CN110289835B - 电容储能单元、双列式高压脉冲生成设备及对应主体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容储能单元、双列式高压脉冲生成设备及对应主体结构。电容储能单元包括2只或3只电容，以及2只分支数量不低于电容的数量的分叉型金属片，各只电容并列设置，引线端朝向一致；各只电容的两端分别连接到两只分叉型金属片的对应分支；两分叉型金属片之间不电性导通；各分叉型金属片上均设置有与外界连接的端口。设备由若干电容储能单元通过气体火花开关逐一串联而成，各电容储能单元错位排列，相邻电容储能单元的电容的引线端相对设置，金属片端口纵向重叠。将高压脉冲生成设备安装入外部壳体即得到脉冲功率源主体结构。本发明的电容无需定制，制造成本低，调节和更换灵活，结构简单，具有小型化特点。

Description

电容储能单元、双列式高压脉冲生成设备及对应主体结构

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域，尤其是一种适用于高压脉冲功率源的电容储能子单元结构，以及基于该结构的双列式高压脉冲生成设备和对应的脉冲功率源主体结构。

背景技术

脉冲功率技术，是一种将电能缓慢存储，在极短时间内向负载快速释放的高压脉冲产生技术。向负载输出的脉冲电压，脉冲宽度通常约几十至数百纳秒，输出功率通常在数吉瓦(10⁹瓦)以上。可应用于材料研究，环境保护，高电压实验，以及高功率微波技术等领域。而小型化、长寿命是脉冲功率装置重要的发展方向。

传统的脉冲功率装置依靠Marx发生器或者变压器升压，依靠同轴型脉冲形成线形成方波，体积庞大。如果波形的形成依赖于同轴型脉冲形成线，则使用该技术路线无法实现小型化，或者小型化的程度有限。典型装置参见《40GW重复频率脉冲驱动源研制进展·彭建昌·2010》、《基于螺旋线的紧凑型高压纳秒脉冲发生器·潘亚峰·2017》。

用人工线网络充当Marx发生器的初级部件，直接用Marx发生器输出脉冲电压，能够实现小型化。普遍认为，人工线网络应采用足够多的电容器，至少是5只，才能保证波形质量。因此，当前的主流是采用陶瓷电容器制作人工线，为了拟合阻抗，往往采用多级人工线并联，这样一来，每级人工线使用的电容数量成倍增长。这种人工线网络的缺点在于，大量陶瓷电容器高压重频工作下，出现一只电容器损坏而导致整条人工线报废的概率大大增加，从而制约了使用寿命。典型装置参见《脉冲形成网络的设计与实验研究·王庆峰·2009》，《基于Blumlein脉冲形成网络的直线变压器驱动源设计·李名加·2011》，《光导开关级联Blumlein型脉冲网络设计·马勋·2013》，《固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器·李志强·2014》。

CN201310153296.6公开了一种基于双电容结构的脉冲形成网络。其使用两只封装在一起的电容器，研制脉冲功率源。虽然其可以实现装置的小型化，但是，其所采用的电容器需要特别定制，兼容性不强，制造成本高。且其将双电容进行了一体封装，不便于对波形的调节。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种电容储能单元，以及基于该结构设计的高压脉冲生成设备和脉冲功率源主体结构。以以解决现有脉冲形成网络不易调节波形、制造成本高、兼容性差的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种应用于脉冲功率源的电容储能单元结构，其包括2只或3只电容，以及2只分叉型金属片，所述分叉型金属片的分支数量不低于所述电容的数量；各只所述电容并列设置，各只所述电容的引线端朝向一致；各只所述电容的两端分别连接到两只所述分叉型金属片的对应分支；两所述分叉型金属片之间不电性导通；各所述分叉型金属片上均设置有与外界连接的端口。

将若干(2只或3只)电容并列，再通过两分叉型金属片的分支并联各电容的同性电极，金属片的分支末端到端口之间充当电感，各分支与所连电容构成LC串联支路，金属片实现若干LC串联之间的并联。这样，各只电容可以单独进行灵活的调节和替换，以灵活调节脉冲波形。此外，本发明对所选用的电容无定制要求，选用标准产品，无需额外的特殊加工，具有较高的兼容性，同时也减小了制造成本。电容引线端设计朝向一致，使得端口在电容侧面，进而便于灵活设计多个电容储能单元之间的构造关系，便于高效利用空间资源，为脉冲源装置的小型化设计提供了强有力支撑。

