CN110739935B - 一种脉冲发生器及脉冲发生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲发生器及脉冲发生方法，脉冲发生器包括磁芯、原边绕组和副边绕组；磁芯为环形磁芯；环形磁芯沿环形磁芯的周向均匀分为N个区段，N为大于3的自然数；副边绕组分为N组，对应地绕装在环形磁芯的N个区段形成N个副边绕组单元；N个副边绕组单元的绕组互不重叠；每一个副边绕组单元具有2个连接端，N个副边绕组单元串联形成脉冲发生器的变压级；原边绕组具有并联的N个原边绕组单元，分别对应绕装在N个副边绕组单元的外侧；变压级为负载电阻Rg供电。这种脉冲发生器易于实施，结构紧凑。

Description

一种脉冲发生器及脉冲发生方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲发生器及脉冲发生方法，属于高电压技术领域，可用于等离子体产生、X射线产生、生物医学、环保处理等领域。
背景技术
高压脉冲发生器是一种重要的获取瞬时高电压的装置。常见的高压脉冲发生器，例如刚性调制器，是由变压器、开关和储能元器件组成，不仅变压升压环节多，而且在产生高电压的同时需要特殊的绝缘手段保护，特别是开关部分，因此整个调制器系统的体积和重量比较大，使用场合受限。另外，在更高电压和大电流运行时，对开关的耐压能力和通流能力要求很高，开关易损坏，使用寿命受限。磁芯作为一种电磁耦合型能量传递介质，具有饱和和非饱和两种状态。磁芯的饱和状态是指当外加场足够强时，磁性材料在某一时刻其内部的磁矢量由无规则排列全部转向外加场作用下的有规则排列所对应的稳定物理状态。除了饱和状态，其余都是非饱和状态。利用磁芯的非饱和特性，可以实现变压、升压的效果，典型实例，如工业应用中的磁芯变压器。但是，当需要产生几万伏甚至十几万伏的高电压时，为了保证磁芯变压器的正常工作能力，必须采取更多的绝缘措施防止打火放电或局部击穿，通常需要将整个磁芯变压器沉浸在绝缘气体或变压器油中，实际增大了整个系统的体积和重量。
因此，有必要设计一种新的脉冲发生器及脉冲发生方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种脉冲发生器及脉冲发生方法，该脉冲发生器结构紧凑，易于实施。
发明的技术解决方案如下：
一种脉冲发生器，包括磁芯、原边绕组和副边绕组；磁芯为环形磁芯；
环形磁芯沿环形磁芯的周向均匀分为N个区段，N为大于3的自然数；
副边绕组分为N组，对应地绕装在环形磁芯的N个区段形成N个副边绕组单元；N个副边绕组单元的绕组互不重叠；每一个副边绕组单元具有2个连接端，N个副边绕组单元串联形成脉冲发生器的变压级；
原边绕组具有并联的N个原边绕组单元，分别对应绕装在N个副边绕组单元的外侧；
变压级为负载电阻Rg供电。
每一个副边绕组单元的电感为Ls，原边绕组总电阻为Lp；
原边绕组的N个原边绕组单元的匝数同为1或同为2。
磁芯为由铁氧体材料、非晶态磁性材料或纳米晶磁性材料制成的金属薄片叠加体。
负载电阻Rg为终端所连接的负载阻抗，负载阻抗为固体电阻、气体间隙或液体夹层。
原边绕组、充电电源Uin和隔离二极管D串联组成供电回路；充电电容Cin与充电电源并联。
N为3-12的整数。
N为5。
一种脉冲发生方法，采用前述的脉冲发生器产生脉冲。
技术路线说明：当磁芯饱和时，磁芯的绕组电感会发生由大到小的瞬时突变，阻抗迅速下降，相当于闭合开关，可实现对电路的通断控制功能。因此，采用分时复用原则，对于同一个带绕组的磁芯，从时间尺度上看，从初始时刻到某段低电压范围内，磁芯工作在非饱和状态，可作变压器使用，既可以降低对磁芯性能的要求，减小磁芯的体积和重量，又可以实现全固态下的电压提升；当供电电压升高到某一值时，磁芯达到饱和状态，绕组电感迅速减小，可作为闭合开关使用，并配合多级LC电压叠加回路，在完成电脉冲的功率传递和压缩同时，实现终端的超高压产生。
本发明正是针对高压脉冲发生器体积重量庞大，环节多，超高压运行时需要特殊的绝缘手段进行保护，使用场合和范围受限的问题，提出一种全固态模块化高压脉冲发生器结构。该结构不仅具备稳定可靠的超高压产生能力，还具有小型化和紧凑化的优势。
有益效果：
现有的高压脉冲发生器体积重量庞大，环节较多，超高压运行时需要特殊的绝缘手段进行保护，使用场合和使用范围受限，本发明采用分时复用原则，提出一种全固态模块化全高压脉冲发生器结构，兼具发生器小型化、紧凑化和超高电压稳定输出的特点。
本发明的脉冲发生器及脉冲发生方法，其提出的一种全固态模块化高压脉冲发生器结构，既解决了现有高压产生系统庞大，环节较多的问题，又具有小型化和紧凑化的优势，对实际应用有很大益处，特别是在等离子体产生、X射线产生、水资源处理、生物医药等领域。实际结果显示，一个拥有5级LC串联单元的全固态模块化高压脉冲发生器可产生9.5万伏的瞬时高压。
附图说明
图1为脉冲发生器结构示意图；
图2为脉冲发生器等效电路图；
图3为拥有5级LC串联单元的全固态模块化高压脉冲发生器的输出电压波形。
标号说明：1-磁芯；2-供压级；3-变压级。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：
如图1-3所示，一种全固态模块化高压脉冲发生器结构，由充电电源Uin、充电电容Cin、隔离二极管D、电容Co、电感Lo、6带绝缘层导线、磁芯和负载电阻Rg组成。所述充电电源Uin为低电压直流恒压源或恒流源，所述充电电容Cin为固态电容器，所述隔离二极管为自触发或带外触发的固态晶闸管，所述电容Co为固态电容器，所述电感Lo为线绕型电感或固态非线绕型层叠电感，所述磁芯为由铁氧体材料、非晶态磁性材料或纳米晶磁性材料制成的金属薄片叠加体。所述负载电阻Rg为终端所连接的负载阻抗，具体形式为固体电阻、气体间隙或液体夹层均可。
电容Co和电感Lo串联组成基本LC单元。带绝缘层导线密绕在磁芯上并角向分成N段，构成N个变压级；在每个变压级外部绕制1匝或2匝带绝缘层导线，构成N个供压级；供压级与充电电源Uin、充电电容Cin、隔离二极管D串联组成电源电路。N个供压级并联后再与电源电路串联形成原边供电回路。N个变压级与N个基本LC单元串联组成N个变压单元，N个变压单元串联构成高压产生回路。最终，高电压从第N级变压单元产生，通过负载电阻Rg放电。
图1为本发明提出的一种全固态模块化高压脉冲发生器的磁芯结构。磁芯为圆环形，材质为铁氧体、非晶态磁性金属或纳米晶磁性金属。带绝缘层导线密绕在磁芯上并角向(即周向)分成N段，构成N个变压级，称为磁芯副边，每个磁芯副边拥有电感Ls。在每个变压级外部绕制1匝或2匝带绝缘层导线，构成N个供压级。N个供压级并联构成磁芯原边，拥有电感Lp。工作时，供电电流Iin从磁芯原边的并联公共点馈入，经磁芯耦合后在N个磁芯副边均产生感应电流Iout。
图2为本发明提出的一种全固态模块化高压脉冲发生器的电路结构。电容Co和电感Lo串联组成基本LC单元。磁芯原边与充电电源Uin和充电电容Cin的并联单元、隔离二极管D串联组成供电回路。N个磁芯副边与N个基本LC单元串联组成N个变压单元，N个变压单元串联构成高压产生回路。并联在磁芯原边和磁芯副边的开关为磁芯饱和时的等效。高电压从第N级变压单元产生，通过负载电阻Rg放电。
图3为应用本发明获得的一个拥有5级LC串联单元的全固态模块化高压脉冲发生器的输出电压波形。外部充电电源Uin为48伏直流电源，充电电容Cin＝50uF，磁芯原边电感Lp＝15uH，磁芯副边电感Ls＝3.5mH，LC串联单元的电容Co＝1nF，电感Lo＝50uH，磁芯相对饱和时间t＝5us，在负载电阻Rg＝1kΩ上获得约9.5万伏的瞬时高压。
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)

