CN109861667B - 一种PFN-Marx型驱动源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PFN‑Marx型驱动源，依次包括初级充电单元、可饱和脉冲可饱和变压器单元、PFN单元以及开关负载单元四个部分。采用先反转叠加，后形成方波脉冲输出，各级PFN之间直接相连，实现了PFN‑Marx型驱动源只需一个控制开关即可运行，大大降低了系统的复杂性，对于获得良好的输出方波脉冲以及整体装置的小型紧凑化具有重要意义。

Description

一种PFN-Marx型驱动源

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种PFN-Marx型驱动源。

背景技术

高幅值、长脉宽、快前沿的方波脉冲一直是高功率脉冲驱动源技术追求的目标，随着科学技术的发展，固态化、小型紧凑化以及重复频率运行成为新的发展趋势。现阶段，在固态脉冲形成线难以获得较大突破的情况下，对基于陶瓷储能电容器的脉冲形成网络(Pulse Forming Net，简称PFN，亦称人工线)的研究得到了重视。由于PFN输出电压为各电容器充电电压的一半，一系列基于PFN的叠加技术不断涌现，包括PFN-Marx发生器技术，PFN-Blumlein线技术，层叠PFN-Blumlein线技术等。这类技术的共同特点是需要与叠加级数相同的开关数量(采用正负充电时，开关数量为级数的一半)来实现其功能，导致系统非常复杂，可靠性降低。同时，输出脉冲的好坏直接取决于如此多的开关的导通同步性，需要额外的多路同步触发装置，系统较为复杂，且输出易受开关抖动等不稳定因素的影响。这种现象在级数达到十级以上时则更为明显。

发明内容

为了解决传统PFN-Marx型驱动源开关数量多、输出波形质量较差的问题，本发明提出一种PFN-Marx型驱动源，采用了新的电压叠加方式与脉冲形成方式，只需一个开关，即充电结束后首先电压极性反转，而后开关导通放电，使得全系统只需要一个放电主开关控制即可，系统复杂程度大为降低，工作更为可靠。

本发明的基本思路是采用先反转叠加，后形成方波脉冲输出，各级PFN之间直接相连，对解决科学研究与应用中遇到的实际问题具有重大意义。

本发明的技术解决方案是提供一种PFN-Marx型驱动源，其特殊之处在于：包括初级充电单元、可饱和脉冲可饱和变压器单元、PFN单元以及开关负载单元；

上述初级充电单元包括初级储能电容及初级电容放电控制开关；

上述可饱和脉冲可饱和变压器单元包括可饱和变压器初级电感，可饱和变压器闭合磁环及n个可饱和变压器次级电感；n个可饱和变压器次级电感绕制在同一闭合磁环上；

上述PFN单元包括2n级直接相连的PFN及n组接地电感，每级PFN包括m个电容电感单元，接地电感并联在相邻两级PFN的两端；其中m≥4，n≥2；

可饱和变压器的每个次级电感分别为相邻两级PFN充电；

上述开关负载单元包括放电控制开关以及负载；放电控制开关的输入端与PFN单元的输出端连接，放电控制开关的输出端通过负载接地。

进一步地，2n级PFN结构相同，每级PFN中m个电容量相同，m个电感均不同。

进一步地，上述电容器采用陶瓷电容，电感采用铜排。

PFN-Marx型驱动源的工作时序是：

充电-PFN单元电压极性反转-放电控制开关导通-各级电压叠加并按照单线方式放电。

充电过程中，初级储能电容通过可饱和脉冲可饱和变压器的各个次级电容为每一级PFN进行充电，充电均匀性是形成良好方波脉冲的前提条件。

充电过程中，理想情况下，放电控制开关上承受电压为0。随着充电过程的进行，脉冲可饱和变压器闭合磁环饱和，各次级电感的电感值突变至饱和电感值，与之相连的PFN开始电压极性反转，放电控制开关承受电压逐渐增大，并在反转完成之后达到最高电压，放电控制开关随之导通。

之后的放电过程即为单线PFN叠加进行放电，能够获得良好的输出方波脉冲。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的PFN-Marx型驱动源，只需一个控制开关，开关数量较相同类型发生器而言已降至最少，系统简单，减少不稳定因素影响，可靠性高；

