CN110190834A - 一种基于玻纤板的单级和多级脉冲形成线及其感应叠加器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于玻纤板的单级和多级脉冲形成线及其感应叠加器，包括：MOSFET驱动电路、MOSFET开关、玻纤板基材、若干层覆铜电极；MOSFET驱动电路和MOSFET开关均焊接在玻纤板基材上表面；MOSFET驱动电路与MOSFET开关连接，用于驱动MOSFET开关；MOSFET开关与Blumlein脉冲形成线产生MHz重复频率、ns级脉宽的幅值数百伏的脉冲电压；利用层叠Blumlein脉冲电压叠加技术和感应电压叠加技术手段，实现叠加器MHz重复频率、ns级脉宽、数十kV幅值的脉冲电压输出；本发明中的感应电压叠加器可以产生MHz重复频率、ns级脉宽的高幅值的叠加电压输出，用于驱动电阻负载，也可以在二极管区产生高梯度电场，用于高能加速器电子束的引出。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，具体地，涉及一种基于玻纤板的单级和多级脉冲形成线及其感应叠加器。
背景技术
脉冲功率技术的发展趋势是高峰值功率、高重复频率、固态模块化、紧凑小型化等方向。高峰值功率装置的特点是单次运行、高电压和大电流，它可为负载提供极高的峰值功率和极高的能量密度。主要应用在高能量密度物理、高强度辐射源、电磁发射和强脉冲激光等领域。目前，制约高峰值功率技术发展的瓶颈是高峰值功率开关技术和材料绝缘性等方面。高重复频率脉冲功率装置的特点是高占空比、高平均功率以及高能量利用效率，主要用于高新技术武器、高能加速器和工业环保等领域。高重复频率脉冲功率装置对高平均功率的开关提出了较高的技术要求，面临的技术障碍包括冷却、效率、可靠性等方面。固态模块化、紧凑小型化的脉冲功率装置通常容易维护、稳定可靠性较高、机动性强、重量轻便、具有可扩展性，且容易实现商品化和批量生产，因此在高新技术武器、工业化应用和高梯度加速器等领域具有巨大的应用前景。
通常而言，利用脉冲功率技术单独产生高梯度电场、或者MHz重复频率电压、或者ns级脉宽的脉冲电压都有相应的技术手段，如利用感应电压叠加原理在二极管间隙处产生高梯度电场(受高压开关限制，通常只能单次或者极低重复频率工作)，利用低压射频MOSFET固态开关产生MHz重复频率脉冲电压(一般只有几百伏电压输出)，利用脉冲形成线技术产生ns级脉宽的脉冲电压，这些技术都是很成熟的技术，也相对容易实现。但要同时产生MHz重复频率、ns级脉宽的高梯度电场，目前还没有相应的技术报道。
发明内容
在某些高能电子加速器中，既要利用MHz重复频率的脉冲电源实现束流的高平均功率，又要依靠高梯度电场来减小束流的初始发射度。同时受材料绝缘的限制，为了实现高梯度电场又需要降低脉冲电压的脉宽，且越窄越好(依据马丁经验公式V＝Vt .(τt/τ)0.2，脉冲电压的脉宽越窄，材料的闪络场强越高)。因此如何设计高重复频率脉冲电源，产生高梯度电场来实现电子束低初始发射度是高能电子加速器关注点之一。本发明提出了一种玻纤板多级层叠Blumlein脉冲形成线的感应电压叠加器，可实现高梯度电场。
本发明利用射频MOSFET开关的MHz重复频率特点，结合固态脉冲形成线ns级脉冲产生技术、多级层叠Blumlein脉冲形成线电压叠加技术和感应电压叠加技术实现MHz重复频率、ns级脉宽的高梯度电场的产生。
