CN108631757A - 一种改进型多管串联雪崩管Marx发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进型多管串联雪崩管Marx发生器，包括触发单元、M级雪崩管Marx电路。触发单元与M级雪崩管Marx电路相连，用于生成触发脉冲并触发所述M级雪崩管Marx电路中第一级的第一支雪崩管导通；M级雪崩管Marx电路包括前两级带有辅助触发的电路和后(M‑2)级基极和发射极短接的电路，用于输出重复频率高压纳秒脉冲。本发明对M级Marx发生器的前两级进行改进，通过设计特殊的电路拓扑，在第一级第一支雪崩管触发导通的同时，在第二支雪崩管的基极和发射极之间产生辅助触发脉冲，极大改善了M级雪崩管Marx前两级雪崩管的导通状态。

Description

一种改进型多管串联雪崩管Marx发生器

技术领域

本发明涉及一种Marx发生器，具体涉及一种改进型多管串联雪崩管Marx发生器。

背景技术

重复频率脉冲功率技术作为电气工程领域的新兴学科，其在国防科研领域发挥了巨大的作用，如电磁轨道炮、可控核聚变等。随着相关技术的不断成熟，脉冲功率技术在民用领域的应用也越来越广泛，如产生低温等离子体进行杀菌消毒或对材料表面进行处理，氮氧化物去除以及臭氧制备等。而重复频率脉冲功率电源对于该项技术在民用领域的进一步推广起着至关重要的作用，而Marx发生器则是产生重复频率高压脉冲的主要形式。

民用领域要求重复频率脉冲功率电源具备输出幅值高、重复频率高、脉冲前沿快、可靠性高、寿命长、体积小和成本低等特性。为产生高重频高压纳秒脉冲，国内外通常采用磁开关、全固态开关等作为关键开关器件。但磁开关体积大、重量重，且存在饱和问题，全固态开关性能优异，但成本太高，难以在民用领域普及。基于雪崩三极管的Marx发生器可以产生上升时间短、抖动小、重复频率高的高压脉冲，且结构紧凑，近年来引起广泛关注。但是，单支雪崩管的耐压最高为300V，增加Marx的级数固然是一种提高输出电压的方法，但是Marx电路输出效率会随着级数的增加而迅速下降。因此，可以考虑采用在Marx的每一级串联N支雪崩管的方法来提高电压。但是，在此种电路拓扑中，第一级的第一支雪崩管工作于触发导通状态，其余雪崩管均工作于过压导通和快前沿导通状态，随之便出现了前两级雪崩三极管损坏率极高的问题，无法长时间重频工作，严重制约了其性能和寿命。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种改进型多管串联雪崩管Marx发生器，该Marx发生器能够输出幅值高、抖动低的纳秒脉冲，并且寿命长，可靠性高，结构简单，体积小，重量轻。

一种改进型多管串联雪崩管Marx发生器，包括：触发单元、M级雪崩管Marx电路；所述触发单元与所述M级雪崩管Marx电路相连，用于生成触发脉冲并触发所述M级雪崩管Marx电路中第一级的第一支雪崩管导通；所述M级雪崩管Marx电路包括前两级带有辅助触发的电路和后(M-2)级基极和发射极短接的电路，用于输出重复频率高压纳秒脉冲。

可选的，所述M级雪崩管Marx电路的每级包括若干雪崩管，所述雪崩管以串联方式连接。

可选的，所述前两级带有辅助触发的电路包括电容与电阻，所述电容与电阻串联，然后与雪崩管的集电极和发射极两端并联；静态时，电容被充电，所述电容通过电阻以及雪崩管的集电极和基极形成回路，产生泄露电流，为雪崩管的基极提供电流，使其更好地处于临界雪崩状态；雪崩管导通后，电容通过电阻和雪崩管放电，在电阻上产生正脉冲并从电阻连接处引出，施加到下一支雪崩管的基极和发射极，用于辅助触发下一支雪崩管导通。

