CN110311661A - 基于陶瓷电容的单级脉冲功率驱动结构、装置和驱动源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陶瓷电容的单级脉冲功率驱动结构、装置和驱动源。单级脉冲功率驱动结构包括内环电容组、外环电容组和两只外轮廓呈圆形的导电板；内环电容组由第一数量的、成环形分布的陶瓷电容并联而成，外环电容组由第二数量的、成环形分布的陶瓷电容并联而成，两电容组的相同电极连接到同一只导电板的不同触点，两电容组的两个电极分别连接到两只导电板，两只导电板的相背离侧上，均设置有环形凸缘。凸缘作为与外部连接的端口。装置由单级脉冲驱动结构和绝缘连接部交替串联而成，单级脉冲驱动结构的两级连接有充电电感。驱动源为将装置安装于外壳内制成。本发明结构紧凑，空间电场分布均匀，使用了环形轨道间隙开关，工作寿命长。

Description

基于陶瓷电容的单级脉冲功率驱动结构、装置和驱动源

技术领域

本发明涉及脉冲功率驱动源领域，尤其是一种基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构，以及基于该单级内外环结构脉冲功率驱动结构的脉冲功率驱动装置和对应的脉冲驱动源装置。

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，它有着很多应用场合，高功率微波(HPM)是它的重要应用之一。HPM技术通常要求脉冲功率装置提供一个梯形波，为了实用，还要求脉冲功率装置必须做到小型化。

PFN(pulse forming line)即脉冲形成网络技术，是一种用有限个电容、电感元件来拟合方波(梯形波)的技术。

使用PFN-Marx路线研制脉冲功率装置，是目前小型化研究中使用很广泛的一条技术路线。而绝大多数场合中，人们都是使用陶瓷电容器，采用等电容等电感的网络理论来制作脉冲形成网络(PFN)。具体形式有基本的直线型，也有各种折弯如“L型”，“U”型，“S”型，“O”型(等价于两个“C”型并联)，为了调节阻抗，上述这些形态也可进行并联。这种网络的具体结构形态，可以参见《紧凑型重频PFN-Marx脉冲发生器·李志强》、《紧凑型脉冲形成网络的优化设计·朱亚辉》、《L型脉冲形成网络的仿真与实验研究·王朋》。应当说，用这种方法制作PFN，理论计算和实际研制简便，波形质量也较高。

但是上述设计方法的不足之处在于，该网络结构决定了PFN的开关位于网络的一端，如图1所示，开关放电一瞬间，空间电场分布不均匀，且有时候受空间限制，开关尺寸受限，也存在烧蚀严重的问题，而开关的烧蚀严重制约了功率源工作寿命。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于陶瓷电容的单级脉冲功率驱动结构、装置和驱动源。采用非等电感和非等电容的网络设计思路，优化空间布局，改善放电瞬间空间的电场分布，使之更加均匀，同时提高开关烧蚀面积，从而延长功率源工作寿命。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构，其包括内环电容组、外环电容组和两只外轮廓呈圆形的导电板；所述内环电容组由第一数量的、成环形分布的陶瓷电容并联而成，所述外环电容组由第二数量的、成环形分布的陶瓷电容并联而成，内环电容组和外环电容组的相同电极连接到同一只导电板的不同触点，两电容组的两个电极分别连接到两只导电板，两只所述导电板的相背离侧上，均设置有凸缘，所述凸缘作为与外部连接的端口。

本设计采用Marx发生器原理，内外环、状设计的电容结构，以导电片上的凸缘到两电容组间的导电体作为电感，与对应电容组形成PFN。环状的电容组可以高效利用空间对设备进行布局，对应多级网络而言，可以实现小型化的设计。非等电感、电容的网络设计可以改善放点瞬间空间的电场分布，使其更加均匀。

进一步的，第一数量为1-4只。即内环电容组的电容数量为1-4只。内环电容组的陶瓷电容数量不宜过多，是为了在输出同等效果的类梯形波的情况下，以尽量少的电容对内环电容组进行紧密排布。

进一步的，内环电容组和外环电容组均成圆环形状，且所述内环电容组和外环电容组同心。

圆环形的电容组设计，可以最大程度地利用空间资源，以达到微型化的设计效果。

进一步的，凸缘位于所在导电板上、所述内环电容组和外环电容组的触点之间。该设计便于凸缘形状和尺寸的设计。

进一步的，上述凸缘成包围内环电容组的环形。环形凸起加大了开关电极面积，提高了耐烧蚀性能，延长了使用寿命。

进一步的，两只所述导电板上均设计有镂空。

设计镂空有两个主要效果，一是调节电感的值，二是留出空间以便于安装充电电感。

本发明提供了一种脉冲功率驱动装置，其包括若干沿同一轴向排列的上述的基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构，相邻两单级内外环结构脉冲功率驱动结构之间的凸缘相对设置，形成气体火花开关，相邻两单级内外环结构脉冲功率驱动结构的相邻导电板之间通过绝缘连接部连接和隔离，最下级单级内外环结构脉冲功率驱动结构未连接绝缘连接部的导电板的凸缘接地，最上级单级内外环结构脉冲功率驱动结构未连接绝缘连接部的导电板的凸缘作为脉冲输出端；每一个绝缘连接部所连接的导电板均连接有充电电感。