本申请提供了一种单级Blumlein脉冲形成线，利用射频MOSFET开关可MHz重复频率工作、具有ns级前沿及抖动的特点，结合ns级脉宽平板Blumlein脉冲形成线技术，可以产生MHz重复频率、ns级脉宽，幅值为数百伏至一千伏的脉冲电压。所述Blumlein脉冲形成线包括：
MOSFET驱动电路、MOSFET开关、玻纤板基材、若干层覆铜电极；MOSFET驱动电路和MOSFET开关均焊接在玻纤板基材上表面；MOSFET驱动电路与MOSFET开关连接，用于驱动MOSFET开关；MOSFET开关的地电极与Blumlein脉冲形成线的第1层覆铜电极连接；MOSFET开关的输出高压电极与Blumlein脉冲形成线的第2层覆铜电极连接；若干层覆铜电极中的一部分覆铜电极被压制在玻纤板基材的内部，若干层覆铜电极中的另一部分覆铜电极被印制在玻纤板基材的表面。
其中，覆铜电极的层数为3层。
其中，MOSFET开关的输出地电极与Blumlein脉冲形成线的第1层覆铜电极在Blumlein脉冲形成线的输入端处连接；MOSFET开关的输出高压电极与Blumlein脉冲形成线的第2层覆铜电极在Blumlein脉冲形成线的输入端处连接。
其中，玻纤板基材为电极之间的储能介质。
其中，3层覆铜电极中的中间覆铜电极被压制在玻纤板基材的内部，3层覆铜电极中的另外两层覆铜电极被印制在玻纤板基材的表面。
本申请还提供了一种多级层叠Blumlein脉冲形成线，所述的多级层叠Blumlein脉冲形线由N个前面所述的单级Blumlein脉冲形成线层叠而成，N为大于或等于2的整数，它具有单级Blumlein脉冲形成线的特点，结合多级层叠Blumlein脉冲形成线技术，可以产生MHz重复频率、ns级脉宽，幅值为2.5-3kV的脉冲电压。
第一级Blumlein脉冲形成线的MOSFET开关M1的输出地电极与多级层叠Blumlein脉冲形成线的第1层电极在第一级Blumlein脉冲形成线的输入端连接，M1的输出高压电极与多级层叠Blumlein脉冲形成线的第2层电极在第一级Blumlein脉冲形成线的输入端连接；
第二级Blumlein脉冲形成线的MOSFET开关M2的输出地电极与多级层叠Blumlein脉冲形成线的第3层电极在第二级Blumlein脉冲形成线的输入端连接，M2的输出高压电极与多级层叠Blumlein脉冲形成线的第4层电极在第二级Blumlein脉冲形成线的输入端连接；
N个Blumlein脉冲形成线以此类推层叠形成多级层叠Blumlein脉冲形成线；其中，第3层电极压制有第一级Blumlein脉冲形成线的一个电极和第二级Blumlein脉冲形成线的一个电极；第5层电极压制有第二级Blumlein脉冲形成线的一个电极和第三级Blumlein脉冲形成线的一个电极；第7层电极压制有第三级Blumlein脉冲形成线的一个电极和第四级Blumlein脉冲形成线的一个电极，以此类推；
由2N+1层电极构成的N级层叠Blumlein脉冲形成线在输出端接有负载，负载接于第1层电极与第2N+1层电极的输出端。
其中，所述多级层叠Blumlein脉冲形成线具体为四级层叠Blumlein脉冲形成线。
本申请还提供了一种感应电压叠加器，它具有本发明所述的多级层叠Blumlein脉冲形成线的MHz重复工作频率及ns级脉宽的特点，结合感应电压叠加技术，可以输出MHz重复频率、ns级脉宽，幅值为十几kV至数十kV的脉冲电压(幅值由感应电压叠加器的级数决定)，进而产生数十kV/mm的高梯度电场，用于高能加速器电子束的引出。所述感应电压叠加器包括：若干个前面所述的多级层叠Blumlein脉冲形成线和相应个数的磁芯感应腔；其中，每个多级层叠Blumlein脉冲形成线的输出端接有穿过磁芯的导线或感应腔，独立驱动一个磁芯感应腔；一个多级层叠Blumlein脉冲形成线和一个对应的磁芯感应腔构成一个感应电压组元；若干个感应电压组元通过中心叠加杆串接，使每级感应电压组元的输出电压逐级叠加，最终在由阴阳极构成的二极管负载区形成高梯度电场。