2、本发明提供的PFN-Marx型驱动源各级PFN直接相连进行放电，大大降低了杂散参数的引入，不引入任何中间部件，保证了输出方波脉冲的质量；

3、本发明可通过调整各级PFN中的电感，确保输出高质量方波脉冲。

附图说明

图1为本发明实施例中PFN-Marx型驱动源的结构示意图；

图2为实施例二中单级PFN输出脉冲；

图3为实施例二中具有十级PFN的PFN-Marx型驱动源输出脉冲。

图中附图标记为：1-初级储能电容，2-初级电容放电控制开关，3-可饱和变压器初级电感，4-可饱和变压器闭合磁环，5-可饱和变压器次级电感，8-PFN电容，9-PFN电感，10-接地电感，11-放电控制开关，12-负载。

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1可以看出，本实施例主要由四个部分组成，分别为初级充电单元、可饱和脉冲可饱和变压器单元、PFN单元以及开关负载单元。

初级充电单元包括初级储能电容1及初级电容放电控制开关2。

可饱和脉冲可饱和变压器单元包括可饱和变压器初级电感3，可饱和变压器闭合磁环4及n个可饱和变压器次级电感5；在该实施例中n等于3。在其他实施例中n可取大于等于2的正整数。当初级电容放电控制开关2导通时，初级储能电容1、初级电容放电控制开关2与可饱和变压器初级电感3形成闭合回路。

相对应地，该实施例中PFN单元包括6级直接相连的PFN及6组接地电感，每一级PFN包括5个相互连接的电容电感单元，在其他实施例中，可包括4个以上的电容电感单元，电容器采用陶瓷电容，电感采用具有一定宽度厚度的铜排。接地电感并联在相邻两级PFN的两端；PFN单元中PFN的级数与可饱和变压器次级电感5呈倍数关系，在充电时，可饱和变压器的每个次级电感分别同时为相邻两级PFN充电；放电时，每一级PFN依次叠加进行放电。

开关负载单元包括相互串联的放电控制开关11以及负载12；放电控制开关11的输入端与PFN单元的输出端连接，放电控制开关11的输出端通过负载12接地。

充电过程中，理想情况下，放电控制开关11上承受电压为0。随着充电过程的进行，可饱和变压器闭合磁环4饱和，各可饱和变压器次级电感5的电感值突变至饱和电感值，与之相连的PFN开始电压极性反转，放电控制开关11承受电压逐渐增大，并在反转完成之后达到最高电压，放电控制开关随之导通，对负载12放电。只需一个放电控制开关，即可实现方波脉冲输出。

实施例二

该实施例介绍本发明应用于产生80ns方波脉冲的实施方案。

为了兼顾理想波形和尽量减少电容电感数量，本实施例每一级PFN采用4节电容电感的结构，电容量为2nF，电感采用非均匀排布，从远离放电端依次为60nH，45nH，50nH以及90nH，阻抗约为5Ω。

单级PFN模拟输出波形如图2所示。此时充电电压为1V，理想输出电压幅值为0.5V。

采用十级PFN构成PFN-Marx型驱动源，其输出波形如图3所示，此时输出电压幅值约为4.5V。可以看出，经过十级叠加，波形并未发生明显畸变，这是该电路结构的明显优势。

Claims (3)

1.一种PFN-Marx型驱动源，其特征在于：包括初级充电单元、可饱和脉冲可饱和变压器单元、PFN单元以及开关负载单元；

所述初级充电单元包括初级储能电容(1)及初级电容放电控制开关(2)；

所述可饱和脉冲可饱和变压器单元包括可饱和变压器初级电感(3)，可饱和变压器闭合磁环(4)及n个可饱和变压器次级电感；n个可饱和变压器次级电感绕制在同一闭合磁环(4)上；

所述PFN单元包括2n级直接相连的PFN及n组接地电感(10)，每级PFN包括m个电容电感单元，接地电感(10)并联在相邻两级PFN的两端；其中m≥4，n≥2；

可饱和变压器的每个次级电感分别为相邻两级PFN充电；

所述开关负载单元包括放电控制开关(11)以及负载(12)；放电控制开关(11)的输入端与PFN单元的输出端连接，放电控制开关(11)的输出端通过负载接地；

充电过程中，理想情况下，放电控制开关(11)上承受电压为0；随着充电过程的进行，可饱和变压器闭合磁环(4)饱和，各可饱和变压器次级电感(5)的电感值突变至饱和电感值，与之相连的PFN开始电压极性反转，放电控制开关(11)承受电压逐渐增大，并在反转完成之后达到最高电压，放电控制开关随之导通，对负载(12)放电。

2.根据权利要求1所述的PFN-Marx型驱动源，其特征在于：2n级PFN结构相同，每级PFN中m个电容量相同，m个电感均不同。

3.根据权利要求2所述的PFN-Marx型驱动源，其特征在于：电容采用陶瓷电容，电感采用铜排。

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