进一步的，上述分叉型金属片包括主干，和由主干侧面沿同一侧引出的若干分支，所述与外界连接的端口设置于所述主干上。

分叉型金属片的结构设计，在多个电容储能单元进行组合排列时，仅需主要考虑主干部分的构造关系即可。

进一步的，各所述电容的引线端齐平。

引线端齐平使得电容金属片的分支齐平，使得电容储能单元整体结构较为方正，便于电容储能单元各部件间的安装和整体结构的设计，便于装置的小型化。同时，也便于多个电容储能单元进行组合时整体结构的规划。

进一步的，各所述电容并列设置为一排。

将多个电容同排并列，使得电容储能单元在纵向占用的空间最少，进而便于装置的小型化。

进一步的，至少一只所述电容为脉冲薄膜电容。

传统至少5级电容结构的脉冲源装置多采用陶瓷电容，长时间连续运行时，使用寿命短。本发明适合采用脉冲薄膜电容，可大幅提高装置的使用寿命。

本发明提供了一种高压脉冲生成设备，其特征在于，其包括若干上述的电容储能单元，以及较所述电容储能单元数量少一的气体火花开关；所述电容储能单元在纵向上以错位方式排列为两列，相邻的电容储能单元额电容的引线端相对，各电容储能单元的分叉型金属片的端口在纵向上重叠，每相邻两个电容储能单元间设置有一气体火花开关；每一个所述气体火花开关的两端分别与相邻电容储能单元的相邻侧的分叉型金属片的端口连接；近地端的电容储能单元未连接电气火花开关的分叉型金属片的端口接地，另一端的电容储能单元未连接电气火花开关的分叉型金属片的端口作为高压脉冲输出端口；每一个气体火花开关的两端分别连接有充电电感。

上述双列式排列电容储能单元的设计，高效利用了空间资源，即在采用同等级数的电容网络时，所占用的空间资源最少或较少，实现了脉冲源装置的小型化，便于在高功率微波技术领域的应用。

进一步的，非端部的各级所述电容储能单元两端利用充电电感的正负极性进行充电，或一端通过充电电感进行单极性充电，另一端接地。所谓的非端部，是指在高压脉冲生成设备中，处于中间层级的电容储能单元(非接地或非连接负载)。

本发明提供了一种脉冲功率源主体结构，其包括上述的高压脉冲生成设备以及外部壳体，所述高压脉冲生成设备通过支撑紧固结构设置于所述外部壳体内。

进一步的，上述支撑紧固结构由绝缘材料制成。

进一步的，上述脉冲功率源主体的工作绝缘介质为气体绝缘介质或液体绝缘介质。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的单级波形形成单元(即电容储能单元)的电容无需进行额外定制，制造成本低。其结构排列紧凑、合理，具有小型化的特点。各只电容独立工作，可进行灵活调节和替换，进而实现对输出脉冲波形的灵活调整。

2、本发明的产品具备长使用寿命的特点。

3、本发明的多级电容储能单元结构的高压脉冲生成设备具有小型化的特点，结构简单、配置灵活。

4、本发明的脉冲功率源主体输出脉冲前沿相对较快，平顶表现好，可高效利用于高功率微波技术领域。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是单级电容储能单元结构图。