其中，磁芯感应腔为多级层叠Blumlein脉冲形成线的负载。
其中，叠加杆穿过每一个磁芯感应腔。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了可工作在MHz重复频率的射频MOSFET开关，它兼具ns级前沿的特点，结合ns级脉宽玻纤板Blumlein脉冲形成线技术，可以产生MHz重复频率、ns级脉宽，幅值为数百伏至一千伏的脉冲电压；脉冲电压经多级层叠Blumlein脉冲形成线技术实现第一次叠加，其重复频率为MHz、脉宽为ns量级，幅值为2.5-3kV；多级层叠Blumlein脉冲形成线输出的脉冲电压再经感应电压叠加技术实现第二次叠加，其重复频率仍为MHz、脉宽仍为ns量级，幅值则为十几kV至数十kV(幅值由感应电压叠加器的级数决定)。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是基于玻纤板的MOSFET开关和单级Blumlein脉冲形成线一体化结构设计示意图；
图2是玻纤板4级层叠Blumlein脉冲形成线的结构示意图；
图3是5级感应叠加器示意图；
图4是充电自复位脉冲电压和主脉冲电压输出波形示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明采用MHz重复频率、ns级前沿的射频MOSFET开关：
目前，能够产生ns级前沿、MHz重复频率的开关主要是半导体开关，包括射频MOSFET开关、光导开关等。光导开关的功率比射频MOSFET开关要大，但光导开关的导通内阻偏大，损耗在开关上的功率较大。因此，虽然光导开关具有MHz重复工作能力，但由于开关寿命的限制，实际使用时开关很难工作在MHz重复频率，并且光导开关的稳定性、可靠性方面还有待提高。商用成熟的射频MOSFET开关通常仅能工作在1kV以内，提供的脉冲电流大于100A，能够以MHz重复频率稳定可靠工作。但由于其功率容量小，要产生高电压或者大电流，就需要串并联使用。本发明就是利用射频MOSFET开关的MHz重复频率、ns级前沿特点，结合脉冲电压产生和叠加技术产生高峰值功率的ns级脉宽的脉冲电压。
本发明采用玻纤板固态纳秒Blumlein脉冲形成线：
玻纤板是以环氧树脂作粘合剂，以电子级玻璃纤维布作增强材料的一类基板，是制作多层印制电路板的重要基材，如各类电路板制作。玻纤板具有电气绝缘性能稳定、机械性能良好、表面光滑平整、厚度公差标准等特点，其玻纤板材料的相对介电常数εr≤5.5，介质损耗σ≤0.04。因此，以εr＝5.5为例，利用Blumlein脉冲形成线产生脉冲电压，则依据可知(其中τ是脉冲形成线输出脉冲电压的脉宽，l是脉冲形成线电极的几何长度，c是真空中的光速)，仅需320mm长的脉冲形成线即可产生5ns脉宽的脉冲电压输出。基于平板型Blumlein脉冲形成线产生脉冲电压产生的原理可参考专利ZL201310364559.8。所不同的是，专利ZL201310364559.8中所使用的开关为光导开关，储能介质是陶瓷。而本专利中所使用的开关为射频MOSFET，储能介质是环氧树脂玻纤材料。
