CN110999085B - 用于并联的相同Marx发生器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种能够产生高功率、高电流输出脉冲的并联Marx发生器拓扑结构。并联Marx发生器拓扑结构可以包括彼此并联操作以共同地生成输出脉冲的多个Marx发生器。拓扑结构可以进一步包括脉冲变压器，该脉冲变压器被配置为升高由多个发生器创建的脉冲的电压，并且还确保多个Marx发生器中的每个Marx发生器基本上输出相同量的电流。系统可以包括公共接口，该公共接口允许使用一个公共控制面板对所有Marx发生器的故障检测和控制。并联Marx发生器拓扑结构可允许使用依从进口/出口的开关来生成高电压、高电流脉冲。

Description

用于并联的相同Marx发生器的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年6月19日提交的标题为“SYSTEMS AND METHOD FORPARALLELED IDENTICAL MARX GENERATORS”的美国临时申请No.62/521,819的权益，所述申请的全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开涉及用于生成高电压脉冲的系统和方法。更特别地，本公开涉及用于生成由固态开关控制的高电压脉冲的系统和方法。

背景技术

许多应用需要能够传送高电压脉冲的脉冲电源。光谱仪、速调管、加速器、雷达发射器、高阻抗电子枪、离子管、液体极化单元等是需要高电压脉冲的应用的示例。在常规系统中，脉冲电源使用形成网络的高电压脉冲以及某种开关，诸如火花隙或闸流管。

这些类型的脉冲电源通常是使用Marx发生器的原理创建的。通常，Marx发生器是通过并联地对电容器的分组充电然后串联地对电容器放电来生成电压脉冲的电路。图1图示了典型的Marx发生器的示例。在图1中，充电电压101被施加到脉冲形成网络100。级电容器104以并联方式通过电阻器102充电。火花隙106防止电容器104放电到负载108中，直到满足某些条件为止。

因为Marx发生器是并联地充电的，所以可以通过添加附加的充电分段来增加电压脉冲的幅值。然而，已经发现的是，可以叠加在一起的分段的数量实际上受到杂散电容限制。随着脉冲形成网络中分段的数量增加，对地杂散电容可能增加。杂散电容可以使得寄生电流转向到地，这可能对电压脉冲的上升时间和/或下降时间具有不利影响。因此，杂散电容限制了脉冲发生器中可包括的分段的数量。

杂散电容也可以对特别分段看到的电压具有影响。另外，由一个分段看到的杂散电容通常与由Marx发生器的另一分段看到的杂散电容不同。因为杂散电容跨脉冲发生器的分段未被平衡，所以分段中的一些可能经历较高的电压瞬变，以及因此可能不正常工作。尽管所有的Marx发生器系统都受杂散电容影响，但对脉冲发生器中的电容器充电所需的电感器、电阻器、变压器和隔离电源也向脉冲发生器添加杂散电容。换句话说，常规脉冲发生器的部件将附加的杂散电容引入系统，并进一步减少了可以成功连接在一起的级的数量。

在一些场景中，需要由Marx发生器输出的脉冲的功率可能足够相当大来要求使用可能不依从各种进口和出口规章的技术，因此使发生器在商业上不可行。

发明内容

通过本公开的实施例克服了这些和其它限制，本公开的实施例涉及用于生成电压脉冲的系统和方法。在本公开的一个实施例中，具有相对低的电压要求的串联电压单元可以串联地叠加在一起，每个电压单元包括与可以接通和断开的开关(诸如固态开关)串联连接的电容器。当连接多个电压单元以形成脉冲发生器时，使用一个或多个开关对电压单元的电容器并联地充电和串联地放电。主开关至少用于对电容器放电，而返回开关至少用于对电容器充电。

例如，当叠加电压单元时，电容器和主开关串联连接。电容器通过断开的主开关彼此隔离。当主开关接通时，电容器串联连接，并且生成电压脉冲。当主开关断开时，返回开关可以接通，并为电流提供返回路径，该电流对电压单元中的电容器充电。因此，当主开关接通时，返回开关断开，使得电容器向负载放电。有利地，可以在不使用电感器、电阻器或隔离电源的情况下对电容器充电，由此减少了与常规Marx发生器相关联的一些杂散电容。另外，可以通过使用辅助电源来驱动开关，而不需要使用电感器、电阻器、隔离电源或降低电源。