上述设计的脉冲功率驱动装置的各级驱动结构排列紧凑，空间利用率高，具备微型化的结构特点。各级驱动结构相互独立，便于安装、替换。从整体而言，各级驱动结构的凸缘自然形成气体火花开关，使得零部件间的连接关系简单、稳定。

进一步的，非端部(即非最上级和最下级)的单级内外环结构脉冲功率驱动结构的两凸缘通过所述充电电感进行正负极性充电，或一端凸缘通过充电电感进行单极性充电，另一端凸缘接地。

本发明提供了一种脉冲驱动源装置，其包括上述的脉冲功率驱动装置，以及外部壳体，脉冲功率驱动装置通过绝缘支撑紧固结构设置于所述外部壳体内。

进一步的，脉冲驱动源装置的工作绝缘介质为气体绝缘介质。

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、本发明的单级脉冲功率驱动结构采用非等值电容、电感的设计方式，使用环形轨道开关，可改善电场分布。内外层环状电容组的设计可以优化空间布局，起到结构紧凑、小型化设计的效果。

2、本发明采用环状凸缘自然形成间隙开关，可以提高开关的耐烧蚀性能，延长开关使用寿命。

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是现有多级陶瓷电容器PFN的网络结构。

图2是本发明的脉冲功率驱动装置的原理电路。

图3是本发明内、外环电容组的分布结构图。

图4是本发明的基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构的结构示意图。

图5是本发明的脉冲功率驱动装置中相邻两级单级脉冲驱动结构的纵截面示意图。

图6是本发明的脉冲驱动源装置结构图。

图7是本发明的脉冲驱动源装置的一个实施例的输出波形。

图中，1为内环电容组，2为外环电容组，3为导电金属板，4为凸缘，5为镂空，6为绝缘连接部，7为充电电感，8为外部壳体。

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

如图3所示，本实施例公开了一种基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构(以下简称单级驱动结构)，其包括内环电容组1、外环电容组2和两只外轮廓呈圆形的导电板，其中，内环电容组1由若干只陶瓷电容并联而成，形成图2中的C2，外环电容组2由若干只陶瓷电容并联而成，形成图2中的C1；外环电容组2的电容数量必然多于内环电容组1的电容数量，内、外环电容组1、2均成圆环形分布，且内、外环电容组1、2同心设计。

在内、外环电容组1、2的两电级侧，分别设计有一外轮廓呈圆形的导电金属板3，两金属板3同等，金属板3的外轮廓与外环电容组2的外轮廓约为相同，两金属板3的外圈和内圈分别设置有孔洞(外圈孔和内圈孔，即触点)，内、外环电容组1、2的电极安装到对应的孔洞(内圈孔或外圈孔)中固定。在两金属板3的相背侧，设计有凸缘4，以作为对外连接的端口。在多级单级驱动结构串联时，该端口自然形成环形开关的一个电极。在一个实施例中，于内圈孔和外圈孔之间，设计凸缘4。在一个具体实施例中，该凸缘4为包围内圈孔的环形，且与内圈孔同心。凸缘4到外圈孔之间的部分，构成图2中的L1，凸缘4到内圈孔之间的部分，构成图2中的L2。进而该结构形成一组PFN。

上述两金属板3上均设计有镂空5，镂空5部分有两个目的，一是调节前述两个电感C1、C2的电感值，二是留出空间给充电电感7。

如图4所示，在一个实施例中，内环电容组1由3只电容量为1.1nF的陶瓷电容并联而成，外环电容组2由14只电容量为2.8nF的陶瓷电容并联而成，外环电容组的外轮廓在Φ320mm左右。该实施例的PFN的阻抗约1.5Ω，脉宽约150ns，输出脉冲参见图7。为了输出图7的梯形波，内环电容组1也可由4只0.82nF的陶瓷电容并联而成，但是，一般不采用5个0.66nF的电容，这样就无法对内环电容组1进行紧密排布。即内环电容组1取4只以内的电容为宜。