在实际使用时，需根据负载情况设计平板Blumlein的输出阻抗。例如，需要设计的单级平板Blumlein脉冲形成线的输出阻抗是14Ω，则可将玻纤板的电极设计为层间间距为0.7mm、电极宽度为15mm的结构。当电极长度为450mm时，单级平板Blumlein脉冲形成线可输出约7ns脉宽的电压。另外，要实现Blumlein脉冲形成线MHz重复频率工作，还需要在平板Blumlein脉冲形成线旁并联一个较大的储能电容和合适的隔离电阻，电容确保Blumlein脉冲形成线放电完成后，能够即时通过隔离电阻给Blumlein脉冲形成线再充电，隔离电阻在对Blumlein脉冲形成线充电时起限流作用，在放电时起隔离作用。
利用玻纤板材料作为储能介质的优点包括：(1)、开关和Blumlein脉冲形成线的一体化设计：如图1所示，在整块电路板上设计好MOSFET开关及其驱动的电路结构，平板固态Blumlein脉冲形成线的多层电路结构，一次性一体化制作出电路板，只需要在电路板上焊接上必要的电子元器件就能够输出纳秒量级脉冲电压，这种一体化设计解决了开关及其驱动、平板传输线、负载连接等结构设计问题；(2)、玻纤材料是有机材料，比陶瓷等无机材料具有更高的韧性，可以根据平板Blumlein脉冲形成线阻抗设计需要，制作出很小的电极间隙(很薄的绝缘厚度)；(3)、玻纤板制作工艺成熟，产品性能稳定，且价格便宜，因此玻纤板纳秒Blumlein脉冲形成线相对陶瓷纳秒Blumlein脉冲形成线更具有性价比。
本发明中的Blumlein脉冲形成线包括：MOSFET驱动电路、MOSFET开关、玻纤板基材、若干层覆铜电极。MOSFET驱动电路和MOSFET开关均焊接在玻纤板基材上表面，MOSFET驱动电路与MOSFET开关连接，用于驱动MOSFET开关；MOSFET开关的地电极与Blumlein脉冲形成线的第1层电极在输入端连接；MOSFET开关的输出高压电极与Blumlein脉冲形成线的第2层电极在输入端连接；3层覆铜电极中的中间覆铜电极被压制在玻纤板基材的内部，3层覆铜电极中的另外两层覆铜电极被印制在玻纤板基材的表面。玻纤板基材即为电极之间的储能介质。
本发明采用多级层叠Blumlein脉冲形成线技术实现脉冲电压的第一次叠加：
由于单个MOSFET的工作电压小于1000V，因此要提高输出纳秒脉冲电压的幅值，首先采用的多级层叠Blumlein脉冲形成线技术。考虑到多级层叠Blumlein脉冲形成线与地电极之间，以及各级层叠Blumlein脉冲形成线之间的电磁耦合效应引起的电压输出效率降低问题，这里的多级层叠通常设计成3-4级层叠Blumlein脉冲形成线，这是根据输出电压的幅值和输出电压的叠加效率的折中设计。
由于玻纤板采用压制和印刷的方式制作电极，因此一个多级层叠Blumlein脉冲形成线可直接由多层玻纤电路板压制和印刷制成(如n级层叠Blumlein脉冲形成线由2n+1层玻纤电路板压制和印刷而成)，而不需要像常见的多级层叠Blumlein脉冲形成线那样，依靠多个单级平板Blumlein脉冲形成线在负载端逐级叠加而成。这样一体化的多级层叠Blumlein电压叠加器结构简单，无需额外固定装置。以4级层叠Blumlein脉冲形成线为例说明：4级层叠Blumlein脉冲形成线，可以用9层玻纤电路板压制和印刷制成，如图2正视图，1-3层电路板组成Blumlein脉冲形成线1，3-5层电路板组成Blumlein脉冲形成线2，5-7层电路板组成Blumlein脉冲形成线3，7-9层电路板组成Blumlein脉冲形成线4。根据单级平板Blumlein脉冲形成线电极间距0.7mm、电极宽度15mm的结构设计，4级平板Blumlein的输出阻抗约60Ω。当平板Blumlein脉冲形成线充电1kV，考虑到开关内阻损耗以及叠加效率的损失，叠加输出的电压幅值约2.5-3kV。
