CN108900178A - 一种复合型长脉冲形成网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合型长脉冲形成网络，包括负载和A、B两部分，所述负载、A部分和B部分依次串接闭合成复合型长脉冲形成网络，所述A部分包括C₁、C₂、L₁、L₂，所述B部分包括串联的C₃和L₃，所述C₁和C₂并联，L₁一端与负载一端连接，L₁另一端、L₂一端连接在一起后与C₁一端连接，L₂另一端与C₂一端连接，C₁另一端和C₂另一端连接在一起后与L₃一端连接，L₃另一端、C₃和负载另一端依次串接。采用本发明所述的复合型长脉冲形成网络，为Marx发生器型小型化脉冲功率装置提供一种可靠的初级电路，它形成的脉冲宽度长，成本低，可通过参数调节获得质量较好的波形。

Description

一种复合型长脉冲形成网络

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种复合型长脉冲形成网络，主要用于研制Marx发生器型脉冲功率装置。

背景技术

脉冲功率装置是一种预先将电能存储，在短时间内向负载快速释放的装置，可应用于材料、环保、高电压、高功率微波等领域。传统的脉冲功率装置采用变压器或Marx发生器升压，由同轴型脉冲形成线储能，经由开关闭合，向负载释放能量形成方波，但这种装置往往体积庞大。

采用Marx型的技术路线，直接向负载放电形成方波脉冲，利于实现装置的小型化，是近年来的研究热点。而其中的关键是初级储能部件的研制，它的基本要求为储能密度高，且能够对负载释放出具有一定脉冲宽度，一定平顶的类方波(梯形波)。

薄膜型脉冲电容器具有储能密度高，寿命长，工作可靠，成本低等优点，是作为Marx发生器初级部件的理想元件，但也存在无法形成类方波的缺点。如果使用它制作脉冲形成网络，而网络一般需要4到5级，则体积大幅增加得不偿失。

《一种基于双电容结构的脉冲形成网络》的专利利用薄膜电容器，将脉冲形成网络降低至2级，且将整个网络封装在一个电容器内部，获得了重要且成功的应用。

然而，封装在电容内的脉冲网络参数受频率影响而变化，要调节出理想的波形质量需要一定难度。

发明内容

本发明公开了一种复合型长脉冲形成网络，为Marx发生器小型化脉冲功率装置提供一种可靠的初级电路，采用二级复合结构，有一级具备参数调节功能，能够产生质量较高的类方波。

本发明为实现上述目的，主要通过以下技术方案实现：

一种复合型长脉冲形成网络，其特征在于包括负载和A、B两部分，所述负载、A部分和B部分依次串接闭合成复合型长脉冲形成网络，所述A部分包括C₁、C₂、L₁、L₂，所述B部分包括串联的C₃和L₃，所述C₁和C₂并联，L₁一端与负载一端连接，L₁另一端、L₂一端连接在一起后与C₁一端连接，L₂另一端与C₂一端连接，C₁另一端和C₂另一端连接在一起后与L₃一端连接，L₃另一端、C₃和负载另一端依次串接。

在上述技术方案中，所述负载值为2ρ，输出脉宽的值为1.25τ。

在上述技术方案中，所述A部分中的C₁、C₂的电容值和L₁、L₂的电感值满足下述公式：

在上述技术方案中，所述C₁、C₂的电容值满足C₁：C₂＝1：2，L₁和L₂的电感值满足L₁：L₂＝1：2。

在上述技术方案中，所述B部分中的C₃电容值和L₃电感值满足下述公式：

在上述技术方案中，所述C₁、C₂、C₃为薄膜电容器。

在上述技术方案中，所述L₃的电感值包括内置在C₃内的铜片电感值和外置的绕线电感值。

在上述技术方案中，所述L₃外置的绕线电感值可调。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明的复合型长脉冲形成网络，除具备薄膜电容器的高储能密度优势外，突出特点是波形质量好，结构简单，制造工艺不复杂，尤其适用于输出脉宽要求宽的场合。

本发明中的A部分和B部分由于是串联，因此可以根据实际需要对A、B两部分进行合理化设置，例如串联顺序可以采用ABAB式交替设置，也可以是AABB式叠加设置。利用这种电路搭建Marx发生器，能够实现装置的小型化。

附图说明

图1为本发明的复合型长脉冲形成网络的等效电路图。

图2为本发明等效电路对负载的输出波形，以及电路中AB两部分的独立波形。其中：1为A部分电路对负载ρ的放电波形，2为B部分电路对负载ρ的放电波形，3为复合型长脉冲形成网络对负载2ρ的放电波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种复合型产脉冲形成网络，包括A、B相互独立的两部分，并且负载、A部分和B部分依次串接闭合形成复合型长脉冲形成网络。A部分为一个二级PFN网络，包括C₁、C₂、L₁、L₂，其中C₁和C₂并联，L₂是C₁和C₂之间的等效电感，L₁是C₁和负载之间的等效电感，具体是，L₁一端与负载一端连接，L₁另一端、L₂一端连接在一起后与C₁一端连接，L₂另一端与C₂一端连接，C₁另一端与C₂另一端连接。B部分包括串联的C₃和L₃，具体为，C₁另一端与C₂另一端连接后与L₃一端连接，L3另一端与C₃一端连接，C₃另一端与负载另一端连接。