可选的，所述雪崩管的集电极和发射极的额定电压为300V。

可选的，所述触发单元包括：

单片机，用于产生低压触发信号；

光耦隔离电路，用于防止周围环境中的电磁干扰对所述低压触发信号的影响；

初级触发电路，用于生成触发脉冲以触发所述M级雪崩管Marx电路中第一级的第一支雪崩管导通。

可选的，所述光耦隔离电路包括光发出模块和光接收模块，所述光发出模块通过ST-ST多模光纤跳线与光接收模块相连，用于将所述单片机产生的低压触发信号转换为光信号并传输给所述光接收模块；所述光接收模块与所述初级触发电路相连，用于将光信号转换为电信号并触发初级触发电路。

可选的，所述初级触发电路由单支雪崩管构成。

可选的，所述Marx发生器还包括供电电源，所述供电电源为高压直流充电电源。

可选的，所述Marx发生器还包括高压电缆，所述Marx发生器产生的高压纳秒脉冲通过所述高压电缆施加在负载上。

一种辅助触发改进型多管串联雪崩管Marx发生器的方法，包括：

单片机输出的重复频率控制信号经光耦隔离电路隔离后控制初级触发电路中处于临界雪崩状态的雪崩管导通，产生正触发信号；

正触发信号传输至M级雪崩管Marx电路第一级的第一支雪崩管的基极和发射极，触发其导通；

辅助触发部分的电容充电后在已导通的Marx电路第一级的第一支雪崩放电，产生触发脉冲并依次触发第一级其余雪崩管导通；

第二级雪崩管在因电位差产生的触发脉冲的触发下相继导通。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过对M级Marx发生器的前两级进行改进，设计特殊的电路拓扑，在第一级第一支雪崩管触发导通的同时，在第二支雪崩管的基极和发射极之间产生辅助触发脉冲，使雪崩管的导通状态变得理想；

2、本发明极大地改善了M级雪崩管Marx前两级雪崩管的导通状态，结构简单，不需要外施其他信号，只利用电阻电容，成本低廉，大大提高了雪崩管Marx输出脉冲的稳定性和可靠性，同时也提高了输出脉冲的重复频率。

附图说明

图1为本发明实施例示出的改进型多管串联雪崩管Marx发生器的电路框图；

图2为本发明实施例示出的M级雪崩管Marx电路的电路框图；

图3为本发明实施例示出的改进型多管串联雪崩管Marx发生器单次输出时的波形测试图。

具体实施方式

下面结合和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例的改进型多管串联雪崩管Marx发生器包括触发单元、供电电源4、M级雪崩管Marx电路5和高压电缆6。其中，供电电源4分别与触发单元和M级雪崩管Marx电路5连接，触发单元的输出端与M级雪崩管Marx电路5的第一级第一支雪崩管的基极相连接，M级雪崩管Marx电路5的另一端通过高压BNC与高压电缆6相连接，高压电缆6末端连接有负载。

在本实施例中，触发单元包括单片机1、光耦隔离电路2及由单支雪崩管构成的初级触发电路3。其中，光耦隔离电路2又包括光发出模块和光接收模块。单片机1的输出端与光发出模块的输入端相连接，光发出模块通过ST-ST多模光纤跳线与光接收模块相连，光接收模块的输出端与初级触发电路3中雪崩管的基极相连接。

本实施例触发单元的工作过程如下：单片机1产生最初的低压触发信号，为防止周围环境中的电磁干扰对信号产生影响，光耦隔离电路2中的光发出模块将该低压触发信号转换为光信号，转换完成之后，通过ST-ST多模光纤跳线将光信号传输至光接收模块，进一步地，光接收模块将光信号再转换为电信号以触发初级触发电路3中的雪崩三极管导通，生成触发脉冲，进而触发M级雪崩管Marx电路5中第一级的第一支雪崩管导通。

在本实施例中，M级雪崩管Marx电路5包括前两级改进的带有辅助触发的电路以及后(M-2)级未经改进的基极和发射极短接的电路，且每级由N个雪崩管串联构成。

在本实施例中，供电电源4为高压直流充电电源，其参数由每级串联雪崩管个数N来确定，通过高压直流充电电源能够为M级雪崩管Marx5以及初级触发电路3充电。

如图2所示，本发明实施例的M级雪崩管Marx电路为12级雪崩管Marx电路，其中，每级串联有3支雪崩管，串联方式为第一支雪崩管的发射极与第二支雪崩管的集电极相连，第二支雪崩管的发射极与第三支雪崩管的集电极相连。