其中，本实施例中的所述多级层叠Blumlein脉冲形线由若干个单级Blumlein脉冲形成线层叠而成。以四级层叠Blumlein脉冲形成线为例，它由四个单级层叠Blumlein脉冲形成线构成。每个单级Blumlein脉冲形成线的结构如图1所示。
第一个MOSFET开关M1的输出地电极与四级层叠Blumlein脉冲形成线的第1层电极在Blumlein脉冲形成线1的输入端连接，M1的输出高压电极与四级层叠Blumlein脉冲形成线的第2层电极在Blumlein脉冲形成线1的输入端连接；
第二个MOSFET开关M2的输出地电极与四级层叠Blumlein脉冲形成线的第3层电极在Blumlein脉冲形成线2的输入端连接，M2的输出高压电极与四级层叠Blumlein脉冲形成线的第4层电极在Blumlein脉冲形成线2的输入端连接；以此类推。
其中，第3层电极压制有第一级Blumlein脉冲形成线的一个电极和第二级Blumlein脉冲形成线的一个电极；第5层电极压制有第二级Blumlein脉冲形成线的一个电极和第三级Blumlein脉冲形成线的一个电极；第7层电极压制有第三级Blumlein脉冲形成线的一个电极和第四级Blumlein脉冲形成线的一个电极。
由9层电极构成的四级层叠Blumlein脉冲形成线在输出端接有负载，负载接于第1层和第9层的输出端。
本发明采用感应电压叠加技术实现脉冲电压的第二次叠加，并采用充电自复位设计实现多感应腔磁芯复位：
多级层叠Blumlein脉冲形成线的输出幅值仅2-3kV，要实现更高电压输出(高梯度场强)，如数十kV电压输出，还需要利用感应电压叠加原理使电压进一步提高。感应电压叠加原理是很成熟的技术，不像多级层叠Blumlein电压叠加原理，它利用磁芯来实现隔离和叠加，因此不存在叠加效率问题。理论上，叠加的级数可以不受限制，N级感应电压叠加可以实现N倍单级电压输出。
以5级感应电压叠加为例：5级感应电压叠加器有5个感应腔，每级感应腔由一个4级层叠Blumlein脉冲形成线供电，如图3所示。5个感应腔通过中心叠加杆串联，在负载上就可以获得5倍的多级层叠Blumlein脉冲形成线电压。本文所述的MHz重复频率感应电压叠加器需要磁芯在μs时间内作出“复位—励磁”的动作，对于利用Blumlein脉冲形成线驱动的磁芯，则刚好可以利用Blumlein脉冲形成线充电时的反向电压进行复位，进而实现磁芯工作在MHz重复频率的“充电自复位—励磁”的模式下，如图4所示。
其中，感应电压叠加器包括若干个多级层叠Blumlein脉冲形成线和相应个数的磁芯感应腔。以五级感应电压叠加器为例：每一个层叠Blumlein脉冲形成线的输出端接有穿过磁芯的导线(或感应腔)，独立驱动一个磁芯感应腔(磁芯感应腔为层叠Blumlein脉冲形成线的负载)。一个层叠Blumlein脉冲形成线和一个磁芯感应腔构成一个感应电压组元；5个感应电压组元通过中心叠加杆串接(叠加杆穿过每一个磁芯感应腔)，使每级感应电压组元的输出电压逐级叠加，最终在由阴阳极构成的二极管负载区形成高梯度电场。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于玻纤板的单级脉冲形成线，其特征在于，所述单级脉冲形成线包括：