负载的设计值为2ρ，输出脉宽的设计值为1.25τ。A部分中的C₁和C₂的电容值、L₁和L₂的电容值满足其中C₁和C₂最佳比例为C₁：C₂＝1：2，L₁和L₂的最佳比例为L₁：L₂＝1：2。A部分中的C₁和C₂为薄膜电容器，L₁和L₂为铜片电感，C₁、C₂、L₁和L₂封装在一起，可以采用两侧四端头双电容PFN模块，一侧的接线端子与负载连接，另一侧的接线端子与B部分的接线端子连接。A部分的理论波形如图2中的曲线1所示。

B部分中的C₃电容值满足L₃电感值满足B部分中的C₃为薄膜电容器，L₃的电感值一部分为内置在电容器中的铜片电感值，另一部分为外置的绕线电感值，铜片与绕线连接。由于L₃的外置电感可调，因此可以根据试验波形通过调整L₃的外置电感值来达到波形最优化的目的。

利用本发明的复合型长脉冲形成网络的电路搭建Marx发生器，向负载输出高压时A部分、B部分为串联工作，因此这两部分的次序可以更改。即串联的次序可以是ABAB式交替设置，也可以是AABB式叠加设置，根据具体的设计需要进行设置。

实施例一

利用本发明搭建Marx型脉冲功率装置，匹配负载阻抗为60欧姆，对负载输出脉冲的脉冲宽度不低于230纳秒，设计的Marx级数为20级。

首先按照图1搭建复合型脉冲形成网络，计算参数取τ＝180ns，ρ＝3Ω.则根据公式：

其中，C₁：C₂＝1：2，L₁：L₂＝1：2

计算出C₁＝10nF，C₂＝20nF，L₁＝90nH，L₂＝180nH，对C₁、C₂、L₁、L₂的参数进行微调，通过模拟获得图1中A部分电路对负载ρ的放电波形，如图2中的曲线1所示，是一个典型的双峰结构，波形顶部存在凹陷。

然后再根据公式

计算出C₃＝45nF，L₃＝405nH，通过模拟试验获得B部分电路对负载ρ的放电波形，如图2中的曲线2所示，是一个典型的LCR放电波形。

图2的曲线3是本发明的复合型长脉冲形成网络对负载2ρ的放电波形，可以从图2中看出电路中的A、B两部分的叠加过程。从波形显示，叠加后的脉冲的平顶质量好，平顶时间约100ns，脉冲宽度约245ns，略大于设计值。如果有必要，可以对参数进一步调整。

可以看出，本发明的复合型长脉冲形成网络，并没有采用单纯的3级网络结构，而是巧妙运用2级网络和独立LC电路串联，依靠二者叠加输出质量好的波形。

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 (8)

1.一种复合型长脉冲形成网络，其特征在于包括负载和A、B两部分，所述负载、A部分和B部分依次串接闭合成复合型长脉冲形成网络，所述A部分包括C₁、C₂、L₁、L₂，所述B部分包括串联的C₃和L₃，所述C₁和C₂并联，L₁一端与负载一端连接，L₁另一端、L₂一端连接在一起后与C₁一端连接，L₂另一端与C₂一端连接，C₁另一端和C₂另一端连接在一起后与L₃一端连接，L₃另一端、C₃和负载另一端依次串接。

2.根据权利要求1所述的一种复合型长脉冲形成网络，其特征在于所述负载值为2ρ，输出脉宽的值为1.25τ。

3.根据权利要求2所述的一种复合型长脉冲形成网络，其特征在于所述A部分中的C₁、C₂的电容值和L₁、L₂的电感值满足下述公式：

4.根据权利要求3所述的一种复合型长脉冲形成网络，其特征在于所述C₁、C₂的电容值满足C₁：C₂＝1：2，L₁和L₂的电感值满足L₁：L₂＝1：2。

5.根据权利要求3所述的一种复合型长脉冲形成网络，其特征在于所述B部分中的C₃电容值和L₃电感值满足下述公式：

6.根据权利要求1所述的一种复合型长脉冲形成网络，其特征在于所述C₁、C₂、C₃为薄膜电容器。

7.根据权利要求6所述的一种复合型长脉冲形成网络，其特征在于所述L₃的电感值包括内置在C₃内的铜片电感值和外置的绕线电感值。

8.根据权利要求7所述的一种复合型长脉冲形成网络，其特征在于所述L₃外置的绕线电感值可调。