在本实施例中，12级雪崩管Marx电路的前两级采用辅助触发的结构，将100pF的电容与两个100Ω电阻串联，而后并联于前两级雪崩管的集电极和发射极两端。具体为：在第一级中，电容C_F一端和雪崩管Q₁₁的发射极相连，另一端与电阻R_F11、R_F12串联，然后连接到雪崩管Q₁₂的发射极；电容C_F1一端连接于C_F与R_F11的连接处，另一端与电阻R_F21、R_F22串联，然后连接到雪崩管Q₁₃的发射极；电容C_F2一端连接于C_F1与R_F21的连接处，另一端连接于Q₁₃的集电极；在第二级中，电容C_F3一端与地电位相连，另一端与电阻R_F31、R_F32串联，然后连接于雪崩管Q₂₁发射极；电容C_F4一端连接于C_F3与R_F31的连接处，另一端与电阻R_F41、R_F42串联，然后连接于雪崩管Q₂₂的发射极；电容C_F5一端连接于C_F4与R_F41的连接处，另一端与电阻R_F51、R_F52串联，然后连接于雪崩管Q₂₃的发射极；电容C_F6一端连接于C_F5与R_F51的连接处，另一端连接于Q₂₃的集电极。在两个电阻的连接处将辅助触发信号引出，连接至下一支雪崩管的基极，具体所示如图为：电阻R_F11、R_F12的连接处引出的辅助触发信号连接至雪崩管Q₁₂的基极和发射极；电阻R_F21、R_F22的连接处引出的辅助触发信号连接至雪崩管Q₁₃的基极和发射极；电阻R_F31、R_F32的连接处引出的辅助触发信号连接至雪崩管Q₂₁的基极和发射极；电阻R_F41、R_F42的连接处引出的辅助触发信号连接至雪崩管Q₂₂的基极和发射极；电阻R_F51、R_F52的连接处引出的辅助触发信号连接至雪崩管Q₂₃的基极和发射极。本实施例中剩余10级中的雪崩管均采用基极和发射极短接的结构。

在本实施例中，雪崩管高压直流电源电压Vcc设定为900V，充电电流设定为100mA。进一步地，对辅助触发的工作原理描述如下：静态时，高压直流电源通过充电隔离电阻R_C1～R_C12和R_C1’～R_C12’给电容C₁～C₁₂充电，每支雪崩管的集电极和发射极均承受300V的电压。与此同时，辅助触发部分的电容C_F以及C_F1～C_F6也被充电至300V。以雪崩管Q₁₃为例，在静态时，集电极和基极之间会存在一定的电阻，因此电容CF₂会通过雪崩管Q₁₃、R_F21形成回路释放一定的电荷，因此在Q₁₃的基极会有电流I_B流出，此电流与集电极和发射极之间的300V电压一起作用，使得雪崩管Q₁₃处于临界雪崩状态。在触发信号到达之前，各雪崩管均处于临界雪崩状态，没有导通。触发信号到来时，雪崩管Q₁₁首先导通，Q₁₁的集电极由300V降到接近零电位，与此同时，辅助触发电容C_F通过R_F11、R_F12以及已导通Q₁₁放电，从而在R_F12上产生一束正的触发脉冲，施加到Q₁₂的基极和发射极，再加上此时Q₁₂集电极和发射极两端的电压也有所抬升，处于临界雪崩状态的Q₁₂在过压、快前沿以及辅助触发的共同作用下导通，Q₁₃同样也在辅助触发之下导通。第一级的三支雪崩管全部导通后，电容C₁左端的电压瞬时降低到接近零电位，电容C₁右端以及Q₂₁的发射极电位下降为-Vcc，而电容C_F3上端为零电位，而电位差则由电阻R_F31和R_F32来承担。因此，在电阻R_F32两端，即Q₂₁的基极和发射极会产生一束正的触发脉冲，触发处于临界雪崩状态的Q₂₁导通，Q₂₂和Q₂₃导通情况与Q₁₂相似。前两级导通后，剩余10级的所有雪崩管均在较大的过压及快前沿下相继导通，最终在电容C₁₂的右端输出纳秒级的高压脉冲。