MOSFET驱动电路、MOSFET开关、玻纤板基材、若干层覆铜电极；MOSFET驱动电路和MOSFET开关均焊接在玻纤板基材上表面；MOSFET驱动电路与MOSFET开关连接，用于驱动MOSFET开关；MOSFET开关的地电极与Blumlein脉冲形成线的第1层覆铜电极连接；MOSFET开关的输出高压电极与Blumlein脉冲形成线的第2层覆铜电极连接；若干层覆铜电极中的一部分覆铜电极被压制在玻纤板基材的内部，若干层覆铜电极中的另一部分覆铜电极被印制在玻纤板基材的表面。
2.根据权利要求1所述的基于玻纤板的单级脉冲形成线，其特征在于，覆铜电极的层数为3层。
3.根据权利要求1所述的基于玻纤板的单级脉冲形成线，其特征在于，MOSFET开关的输出地电极与Blumlein脉冲形成线的第1层覆铜电极在Blumlein脉冲形成线的输入端处连接；MOSFET开关的输出高压电极与Blumlein脉冲形成线的第2层覆铜电极在在Blumlein脉冲形成线的输入端处连接。
4.根据权利要求1所述的基于玻纤板的单级脉冲形成线，其特征在于，玻纤板基材为电极之间的储能介质。
5.根据权利要求1所述的基于玻纤板的单级脉冲形成线，其特征在于，3层覆铜电极中的中间覆铜电极被压制在玻纤板基材的内部，3层覆铜电极中的另外两层覆铜电极被印制在玻纤板基材的表面。
6.一种基于玻纤板的多级脉冲形成线，其特征在于，所述多级脉冲形成线由N个权利要求1-5中任意一个所述的单级脉冲形成线层叠而成，N为大于或等于2的整数；
第一级Blumlein脉冲形成线的MOSFET开关M1的输出地电极与多级层叠Blumlein脉冲形成线的第1层电极在第一级Blumlein脉冲形成线的输入端连接，M1的输出高压电极与多级层叠Blumlein脉冲形成线的第2层电极在第一级Blumlein脉冲形成线的输入端连接；
第二级Blumlein脉冲形成线的MOSFET开关M2的输出地电极与多级层叠Blumlein脉冲形成线的第3层电极在第二级Blumlein脉冲形成线的输入端连接，M2的输出高压电极与多级层叠Blumlein脉冲形成线的第4层电极在第二级Blumlein脉冲形成线的输入端连接；
N个Blumlein脉冲形成线以此类推层叠形成多级层叠Blumlein脉冲形成线；其中，第3层电极压制有第一级Blumlein脉冲形成线的一个电极和第二级Blumlein脉冲形成线的一个电极；第5层电极压制有第二级Blumlein脉冲形成线的一个电极和第三级Blumlein脉冲形成线的一个电极；第7层电极压制有第三级Blumlein脉冲形成线的一个电极和第四级Blumlein脉冲形成线的一个电极，以此类推；
由2N+1层电极构成的N级层叠Blumlein脉冲形成线在输出端接有负载，负载接于第1层电极与第2N+1层电极的输出端。
7.根据权利要求6所述的基于玻纤板的多级脉冲形成线，其特征在于，所述多级层叠Blumlein脉冲形成线具体为四级层叠Blumlein脉冲形成线。
8.一种感应电压叠加器，其特征在于，所述感应电压叠加器包括：若干个权利要求6所述的多级脉冲形成线和相应个数的磁芯感应腔；其中，每个多级层叠Blumlein脉冲形成线的输出端接有穿过磁芯的导线或感应腔，独立驱动一个磁芯感应腔；一个多级层叠Blumlein脉冲形成线和一个对应的磁芯感应腔构成一个感应电压组元；若干个感应电压组元通过中心叠加杆串接，使每级感应电压组元的输出电压逐级叠加，最终在由阴阳极构成的二极管负载区形成高梯度电场。
9.根据权利要求8所述的感应电压叠加器，其特征在于，磁芯感应腔为多级层叠Blumlein脉冲形成线的负载。
10.根据权利要求8所述的感应电压叠加器，其特征在于，叠加杆穿过每一个磁芯感应腔。
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