图2是图1的爆炸图。

图3是“E”型分叉型金属片的结构图。

图4是相邻两级电容储能单元的构造关系图。

图5是图4的爆炸图。

图6是21级电容储能单元所构成的高压脉冲生成装置的结构图。

图7是图6的正视图。

图8是图6搭载负载后输出的脉冲波形。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

本实施例公开了一种脉冲功率装置，其包括脉冲源主体和附属设备，附属设备包括充电电源、触发电源、测量控制系统和负载等。

脉冲功率源主体结构，其包括高压脉冲生成设备50以及外部壳体，高压脉冲生成设备50安装于所述外部壳体内。

高压脉冲生成设备50采用Marx发生器的技术原理，其包括若干级电容储能单元，充电电感和气体火花开关。

单个电容储能单元包括2或3只电容10，以及两只“C”型(对应2只电容)或“E”(对应3只电容)型金属片20，2只或3只电容在原理上是一致的，因此，为便于理解，本发明中以3只电容为例，2只电容的设计思路同理。3只电容10均采用脉冲薄膜电容，当然，在不脱离本发明设计理念的情况下，也可选用其他类型的电容，本实施例中主要出于装置使用寿命的考虑。如图1和2所示，3只电容10并列放置，优选排列为一排，3只电容10的引线端101朝向同一侧。3只电容10的引线端101齐平以便于安装。3只电容10的一端分别连接到一“E”型金属片20(本发明中金属片以铜为例，在不脱离本发明设计理念的情况下，也可选用其它金属或者导电材料)的不同分支，另一端分别连接到另一“E”型金属片20的不同分支，这样，每只电容10的两级分别连接到一只“E”型铜片20的一个分支。两“E”型铜片20之间，通过绝缘材料30隔离，例如通过绝缘膜层、绝缘板材或多层薄膜绝缘材料层叠对两“E”型铜片20进行隔离，本实施例中绝缘材料30采用聚四氟乙烯板。每一“E”型铜片20上均设计有用于与外界连接的端口。如图3所示，在一个实施例中，“E”型铜片20包括一长条形主干202和从主干202侧面上朝同一方向引出的3个(对应于3只电容)分支203，各分支203的末端折弯，折弯形成的耳片201连接到对应电容10的引线端101，通过螺钉实现两者间的固定，与外界连接的端口204设计在主干202上。

单个电容储能单元作为单级储能部件，产生类方波，其一只“E”型铜片20作为脉冲输出端，另一“E”型铜片20接地或连接另一电容储能单元的脉冲输出端。

将多个电容储能单元和多个气体火花开关40交替串联，再在每一气体火花开关40两端连接充电电感(未示出)，即可得到高压脉冲生成设备50。如图6、7所示，在一个实施例中，高压脉冲生成设备50包括N(N为大于1的正整数)个电容储能单元和N-1个气体火花开关40，将N个电容储能单元在纵向上以错位方式排成两列，相邻的电容储能单元的电容10的引线端101相对，各电容储能单元的“E”型铜片20的对外连接端口204在纵向上重叠。在每相邻两个电容储能单元之间，设置一个气体火花开关40，该气体火花开关40的两端分别与所相邻的电容储能单元相邻一侧的“E”型铜片20的端口204连接。如图4和5所示，在一个实施例中，各电容储能单元的“E”型铜片的主干202在纵向上重叠，气体火花开关40的两端分别连接相邻一侧“E”型铜片20主干202上的端口204。气体火花开关40的两端电极均设置有金属盘401，“E”型铜片20的端口204通过压接的方式或者通过螺栓连接到相邻的气体火花开关40的相邻侧的金属盘401上。如图7所示，最下级(近地一端)的电容储能单元未连接电气火花开关40的“E”型铜片20的端口204接地，即通过图7中的502接地，最上级电容储能单元未连接电气火花开关40的“E”型铜片20的端口204作为高压脉冲输出端口，即图7中501作为高压脉冲输出端口。

在每一气体火花开关40的两端分别连接有充电电感，各气体火花开关40的同一端所连接的充电电感的充电极性相同，例如连接下级电容储能单元的一端所连接的充电电感的充电极性均为正极，连接上级电容储能单元的一端所连接的充电电感的充电极性均为负极。充电电源通过充电电感为每一级电容储能单元充电。充电时，处在非端部位置的各级电容储能单元的两端可通过充电电感进行正负极性高压充电(两端均连接有充电电感)，也可进行单极性充电(仅一端连接充电电感，另一端接地)。至于端部位置的电容储能单元，最下级电容储能单元的接地端不充电，最上级电容储能单元的输出端不充电。充电电感选用绕线电感。通过上述设计，即得到高压脉冲生成设备50。

对于包含N级电容储能单元的高压脉冲生成设备50，若N为奇数，则两侧电容储能单元分别有(N-1)/2，1+(N-1)/2个；若N为偶数，则两侧电容储能单元分别有N/2个。