结合图1、图2，本发明实施例的工作过程可描述为：单片机输出幅值为5V的重复频率的TTL控制信号，所述TTL控制信号经光耦隔离电路隔离后控制初级触发电路中处于临界雪崩状态的雪崩管导通，产生幅值约100V的正触发信号。所述正触发信号传输至M级雪崩管Marx电路第一级的第一支雪崩管的基极和发射极，触发其导通，随后，第一级剩余的雪崩管在辅助触发下相继导通，第一级雪崩管全部导通后，第二级所有雪崩管均在辅助触发下导通，剩余其他级的所有雪崩管则在较高过压和快前沿下导通，并最终在电容C_M的右端得到重复频率高压纳秒脉冲，并通过高压电缆施加在负载之上。

本发明实施例中，主电容充电电压为900V，雪崩管Marx电路的级数为12，每级串联3支雪崩管，且连接有高阻负载，得到的输出电压波形如图3所示，脉冲幅值为7.04kV、前沿(10％～90％)为2.8ns、半高宽为14.9ns、最大重复频率表为1.5kHz。

应当理解，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种改进型多管串联雪崩管Marx发生器，包括：触发单元、M级雪崩管Marx电路；所述触发单元与所述M级雪崩管Marx电路相连，用于生成触发脉冲并触发所述M级雪崩管Marx电路中第一级的第一支雪崩管导通；所述M级雪崩管Marx电路包括前两级带有辅助触发的电路和后(M-2)级基极和发射极短接的电路，用于输出重复频率高压纳秒脉冲。

2.根据权利要求1所述的Marx发生器，其特征在于，优选的，所述M级雪崩管Marx电路的每级包括若干雪崩管，所述雪崩管以串联方式连接。

3.根据权利要求1所述的Marx发生器，其特征在于，所述前两级带有辅助触发的电路包括电容与电阻，所述电容与电阻串联，然后与雪崩管的集电极和发射极两端并联；静态时，电容被充电，所述电容通过电阻以及雪崩管的集电极和基极形成回路，产生泄露电流，为雪崩管的基极提供电流，使其更好地处于临界雪崩状态；雪崩管导通后，电容通过电阻和雪崩管放电，在电阻上产生正脉冲并从电阻连接处引出，施加到下一支雪崩管的基极和发射极，用于辅助触发下一支雪崩管导通。

4.根据权利要求2所述的Marx发生器，其特征在于，所述雪崩管的集电极和发射极的额定电压为300V。

5.根据权利要求1所述的Marx发生器，其特征在于，所述触发单元包括：

单片机，用于产生低压触发信号；

光耦隔离电路，用于防止周围环境中的电磁干扰对所述低压触发信号的影响；

初级触发电路，用于生成触发脉冲以触发所述M级雪崩管Marx电路中第一级的第一支雪崩管导通。

6.根据权利要求5所述的Marx发生器，其特征在于，所述光耦隔离电路包括光发出模块和光接收模块，所述光发出模块通过ST-ST多模光纤跳线与光接收模块相连，用于将所述单片机产生的低压触发信号转换为光信号并传输给所述光接收模块；所述光接收模块与所述初级触发电路相连，用于将光信号转换为电信号并触发初级触发电路。

7.根据权利要求5所述的Marx发生器，其特征在于，所述初级触发电路由单支雪崩管构成。

8.根据权利要求1所述的Marx发生器，其特征在于，所述Marx发生器还包括供电电源，所述供电电源为高压直流充电电源。

9.根据权利要求1所述的Marx发生器，其特征在于，所述Marx发生器还包括高压电缆，所述Marx发生器产生的高压纳秒脉冲通过所述高压电缆施加在负载上。

10.一种辅助触发改进型多管串联雪崩管Marx发生器的方法，包括：

单片机输出的重复频率控制信号经光耦隔离电路隔离后控制初级触发电路中处于临界雪崩状态的雪崩管导通，产生正触发信号；

正触发信号传输至M级雪崩管Marx电路第一级的第一支雪崩管的基极和发射极，触发其导通；

辅助触发部分的电容充电后在已导通的Marx电路第一级的第一支雪崩放电，产生触发脉冲并依次触发第一级其余雪崩管导通；

第二级雪崩管在因电位差产生的触发脉冲的触发下相继导通。