CN108631756A - 一种基于磁开关的近方波Marx发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁开关的近方波Marx发生器，依次包括初级放电单元、可饱和脉冲变压器单元、Marx发生器单元以及放电单元四部分。其中，主体部分用于产生近似方波脉冲，采用附加调整电容结合反转电压叠加的Marx发生器的技术方案，实现方波脉冲的输出，并且结合脉宽调节开关，实现了输出方波脉冲宽度的调整。简化现有能够产生近似方波脉冲Marx发生器的结构及原理，实现了百纳秒量级方波Marx发生器的紧凑固态化，填补了国内外该类型脉冲发生器的空白。

Description

一种基于磁开关的近方波Marx发生器

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种基于磁开关的近方波Marx发生器。

背景技术

小型紧凑化是高功率脉冲驱动源的重要发展方向，能够产生近似方波脉冲的Marx发生器受到了广泛的关注。Marx发生器具有模块化运行、原理简单的典型优势，采用高储能密度脉冲电容器能够使得整个装置非常紧凑。通过一定的改造，例如将传统Marx发生器中的电容器改为脉冲形成网络，则可使得发生器输出近似方波脉冲。通过多级叠加可增加输出功率，可达数十GW级。但该类Marx发生器结构原理复杂，使得其制造成本较高。

近年来出现的各类高功率近方波Marx发生器中，大多仍采用气体开关作为控制开关。气体开关具有功率大、通流能力强等特点，但是由于其气体放电的本质属性，此类开关在寿命以及稳定性方面存在一定的局限性，尤其是在Marx发生器中，需要大量的使用气体开关，导致出现故障的概率成倍上升。除此之外，为了提高Marx发生器的工作稳定性，减小输出抖动，需要配属专门的触发器，用以触发发生器中的前几级气体开关，增加了系统的复杂性。

发明内容

为了简化现有能够产生近似方波脉冲Marx发生器的结构及原理，本发明提出了提出一种基于公共磁芯可饱和脉冲变压器、LC反转电压叠加与附加调整电容实现输出近似方波脉冲的Marx发生器，摒弃了传统发生器中的气体开关与触发系统，利用磁开关的磁场的同步控制，保证各级开关同步导通并实现固态化；同时，基于多倍频电压脉冲的叠加原理，使得发生器具备输出方波脉冲的能力。填补了脉冲功率技术相关领域的空白。

本发明的技术解决方案是提供一种基于磁开关的近方波Marx发生器，其特殊之处在于：包括初级放电单元、可饱和脉冲变压器单元、Marx发生器单元及放电单元；

上述初级放电单元包括初级储能电容和初级储能电容放电控制开关；

上述可饱和脉冲变压器单元包括可饱和变压器初级电感，变压器磁芯和n个可饱和变压器次级电感；该可饱和脉冲变压器单元用于放大初级储能电容的充电电压，并为调整电容与次级电容进行充电；可饱和脉冲变压器在充电完成之后磁芯达到饱和状态，初次级之间失去关联，且初级电感与次级电感之值降至很低；

上述Marx发生器单元包括串联的a个调整单元及与调整单元串联的b个电压叠加单元，其中，a≦b，n＝a+b；调整单元与电压叠加单元的总单元数由输出电压决定，具体通过电路模拟确定；

每个调整单元包括调整电容、次级电容及接地电感，接地电感并联在调整电容与次级电容串联的电路两端；a个可饱和变压器次级电感分别并联在由接地端开始的第偶数个或者第奇数个电容器(此处电容器为调整电容与次级电容的统称)两端；

每个电压叠加单元包括接地电感及两个次级电容，接地电感并联在两个次级电容串联的电路两端；b个可饱和变压器次级电感分别并联在由接地端开始的第偶数个或者第奇数个次级电容两端；

Marx发生器单元中相邻电容器充电电压极性相反；

上述放电单元包括相互串联的放电主开关与负载电阻，Marx发生器单元的输出端与放电主开关连接；其中n大于等于2；

上述调整电容的电容值小于次级电容的电容值，具体电容值应通过电路模拟加以确定。

在此基础上，随着应用领域的不断拓展与应用的不断深入，对于固态化、输出脉宽可调的发生器的需求越来越紧迫。不同的应用领域、为了获得不同的作用效果，需要发生器输出不同宽度的方波脉冲。因此，本发明在近方波Marx发生器的基础之上，进一步实现了其输出脉宽可调，对于实际应用意义重大。具体在负载电阻两端并联脉宽调整开关，通过并联于负载两端的脉宽调整开关的导通与关断，能够实现对输出方波脉冲宽度的调节，且脉冲宽度取决于脉宽调整开关的导通时刻。

