CN108449074B - 一种基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路，目的是解决脉冲后沿过长的问题。技术方案是在基于MOV的近方波脉冲产生电路的负载Z两端并联一个磁开关MS，磁开关MS未饱和时电感很大，相当于断路；磁开关MS饱和时电感很小，相当于短路，利用磁开关MS饱和前后电感量突变的特性实现对负载Z上得到的近方波脉冲后沿的陡化。本发明可以实现脉冲后沿的陡化，解决脉冲后沿过长的问题，且结构简单易于实现，可应用于多种工作场合。

Description

一种基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，尤其涉及一种基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路。

背景技术

金属氧化物压敏电阻(Metal-Oxide Varistor,MOV)具有非线性伏安特性，主要用于限制电路中出现的瞬态过电压。基于MOV的电压钳位作用，可以将其用于脉冲功率领域中近方波脉冲的产生。

美国研究人员M.C.Clark在其学术论文“A New,Compact Pulsed Power SystemBased on Surge Arrestor Technology”【IEEE Pulsed Power Conference,2009,pp:938-943】(《一种基于浪涌避雷器技术的新型紧凑化脉冲功率系统》【2009年国际脉冲功率会议论文集，第938-943页】)中介绍了一种基于MOV的近方波脉冲产生电路，其电路如图1所示。该电路由储能电容C₁、MOV、电感L₁、负载Z、放电开关S₁以及撬断开关S₂组成。MOV与负载Z是并联关系；在储能电容C₁和MOV之间串联接有放电开关S₁和电感L₁，在MOV和负载Z之间串联接有撬断开关S₂。其工作过程为：先将储能电容C₁充电至目标电压，然后放电开关S₁被触发导通。放电开关S₁导通以后，储能电容C₁开始放电，经过MOV的电压钳位作用以及撬断开关S₂的脉冲前沿陡化作用，在负载Z上得到近方波脉冲输出。

上述电路虽然能够产生近方波脉冲，但是存在脉冲后沿过长的缺点。

发明内容

本发明是针对背景技术中提到的脉冲后沿过长问题，提出一种基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路，能够有效陡化脉冲后沿。

本发明的解决方案是：以背景技术的电路为基础，在负载Z两端并联一个磁开关MS。其电路如图2所示，其中虚线框内近方波脉冲产生电路的实现方式与背景技术相同。磁开关MS的相关参数满足以下公式：V_N·T≈N·ΔB·S，其中V_N是MOV的压敏电压，单位为伏特；T是近方波脉冲产生电路所产生的近方波脉冲的脉宽，单位为秒；N是磁开关MS绕组的匝数，是一个常数，没有单位；S是磁开关MS中磁芯的横截面积，单位为平方米；ΔB是磁开关MS中磁芯从初始状态变成饱和状态所对应的磁感应强度变化量，单位为特斯拉。磁开关MS未饱和时电感很大，相当于断路；磁开关MS饱和时电感很小，相当于短路；故利用磁开关MS饱和前后电感量突变的特性可以实现对脉冲后沿的陡化。磁开关MS的形状、尺寸和实现方式均没有要求，但要求磁开关MS的饱和电感尽量小(小于500纳亨)。本发明应为单脉冲工作，工作一次(即储能电容C₁放电结束)结束后应当对磁开关MS进行复位，复位之后可进行下一次工作。复位方式不作要求，只需使得磁开关MS恢复到初始状态(即磁开关MS被磁化前的状态)即可。

本发明的工作过程为：近方波脉冲产生电路的工作过程与背景技术相同，当近方波脉冲加载到负载Z上之后，磁开关MS的磁芯开始被逐渐磁化，磁开关MS从未饱和状态向饱和状态转化。当磁开关MS完全饱和之后，将负载Z上的电压快速拉低至零电位，从而实现对脉冲后沿的陡化。

本发明的优点是：1.本发明可以实现脉冲后沿的陡化，解决脉冲后沿过长的问题；2.结构简单易于实现；3.由于磁开关MS受电压限制较小，使得本发明可应用于多种工作场合。

附图说明

图1为背景技术中M.C.Clark在其学术论文《A New,Compact Pulsed PowerSystem Based on Surge Arrestor Technology》【IEEE Pulsed Power Conference,2009,pp:938-943】(《一种基于浪涌避雷器技术的新型紧凑化脉冲功率系统》【2009年国际脉冲功率会议论文集，第938-943页】)中介绍的一种近方波脉冲产生电路；

图2为本发明电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案等更加清楚，下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行说明。应当明确，此处的相关描述仅用于解释本发明，但并不限定于本发明。