实施例二

本实施例公开了一种脉冲功率驱动装置，其包括若干级实施例一的单级驱动结构，各级单级驱动结构沿同一轴心排列，如图5所示，各级相邻单级驱动结构之间通过绝缘连接部6连接，绝缘连接部6连接与金属板3的环形凸缘4之内，绝缘连接部6所连接的两金属板3的凸缘4之间不接触(即隔离)，自然形成环形轨道气体火花开关。

在充电方面，由于各级单级驱动结构(PFN)相对独立，组装而成的脉冲功率驱动装置，因此，各级单级驱动结构(PFN)的两级均可进行独立充电。具体而言，各级单级驱动结构的充电接口位于金属板3上，各级单级驱动结构的两充电接口可以使用正负极性高压同时充电，也可单极性充电：一端充电，另一端接地。应用于脉冲功率驱动装置上，脉冲功率驱动装置的最上级单级驱动结构作为脉冲输出级，该级单级驱动结构的自由端-未连接绝缘连接部6的金属板3的凸缘4-作为输出端，可以直接输出，或者连接上一只开关输出，对应的，最下级单级驱动结构的自由端(凸缘4)接地。对于最上级或最下级单级驱动结构而言，其输出端或接地端是不进行充电的。

上述的充电行为，为对应电极连接到充电电感7，由充电电源通过充电电感7为对应的电极充电。充电电感7可选用绕线电感。充电电感7连接到待充电电极对应的金属板3上，在一个实施例中，充电电感7穿过金属板3的镂空5，连接到金属板3上，如图5所示。

实施例三

如图6所示，本实施例公开了一种脉冲驱动源装置，其包括实施例二中的脉冲功率驱动装置，还包括一外部壳体8，脉冲功率驱动装置通过绝缘支撑紧固结构安装于该外部壳体8之内。该脉冲驱动源装置的工作绝缘介质为六氟化硫或其它气体。

本发明的装置空间利用合理。从节约空间的角度，胜过所有等电容等电感网络的曲折变化，而且放电瞬间电场周向均匀。开关工作区也从一点变为环形的一圈，烧蚀程度大大减轻，从而延长整套脉冲功率装置的工作寿命。

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，可以在形状进行曲折变化，例如弯折、弯曲成"L"型、"U"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 (10)

1.一种基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构，其特征在于，包括内环电容组、外环电容组和两只外轮廓呈圆形的导电板；所述内环电容组由第一数量的、成环形分布的陶瓷电容并联而成，所述外环电容组由第二数量的、成环形分布的陶瓷电容并联而成，内环电容组和外环电容组的相同电极连接到同一只导电板的不同触点，两电容组的两个电极分别连接到两只导电板，两只所述导电板的相背离侧上，均设置有环形凸缘，所述环形凸缘作为与外部连接的端口。

2.如权利要求1所述的基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构，其特征在于，所述第一数量为1-4只。

3.如权利要求1或2所述的基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构，其特征在于，所述内环电容组和外环电容组均成圆环形状，且所述内环电容组和外环电容组同心。

4.如权利要求3所述的基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构，其特征在于，所述凸缘位于所在导电板上、所述内环电容组和外环电容组的触点之间。

5.如权利要求4所述的基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构，其特征在于，所述凸缘成包围内环电容组的环形。

6.如权利要求1、2、4、5之一所述的基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构，其特征在于，两只所述导电板上均设计有镂空。

7.一种脉冲功率驱动装置，其特征在于，其包括若干沿同一轴向排列的如权利要求1-6之一所述的基于陶瓷电容的单级内外环结构脉冲功率驱动结构，相邻两单级内外环结构脉冲功率驱动结构之间的凸缘相对设置，形成气体火花开关，相邻两单级内外环结构脉冲功率驱动结构的相邻导电板之间通过绝缘连接部连接和隔离，最下级单级内外环结构脉冲功率驱动结构未连接绝缘连接部的导电板的凸缘接地，最上级单级内外环结构脉冲功率驱动结构未连接绝缘连接部的导电板的凸缘作为脉冲输出端；每一个绝缘连接部所连接的导电板均连接有充电电感。

8.如权利要求7所述的脉冲功率驱动装置，其特征在于，非端部的所述单级内外环结构脉冲功率驱动结构的两凸缘通过所述充电电感进行正负极性充电，或一端凸缘通过充电电感进行单极性充电，另一端凸缘接地。

9.一种脉冲驱动源装置，其特征在于，包括如权利要求7或8所述的脉冲功率驱动装置，以及外部壳体，所述脉冲功率驱动装置通过绝缘支撑紧固结构设置于所述外部壳体内。

10.如权利要求9所述的脉冲驱动源装置，其特征在于，所述脉冲驱动源装置的工作绝缘介质为气体绝缘介质。