每个电压单元中的电容器可通过二极管串电源线被充电。通过返回开关提供充电电流的返回路径。当电容器充电或被充电时，位于连续电容器之间的主开关处于断开状态，以及防止电容器串联放电。当主开关接通时，电容器然后串联连接并放电。在放电期间，返回开关断开。为了给电容器充电，断开主开关以及将返回开关重新接通。在一个实施例中，还可以在放电期间接通返回开关，以通过提供用于杂散电容放电的路径来帮助减少脉冲的下降时间。

电压单元也可以配置为生成正电压脉冲或负电压脉冲。在一个实施例中，双极脉冲发生器具有包括被配置为生成正脉冲的一系列电压单元的电容器库，可以与包括被配置为生成负脉冲的一系列电压单元的电容器库连接。该双极脉冲发生器可以同时对两个集合的电压单元中的所有电容器充电。可以控制相应电容器库中的开关以对一个集合的电容器放电来生成正脉冲或负脉冲。另外，可以添加配置为串联充电的电压单元，以提供下降控制并控制所生成电压脉冲的形状。

每个电压单元还可以包括平衡网络，该平衡网络平衡由该电压单元看到的杂散电容。因为一系列电压单元中的每个电压单元“看到”不同的杂散电容，所以平衡网络可以适配成匹配由电压单元看到的杂散电容。这具有平衡由每个单元看到的电压瞬变的益处。

电压单元可用于通过控制哪些电压单元活动来调整电压脉冲。换句话说，可以使电压单元中的一个或多个不活动以更改电压脉冲，而不影响生成电压脉冲的能力。同时，特别的单元的故障不防止脉冲发生器生成脉冲。因此，本公开的实施例可以控制电压脉冲的幅度、电压脉冲的持续时间或宽度、电压脉冲的上升和下降时间等或者其任何组合。

在脉冲发生器的一个实施例中，电压单元中的一些可以进一步被配置为包括振铃电路，该振铃电路可以用于提供下降校正。电路可以向脉冲发生器的输出提供下降补偿或下降校正，使得下降校正是平滑的而不是参差不齐的或锯齿状的。振铃电路包括电容器，该电容器串联地充电然后向振铃电容器并联地放电，其能够以一方式放电来提供平滑下降补偿或校正。

在本公开的另一个实施例中，电压单元提供隔离保护。例如，如果特别的电压单元出故障，则可以隔离该单元，而不影响脉冲发生器生成脉冲并向负载传送脉冲的能力。每个电压单元典型地包括跨返回开关的二极管。如果主开关断开，则放电电流可以流过该二极管，并且单元被有效地隔离。

在本公开的另一个实施例中，可以采用并联Marx拓扑结构来生成高功率脉冲，其中系统可以包括多个Marx发生器，该多个Marx发生器被配置为并联工作以共同生成高能量脉冲。以这种方式，每个Marx发生器都可以继续采用依从出口/进口规章的商业现货(commercial offthe shelf)开关和电容器技术。

本公开的附加特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地根据该描述将是明显的，或者可以通过本公开的实践而获知。本公开的特征和优点可以借助于所附权利要求中特别指出的仪器和组合来实现和获得。根据以下描述和所附权利要求，本公开的这些和其它特征将变得更加完全显而易见，或者可以通过如后文阐述的本公开的实践来获知。