优选地，脉宽调整开关为磁开关或带触发的气体开关，其导通时间为负载电阻上方波脉冲的平顶处。

优选地，整个调整单元的放电周期为电压叠加单元放电周期的三分之一。

优选地，初级储能电容放电控制开关为真空触发开关。

优选地，变压器磁芯为铁基纳米晶或者铁基非晶磁性材料。

本发明工作原理是：初级储能电容初始时刻被充以一定电压，初级电容放电控制开关导通之后，初始电压被可饱和脉冲变压器单元提升，并给Marx发生器单元中的各个电容器进行并联充电。充电时，各电容器充电电压极性相反，放电主开关上的电压为0。随着初级储能电容放电过程的进行，变压器磁芯在某一时刻达到饱和态。此时，可饱和脉冲变压器单元初次级电感之间失去关联，且次级电感的电感值降至极低水平。紧随其后，次级电容器和调整电容分别通过各自相连的次级电感进行反转放电。由于次级电容器和调整电容的电容值不同，因此其反转周期也不相同，整个调整单元的放电周期约为电压叠加单元放电周期的三分之一，以使得在负载上能够得到一定脉宽的方波脉冲。随着反转过程的进行，放电主开关上的电压增大，并逐步达到其击穿电压，导致开关导通。从而在负载电阻上得到一个具有一定脉冲宽度的方波脉冲。在全脉宽工作条件下，脉宽调整开关处于断开状态。若需获得小于全脉宽的其他脉宽方波脉冲，则需要脉宽调整开关在负载电阻上电压持续时间的某个时间点导通，截断其输出方波脉冲，从而获得一系列不同脉宽的方波脉冲。此处，全脉宽指的是由Marx发生器单元电路参数决定的输出脉冲宽度。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过引入一个调整电容，并基于LC反转电压叠加实现了百纳秒量级方波Marx发生器的紧凑固态化，结构及原理简单，制造成本低；

2、本发明在负载端并联导通开关实现输出脉宽可调，填补了国内外该类型脉冲发生器的空白。

附图说明

图1a为本发明实施例一充电过程结构示意图；

图1b为本发明实施例一放电过程结构示意图；

图中附图标记为：11-初级储能电容，12-初级电容放电控制开关，13-可饱和变压器初级电感，14、15-可饱和变压器次级电感，115-变压器磁芯，16-调整电容，17、18、19-次级电容，110、111-接地电感，112-放电主开关，113-负载电阻，114-脉宽调整开关。

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图中附图标记为：21-初级储能电容，22-初级电容放电控制开关，23-可饱和变压器初级电感，24-变压器磁芯，25、26、27-可饱和变压器次级电感，28-调整电容，29、210、211、212、213-次级电容，214、215、216-接地电感，217-放电主开关，218-负载电阻，219-脉宽调整开关。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例一

从图1a及图1b可以看出，本实施例包括初级放电单元，可饱和脉冲变压器单元，Marx发生器单元，以及放电单元四部分。

其中初级放电单元由初级储能电容11和初级电容放电控制开关12组成。

可饱和脉冲变压器单元由可饱和变压器初级电感13，可饱和变压器次级电感14、15和变压器磁芯115组成。

Marx发生器单元由调整电容16，次级电容17、18、19和接地电感110、111组成。可饱和变压器次级电感14、调整电容16、次级电容17及接地电感110构成一个调整单元，接地电感110并联在调整电容16与次级电容17串联的电路两端，可饱和变压器次级电感14并联在调整电容16两端。可饱和变压器次级电感15、次级电容18、19和接地电感111构成一个电压叠加单元，接地电感111并联在次级电容18与次级电容19串联的电路两端，可饱和变压器次级电感15并联在次级电容18两端。调整单元与电压叠加单元相互串联。

放电单元由放电主开关112、负载电阻113及脉宽调整开关114组成，放电主开关112与负载电阻113串联，脉宽调整开关114并联在负载电阻113两端，Marx发生器单元的输出接放电单元的输入。

