大于10μH，隔离电阻R_g一般大于10kΩ。

上述方案中，PFN-Marx的输出脉宽和特征阻抗可通过下述公式计算：

非调整级的脉宽和特征阻抗为：

上式中，m为非调整级的节数，L_s为开关及连线电感，L_c为电容器内感，τ₁为非调整级的脉冲宽度，Z_M1为非调整级的特征阻抗；

调整级的脉宽和特征阻抗为：

上式中，k为调整级的节数，k≥m，τ₂为调整级的脉冲宽度，

Z_M2为调整级的特征阻抗；

则PFN-Marx的输出阻抗为：

Z＝(m-1)Z_M1+Z_M2,

PFN-Marx的输出脉冲宽度为：

τ≈τ₁

本发明的优点：

本发明的单级电容参数调节方法可以方便实现对PFN-Marx输出脉冲的前沿、平顶质量、后沿以及脉宽进行调整，克服了多级Marx波形难以调节的缺点。此外，本发明对于实现脉冲功率系统的紧凑小型化也有显著价值。在对等电容等电感PFN-Marx发生器实现紧凑化的同时仅通过调整单级参数即可实现较好的波形输出，将极大的拓宽其应用范围。

附图说明

本发明将通过实施例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的电路示意图；

图2是单级电容参数变化对负载输出波形的影响；

图3(a)是按照本发明设计的3级2节PFN-Marx的电路；

图3(b)是未调整的3级2节PFN-Marx的电路；

图4是图3(a)、(b)模型的输出波形对比；

图5是图3(a)模型的实验波形；

图6是按照本发明设计的5级4节PFN-Marx电路；

图7是图6模型与未调整模型输出波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

图1所示电路为本发明的基本电路。该电路是以n级m节等节电容等节电感PFN-Marx为基础，将第一级PFN更换为k节非等电容PFN所得，此时第一级为调整级。调整级节电容数k一般大于等于m，节电容值分别为C₁～C_k，除调整级之外的其它各级节电容值均为C，各级节电容器分别通过电感值为L的节电感依次并联。各级之间采用级联开关进行连接，L_s为开关及引线电感，L_c为电容器内感，L_g为隔离电感，R_L为负载阻抗。电路的工作原理为：首先对各级电容器进行充电至U₀。充电完毕后，当PFN-Marx对负载放电时，除第一级外，其他各级均产生相同的准方波电压信号，级联开关K₁至K_n依次导通，电压叠加倍增后，第一级实现对其他各级的方波调制并对负载放电，输出更优质的准方波脉冲信号。

本发明的基本电路中，根据脉宽和负载的需求，在初步确定非调整级的L₀和C₀后，调整级的电容值C₁～C_k根据数值模拟计算来确定。C₁～C_k在一定范围内的变化对于负载波形的影响规律具有普适性。其中，C₁影响脉冲平顶的最前端，紧接着C₂～C_k-1依次影响脉冲平顶的中段和后沿，C_k影响脉冲宽度。根据C₁～C_k对输出波形的影响规律确定其值大小，一般的，C₁～C_k-1取值较小，C_k取值较大。本发明中调整级电容参数的影响规律适用于单极性充电以及双极性充电的PFN-Marx发生器。

为进一步详细阐述C₁～C_k对输出波形的影响规律，将图1电路简化为5级4节PFN-Marx，简化后电路的第一级节电容分别为C₁、C₂、C₃、C₄，第二至五级节电容均为C₀，各级节电感均是L₀，为节电容并联的连接电感。分别调整第一级电容参数，负载输出波形如图2所示。从图中可以看出，C₁容量减小时，输出前沿无变化，后沿略微提升，平顶质量变差；分别减小C₂、C₃，脉冲后沿亦有所改善，平顶质量得到改善；调整C₄时，脉冲宽度得以调整，前后沿及平顶几乎不受影响。C₁～C₄分别对应于脉冲信号的不同位置，通过综合调整C₁～C₄的容量，使得脉冲输出信号的平顶、后沿和脉宽得以调整。

根据本发明的技术方案设计了如图3、图6所示两个电路实例：

图3所示电路为利用本发明的原则设计的第一个实例，为模拟一个输出脉宽约150ns，特征阻抗约5Ω的3级2节单极性充电的PFN-Marx发生器。该发生器充电电压为U₀，隔离电感为L_g＝40μH，开关及其引线电感L_s为30nH，电容器内感L_c为10nH。根据计算初步确定网络的节电感为L₀＝15nH，第二、三级网络节电容为C₀＝24nF。第一级网络设为4节电容器并联，采用数值模拟方法，模拟计算出第一级电容参数分别为C₁＝5nF，C₂＝3nF，C₃＝4nF，C₄＝24nF。根据计算公式：脉宽预估τ₁≈145ns，特征阻抗Z＝5.3Ω。

理论脉宽预估约145ns，但2节PFN-Marx难以输出方波信号，在第一级的调节作用下输出脉宽为150ns的方波信号，体现了调整级对输出波形显著的调整作用。模拟特征阻抗为5Ω与理论分析基本一致，验证了本方案的正确性。模拟输出结果与非调整的等电容等电感网络输出波形对比如图4所示。仿真结果体现了单级电容参数修正方法对负载波形调整的显著效果，实现了节数少的PFN-Marx输出优质方波的设计。采用本发明设计的方案，使输出波形的方波特性质量更好，优于现有的技术方案。进一步的，根据仿真计算分析，设计了该调整模型的实验进行验证，实验设计参数与模拟参数保持一致，实验输出波形如图5所示，实验波形与仿真波形基本一致，验证了本发明的可行性。