附图说明

图1图示了使用火花隙来生成电压脉冲的Marx发生器的示例。

图2图示了使用开关来控制一系列电压单元的脉冲发生器的一个实施例；

图3A图示了一系列电压单元，并且图示了用于串联地连接电压单元中的电容器的主开关以及为充电电流提供返回路径的返回开关。

图3B是脉冲发生器的一个实施例的较详细的图，并且图示了每个电压单元的充电电流通过二极管串电源的路径，并且图示了向开关驱动器提供辅助功率的二极管串。

图4图示了布置成生成正电压脉冲的一系列电压单元的一个实施例。

图5图示了布置成生成负电压脉冲的一系列电压单元的一个实施例。

图6图示了可以生成正脉冲和负脉冲两者的脉冲发生器的实施例。

图7图示了脉冲发生器的另一实施例，该脉冲发生器包括布置成为电压脉冲提供下降控制的电压单元。

图8A至8D图示了在脉冲发生器中提供下降控制的脉冲发生器的一部分的实施例。

图9图示了根据本公开的示例的示例性并联Marx发生器拓扑结构。

图10图示了根据本公开的示例的示例性变压器。

图11图示了根据本公开的示例的另一示例性并联Marx拓扑结构。

具体实施方式

本公开涉及用于生成电压脉冲的系统和方法。本公开的实施例可以控制电压脉冲的幅度、电压脉冲的持续时间或宽度、电压脉冲的上升时间、电压脉冲的下降时间等或者其任何组合。本公开的一些实施例可以在不使用变压器的情况下生成和传送电压脉冲。

本公开的实施例包括典型地具有串联的电容器和开关两者的电压单元。一系列电压单元中的第一个和最后一个电压单元可以适配成连接到负载。返回开关也包括在大多数电压单元中。返回开关为通过二极管链或二极管链电源线提供的充电电流提供路径。有利地，返回开关消除了对常规脉冲发生器中普遍的电感器、电阻器和隔离电源的使用。还可以通过辅助二极管链为开关驱动器提供能量，由此消除对于向开关驱动器提供辅助功率原本会需要的电感器、电阻器、隔离电源和降低电源的需要。同样地，这些部件的消除减少了与本文中描述的系统和方法相关联的对地杂散电容，这使得较多的电压单元或分段能够串联地叠加。

图2图示了用于生成高电压脉冲并将其传送到负载的脉冲发生器或系统的一个实施例的框图。更特别地，系统200生成高电压脉冲并将其传送到负载206。在系统200中，开关电容器库202包括典型地串联布置的一个或多个电容器或电压单元210。电压单元210用于存储作为电压脉冲传送到负载206的能量。

电压单元210典型地与由开关驱动器204控制的开关212相关联。通过控制控制信号208，开关驱动器204可以使开关212接通/断开。开关212的状态，确定电压单元210是通过负载206充电还是放电。在一个实施例中，开关可在特别的时间接通和或断开。控制信号208的定时可以更改电压脉冲的上升时间、电压脉冲的下降时间等。本公开的一些实施例还使波形能够被成形或以其它方式被控制。

在一个实施例中，减小了杂散电容的影响，使得较多的电压单元可以串联连接。因为可以串联连接较多的电压单元，所以可以使用较低的电压源来生成较大的电压脉冲。同样地，开关驱动器可以额定为较低电压。因此，典型地降低了脉冲发生器的成本和尺寸。

在系统200的一个实施例中，通过控制开关212的状态，对电压单元并联地充电以及串联地放电。系统200的优点之一在于，一个或多个电压单元210在不防止系统200将高电压脉冲传送到负载206的情况下可能出故障。系统200可以被配置为传送正电压脉冲、传送负电压脉冲或者传送正或负电压脉冲(双极输出)。另外，控制信号208可以用于控制电压脉冲的持续时间、电压脉冲的幅值、电压脉冲的上升时间等或者其任何组合。在一个实施例中，控制信号可以光学地耦合到开关驱动器204。

图3A图示了用于将高电压脉冲存储和/或传送至负载的系统的一个实施例的图。更特别地，图3A图示了串联连接的少许电压单元，但是本领域技术人员可以领会的是，可以包括较多或较少的电压单元。每个电压单元被类似地配置并且一起操作以(i)对电容器并联地或独立于其它电压单元来充电，以及(ii)对电容器串联地放电。例如，在该示例中，电压单元362包括用于存储电荷的电容器366。同时，电压单元374中的电容器378也存储电荷。当存储电荷时，开关364和376(以及其它电压单元中的类似开关)断开。因此，电容器366和378可以并联地或独立地充电。