可饱和变压器初级电感13、可饱和变压器次级电感14、15以及变压器磁芯115共同构成了可饱和脉冲变压器，用于放大初级储能电容11的充电电压，并为调整电容16与次级电容17、18、19同时并联充电至一定电压；可饱和脉冲变压器在充电完成之后磁芯达到饱和状态，初次级之间失去关联，且可饱和变压器初级电感13与可饱和变压器次级电感14、15之值降至很低；次级电感14、15之值降至很低之后，调整电容16与次级电容18分别通过次级电感14和次级电感15进行反转放电，放电主开关112上电压随之增大，并在达到击穿电压时刻导通；在充电电压一定的情况下，增加电容器级数能够增大输出电压幅值；放电主开关112导通之后，在调整单元放电周期约为电压叠加单元放电周期三分之一的条件下，能够在负载上获得具有一定脉冲宽度的近似方波脉冲；通过并联于负载电阻113两端的脉宽调整开关114的导通与关断，能够实现对输出方波脉冲宽度的调节，且脉冲宽度取决于脉宽调整开关114的导通时刻。

实施例二

从图2可以看出，该实施例电路采用六级脉冲电容器结构。包括初级储能电容21，初级电容放电控制开关22，可饱和变压器初级电感23，变压器磁芯24，可饱和变压器次级电感25、26、27，调整电容28，次级电容29、210、211、212、213，接地电感214、215、216，放电主开关217，负载电阻218，脉宽调整开关219。与实施例一不同的是，该实施例中还包括与第二个电压叠加单元串联的第三个电压叠加单元。可饱和变压器次级电感27、次级电容212、213和接地电感216构成第三个电压叠加单元，接地电感216并联在次级电容212与次级电容213串联的电路两端，可饱和变压器次级电感27并联在次级电容212两端。

本实施例中初级储能电容21采用100μF脉冲电容器，初级电容放电控制开关22采用真空触发开关，变压器磁芯24可选用铁基纳米晶或者铁基非晶磁性材料。调整电容28容值选择为12nF，次级电容29、210、211、212、213都选用50nF脉冲电容器。接地电感214、215、216都选用50μH。主开关在放电电压峰值处导通，负载电阻218约为10Ω。脉宽调整开关219可选用磁开关或者带触发的气体开关，设置其导通时间为负载上方波脉冲的平顶某处，已获得不同的输出脉宽。可饱和变压器次级电感25、26、27饱和值约为200nH。

在该实施例中，当脉宽调整开关219处于断开状态时，负载电阻上得到了半高宽约为200ns、平顶持续时间为100ns的方波脉冲。脉冲宽度从50ns-200ns可调。

Claims (6)

1.一种基于磁开关的近方波Marx发生器，其特征在于：包括初级放电单元、可饱和脉冲变压器单元、Marx发生器单元及放电单元；

所述初级放电单元包括初级储能电容和初级储能电容放电控制开关；

所述可饱和脉冲变压器单元包括可饱和变压器初级电感，变压器磁芯和n个可饱和变压器次级电感；

所述Marx发生器单元包括串联的a个调整单元及与调整单元串联的b个电压叠加单元，其中，a≦b，n＝a+b；

每个调整单元包括调整电容、次级电容及接地电感，接地电感并联在调整电容与次级电容串联的电路两端；a个可饱和变压器次级电感分别并联在由接地端开始的第偶数个或者第奇数个电容器两端；

每个电压叠加单元包括接地电感及两个次级电容，接地电感并联在两个次级电容串联的电路两端；b个可饱和变压器次级电感分别并联在由接地端开始的第偶数个或者第奇数个次级电容两端；

Marx发生器单元中相邻电容器充电电压极性相反；

所述放电单元包括相互串联的放电主开关与负载电阻，Marx发生器单元的输出端与放电主开关连接；其中n大于等于2；

所述调整电容的电容值小于次级电容的电容值。

2.根据权利要求1所述的基于磁开关的近方波Marx发生器，其特征在于：所述放电单元还包括脉宽调整开关，脉宽调整开关并联在负载电阻两端。

3.根据权利要求2所述的基于磁开关的近方波Marx发生器，其特征在于：脉宽调整开关为磁开关或带触发的气体开关，其导通时间为负载电阻上方波脉冲的平顶处。

4.根据权利要求3所述的基于磁开关的近方波Marx发生器，其特征在于：整个调整单元的放电周期为电压叠加单元放电周期的三分之一。

5.根据权利要求3所述的基于磁开关的近方波Marx发生器，其特征在于：初级储能电容放电控制开关为真空触发开关。

6.根据权利要求1所述的基于磁开关的近方波Marx发生器，其特征在于：变压器磁芯为铁基纳米晶或者铁基非晶磁性材料。