图1为背景技术中M.C.Clark在其学术论文《A New,Compact Pulsed PowerSystem Based on Surge Arrestor Technology》【IEEE Pulsed Power Conference,2009,pp:938-943】(《一种基于浪涌避雷器技术的新型紧凑化脉冲功率系统》【2009年国际脉冲功率会议论文集，第938-943页】)中介绍的一种基于MOV的近方波脉冲产生电路。该电路由储能电容C₁、MOV、电感L₁、负载Z、放电开关S₁以及撬断开关S₂组成。MOV与负载Z是并联关系；在储能电容C₁和MOV之间串联接有放电开关S₁和电感L₁，在MOV和负载Z之间串联接有撬断开关S₂。其工作过程为：先将储能电容C₁充电至目标电压，然后放电开关S₁被触发导通。放电开关S₁导通以后，储能电容C₁开始放电，经过MOV的电压钳位作用以及撬断开关S₂的脉冲前沿陡化作用，在负载Z上得到近方波脉冲输出。

图2所示为本发明电路图。图2中虚线框内近方波脉冲产生电路的实现方式与背景技术相同，区别就是在负载两端并联一个磁开关MS。磁开关MS的相关参数满足以下公式：V_N·T≈N·ΔB·S，其中V_N是MOV的压敏电压，单位为伏特；T是近方波脉冲产生电路所产生的近方波脉冲的脉宽，单位为秒；N是磁开关MS绕组的匝数，是一个常数，没有单位；S是磁开关MS中磁芯的横截面积，单位为平方米；ΔB是磁开关MS中磁芯从初始状态变成饱和状态所对应的磁感应强度变化量，单位为特斯拉。磁开关MS未饱和时电感很大，相当于断路；磁开关MS饱和时电感很小，相当于短路；故利用磁开关MS饱和前后电感量突变的特性可以实现对脉冲后沿的陡化。磁开关MS的形状、尺寸和实现方式均没有要求，但要求磁开关MS的饱和电感尽量小(小于500纳亨)。本发明应为单脉冲工作，工作一次(即储能电容C₁放电结束)结束后应当对磁开关MS进行复位，复位之后可进行下一次工作。复位方式不作要求，只需使得磁开关MS恢复到初始状态(即磁开关MS被磁化前的状态)即可。

如国防科技大学实现的一种基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路的参数如下：V_N＝7×10³V,T＝0.9×10^-6s,N＝6,ΔB＝3.2特斯拉,S＝3.2×10^-4m²。实验结果为：将脉冲后沿由3×10^-7s陡化到5×10^-8s。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (4)

1.一种基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路，包括基于MOV的近方波脉冲产生电路，基于MOV的近方波脉冲产生电路由储能电容(C₁)、MOV、电感(L₁)、负载(Z)、放电开关(S₁)以及撬断开关(S₂)组成；MOV与负载(Z)是并联关系；在储能电容(C₁)和MOV之间串联接有放电开关(S₁)和电感(L₁)，在MOV和负载(Z)之间串联接有撬断开关(S₂)；其特征在于在基于MOV的近方波脉冲产生电路的负载(Z)两端并联一个磁开关(MS)，磁开关(MS)未饱和时电感很大，相当于断路；磁开关(MS)饱和时电感很小，相当于短路，利用磁开关(MS)饱和前后电感量突变的特性实现对负载(Z)上得到的近方波脉冲后沿的陡化；所述MOV指金属氧化物压敏电阻。

2.如权利要求1所述的一种基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路，其特征在于所述磁开关(MS)的相关参数满足以下公式：V_N·T≈N·ΔB·S，其中V_N是MOV的压敏电压，单位为伏特；T是近方波脉冲产生电路所产生的近方波脉冲的脉宽，单位为秒；N是磁开关(MS)绕组的匝数，是一个常数，没有单位；S是磁开关(MS)中磁芯的横截面积，单位为平方米；ΔB是磁开关(MS)中磁芯从初始状态变成饱和状态所对应的磁感应强度变化量，单位为特斯拉。

3.如权利要求2所述的一种基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路，其特征在于所述磁开关(MS)的饱和电感小于500纳亨。

4.如权利要求3所述的一种基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路，其特征在于所述基于磁开关的高功率脉冲后沿陡化电路为单脉冲工作，工作一次即储能电容(C₁)放电结束后需对磁开关(MS)进行复位，使得磁开关(MS)恢复到初始状态即磁开关(MS)被磁化前的状态。

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