图6是依据本发明的原则设计的第二个实例电路：为模拟一个输出脉宽约140ns，特征阻抗约7.5Ω的4节5级双极性充电的PFN-Marx发生器。该发生器第1、3、5级网络充电+U₀，第2、4级网络充电-U₀，隔离电感为L_g＝40μH，开关及其引线电感L_s为30nH，电容器内感L_c为10nH。根据理论计算初步确定非调整级节电容C₀＝12nF，节电感L₀＝15nH。采用与第一个实例相同的参数选取原则，根据数值模拟结果将第一级电容参数分别设为C₁＝C₂＝C₃＝4nF，C₄＝25nF。其模拟波形与未调整的等电容C₀＝12nF等电感L₀＝15nH的PFN-Marx模拟输出波形对比如图7所示。仿真结果显示单级网络电容参数调整方式具有显著的修正作用，验证了本发明设计方案的正确性及其延拓性。

在实际应用中，采用本发明的单级电容参数调整方案的PFN-Marx发生器，可有效的提升输出波形质量，弥补了在确定电容电感后波形调节不便的不足，克服了等电容等电感模型中节数少时难以形成准方波的缺点，可实现方波脉冲的高质量稳定输出。利用该方案可设计紧凑型低阻PFN-Marx的脉冲功率系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，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PFN-Marx发生器输出波形的整形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、构建一个相等节电容和相等节电感的n级m节PFN-Marx发生器，由m节脉冲电容器C₀依次并联组成单级PFN，相邻的节电容之间采用电感L₀进行连接，所述单级PFN均包含两个电极，n个单级PFN通过n个开关进行串联：第一级PFN的两个电极，其中一个电极和第一级开关的一端相连，另一个电极和负载接地端相连；第二级PFN的一个电极和第一级开关的另外一端相连，同时通过一个隔离电感L_g或隔离电阻R_g和第一级PFN的接地端相连，第二级PFN的另外一个电极和第二级开关的一端相连，同时通过电感或电阻同第一级PFN的非接地端相连；……；依此类推，第n级PFN的一个电极和第(n-1)个PFN的开关一端相连，同时和第(n-1)级PFN的接地端通过一个电感或者电阻相连，第n级PFN的另外一个电极和第n个开关的一端相连，第n个开关的另一端和负载R_L相连；

步骤二、将上述PFN-Marx中的任意一级单元调整为k节PFN，k≥m，采用非等节电容形式，每节电容分别为C₁、C₂、…、C_k，电感仍为L₀，即除该单元采用等节电感非等节电容的网络形式外，其他各级的PFN网络依然采用等节电容等节电感网络形式；

步骤三、通过非调整级对调整级相关参数进行预估：调整级的电容值要求满足C₁+C₂+…+C_k≤mC₀，初始参数选择C₁＝C₂＝...＝C_k＝mC₀/k，然后再根据波形的实际需求进行调整；

步骤四、通过Spice类仿真软件采用数值模拟计算的方式确定调整级中各节电容C₁、C₂、…、C_k的大小：为缩短输出波形前沿，需适当减小C₁值；为获得较好的平顶和后沿特性，则需适当调整C₂、C₃、…、C_k-1值；最后调整C_k值补偿前几节电容值改变所引起的脉冲宽度变化。

2.根据权利要求1所述PFN-Marx发生器输出波形的整形方法，其特征在于：所述节电容可选用薄膜介质电容器、陶瓷介质电容器、云母介质电容器、复合介质电容器。

3.根据权利要求1所述PFN-Marx发生器输出波形的整形方法，其特征在于：所述除调整级之外其它级的节电容、节电感参数选取根据负载要求的脉冲宽度和特性阻抗确定。

4.根据权利要求1所述PFN-Marx发生器输出波形的整形方法，其特征在于：所述隔离电感L_g一般大于10μH，隔离电阻R_g一般大于10kΩ。

5.根据权利要求1所述PFN-Marx发生器输出波形的整形方法，其特征在于：PFN-Marx的输出脉宽和特征阻抗通过下述公式计算：

非调整级的脉宽和特征阻抗为：

${\mathrm{\τ}}_1=2\sqrt{({\mathrm{mL}}_0+L_s+{\mathrm{mL}}_c){\mathrm{mC}}_0},$

$Z_{M1}=\sqrt{\frac{{\mathrm{mL}}_0+L_s+{\mathrm{mL}}_c}{{\mathrm{mC}}_0}},$

上式中，m为非调整级的节数，L_s为开关及连线电感，L_c为电容器内感，τ₁为非调整级的脉冲宽度，Z_M1为非调整级的特征阻抗；

调整级的脉宽和特征阻抗为：

${\mathrm{\τ}}_2=2\sqrt{({\mathrm{mL}}_0+{\mathrm{mL}}_c+L_s)(C_1+C_2+...+C_k)},$

$Z_{M2}=\sqrt{\frac{{\mathrm{mL}}_0+L_s+{\mathrm{mL}}_c}{C_1+C_2+...+C_k}},$

上式中，k为调整级的节数，k≥m，τ₂为调整级的脉冲宽度，Z_M2为调整级的特征阻抗；

则PFN-Marx的输出阻抗为：

Z＝(m-1)Z_M1+Z_M2,

PFN-Marx的输出脉冲宽度为：

τ≈τ₁。