1.一种脉冲发生器，其特征在于，包括磁芯、原边绕组和副边绕组；磁芯为环形磁芯；
环形磁芯沿环形磁芯的周向均匀分为N个区段，N为大于3的自然数；
副边绕组分为N组，对应地绕装在环形磁芯的N个区段形成N个副边绕组单元；N个副边绕组单元的绕组互不重叠；每一个副边绕组单元具有2个连接端，N个副边绕组单元串联形成脉冲发生器的变压级；
原边绕组具有并联的N个原边绕组单元，分别对应绕装在N个副边绕组单元的外侧；
变压级为负载电阻Rg供电；
还包括充电电源Uin、充电电容Cin、隔离二极管D、电容Co、电感Lo、6带绝缘层导线和负载电阻Rg；
电容Co和电感Lo串联组成基本LC单元，磁芯原边与充电电源Uin和充电电容Cin的并联单元、隔离二极管D串联组成供电回路，N个磁芯副边与N个基本LC单元串联组成N个变压单元，N个变压单元串联构成高压产生回路，并联在磁芯原边和磁芯副边的开关为磁芯饱和时的等效，高电压从第N级变压单元产生，通过负载电阻Rg放电。
2.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，每一个副边绕组单元的电感为Ls，原边绕组总电阻为Lp；原边绕组的N个原边绕组单元的匝数同为1或同为2。
3.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，磁芯为由铁氧体材料、非晶态磁性材料或纳米晶磁性材料制成的金属薄片叠加体。
4.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，负载电阻Rg为终端所连接的负载阻抗，负载阻抗为固体电阻、气体间隙或液体夹层。
5.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，原边绕组、充电电源Uin和隔离二极管D串联组成供电回路；充电电容Cin与充电电源并联。
6.根据权利要求1-5任一项所述的脉冲发生器，其特征在于，N为3-12的整数。
7.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，N为5。
8.一种脉冲发生方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的脉冲发生器产生脉冲。
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