将上述高压脉冲生成设备50通过有绝缘材料制成的支撑紧固结构安装到外部壳体(未示出)中，即得到脉冲功率源主体。

上述脉冲功率源主体的工作绝缘介质选用变压器油为代表的液体介质，或者选用六氟化硫为代表的气体介质。对应的，如果选择液体介质，则气体火花开关的腔体独立密封；如果选择气体介质，则气体火花开关腔体可以独立密封，也可以使用开放腔体或无腔体，以便和脉冲功率装置整体共用气体环境。

在脉冲源主体上安装上附属设备，即得到脉冲功率装置。

实施例二

本实施例具体公开了上述脉冲功率装置中的脉冲源主体结构。其高压脉冲生成设备包括21级电容储能单元和20个气体火花开关，单个电容储能单元的3只电容分别为22.5nf、3nf、2nf。21级电容储能单元排列成两侧成左右结构，一侧含11级，另一侧含10级，含11级一侧底端的“E”型铜片的端口接地，顶端的E”型铜片的端口作为高压脉冲输出端口。在整体结构上，形成长×宽×高＝0.77m×0.5m×1.05m的高压脉冲生成设备。该脉冲源主体输出的波形如图8所示。由附图8可见，脉冲功率装置输出的高压脉冲的半高宽约160ns。

本发明在外观结构上呈条型，上述实施例仅以直线型为例，在不脱离本发明的发明构思的情况下，可以在形状是进行曲折变化，例如弯折、弯曲成L型、U型、C型、S型等，都应被视为等同于本发明的实施例。即本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种应用于脉冲功率源的电容储能单元结构，其特征在于，其包括2只或3只电容，以及2只分叉型金属片，所述分叉型金属片包括主干，和由主干侧面沿同一侧引出的若干分支，所述分叉型金属片的分支数量不低于所述电容的数量；各只所述电容并列设置，各只所述电容的引线端朝向一致；各只所述电容的两端分别连接到两只所述分叉型金属片的对应分支；两所述分叉型金属片之间不电性导通；各所述分叉型金属片上均设置有与外界连接的端口，所述与外界连接的端口设置于所述主干上。

2.如权利要求1所述的应用于脉冲功率源的电容储能单元结构，其特征在于，各所述电容的引线端齐平。

3.如权利要求2所述的应用于脉冲功率源的电容储能单元结构，其特征在于，各所述电容并列设置为一排。

4.如权利要求1-3之一所述的应用于脉冲功率源的电容储能单元结构，其特征在于，至少一只所述电容为脉冲薄膜电容。

5.一种高压脉冲生成设备，其特征在于，其包括若干如权利要求1-4之一所述的电容储能单元，以及较所述电容储能单元数量少一的气体火花开关；所述电容储能单元在纵向上以错位方式排列为两列，相邻的电容储能单元额电容的引线端相对，各电容储能单元的分叉型金属片的端口在纵向上重叠，每相邻两个电容储能单元间设置有一气体火花开关；每一个所述气体火花开关的两端分别与相邻电容储能单元的相邻侧的分叉型金属片的端口连接；近地端的电容储能单元未连接电气火花开关的分叉型金属片的端口接地，另一端的电容储能单元未连接电气火花开关的分叉型金属片的端口作为高压脉冲输出端口；每一个气体火花开关的两端分别连接有充电电感。

6.如权利要求5所述的高压脉冲生成设备，其特征在于，非端部的各级所述电容储能单元两端通过充电电感进行正负极性充电，或一端通过充电电感进行单极性充电，另一端接地。

7.一种脉冲功率源主体结构，其特征在于，其包括如权利要求5或6所述的高压脉冲生成设备以及外部壳体，所述高压脉冲生成设备通过支撑紧固结构设置于所述外部壳体内。

8.如权利要求7所述的脉冲功率源主体结构，其特征在于，所述支撑紧固结构由绝缘材料制成。

9.如权利要求7或8所述的脉冲功率源主体结构，其特征在于，所述脉冲功率源主体的工作绝缘介质为气体绝缘介质或液体绝缘介质。

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