电容器366和378由电源线388充电，并且因为开关364和376断开，所以返回开关368和380接通以提供用于通过电源线388提供的充电电流的返回路径。如图3A中所图示，电源线388是二极管串并且典型地包括一个或多个二极管以分离电压单元。开关驱动器370和382分别控制开关364和376的状态。开关驱动器372和384分别控制返回开关368和380的状态。控制线390可用于控制开关364、376的状态和返回开关368、380的状态。

当开关364、376被接通并且返回开关368、380被断开时，则电容器366、378被连接并且向负载392串联地放电。换句话说，使电容器366、378串联地连接和放电生成了被施加到负载392的高电压脉冲。断开开关364、376可以终止脉冲。因此，可以通过控制开关364和376来控制脉冲的持续时间。换句话说，非功能性电压单元不防止脉冲被生成或传送到负载392。在另一个实施例中，跨开关放置二极管。例如，二极管可以仅在开关364、376不操作时提供放电路径。因此，在电容器366、378被充电时，开关364、376仍可以隔离电压单元中的电容器。

图3B图示了高电压脉冲发生器的一个实施例。该实施例包括三个电压单元，但是如先前陈述的，本领域技术人员可以领会的是可以包括较多或较少的级。在该示例中，电容器310、314和318存储电荷。通过使开关308、312和316到断开状态来存储电荷。

当对电容器310、314和318充电时，返回开关332、334和336处于接通状态，而主开关308、312和316断开。路径326图示了来自电源304的对电容器318充电的电流的路径。同时，电源304通过路径324传送电流以对电容器314充电。路径324，在经过电容器314之后，经由连接330穿过返回开关336前进。通过二极管320以及返回开关334和336的类似路径被用于对电容器310充电。对电容器310充电的电流前进通过连接328，然后通过返回开关334和336。

在电容器的放电期间，分别使用提供给开关驱动器338、342和346的控制信号来接通开关308、312和316。同时，控制信号被传送到开关驱动器340、344和348以断开返回开关332、334和336。当返回开关332、334和336断开时，放电电流不流过返回开关，而是被传送到负载306。

如图3B中所图示，连接328被示出为导线或短接，而连接330被图示为电感器。典型地，电压单元中的所有连接都是相同的，但是在该示例中图示了两种类型的连接以描述本公开的附加实施例。当该连接是像连接330的电感器时，可以延迟接通开关316和断开返回开关之间的定时。电感连接330可以增加脉冲的前沿的上升时间。

例如，当开关308、312和316接通并且返回开关332、334和336也接通时，在像连接330的电感连接中开始建立电流。在允许建立电感之后，可以断开返回开关332、334和336。因此，在断开开关308、312和316以及接通返回开关332、334和336时存在延迟。然后，将存储在电感连接330中的能量添加到从电容器210、314和318放电的能量。将电感连接330的电感能量与存储在电容器310、314和318中的电容性能量组合导致电压脉冲的较快上升时间。然而，本领域技术人员可以领会的是，在使开关308、312和316到接通状态以及使返回开关332、334和336到断开状态之间，电感连接不要求并入延迟。

当脉冲发生器准备好终止高电压脉冲时，开关308、312和316典型地被断开。通过接通返回开关332、334和336可以改进高电压脉冲的下降时间。打开通过返回开关的路径可以帮助对杂散电容和/或负载电容放电，这改进了高电压脉冲的下降时间。

此示例图示了用于控制主开关308、312和316以及返回开关332、334和336的定时可用于控制或更改所产生电压脉冲的上升时间和/或下降时间。在一些实施例中，电压脉冲的形状也可以被编程。

图4图示了包括多个电压单元(在本文中也称为级或分段)的脉冲发生器的框图。图4中图示的脉冲发生器的示例生成正电压脉冲。图4图示了电压单元474、472、470和468，其如先前描述的那样使用由开关驱动器448、452、456和460控制的主开关414、416、418和420以及由开关驱动器446、450、454和458控制的返回开关438、440、442和444来连接。在该示例中，来自电源线404的返回路径包括通过返回开关的来自充电电容器422、424和426的电感连接415、417和419。

图4还图示了由电源466使用来向开关驱动器446、448、450、452、454、456、458和460(446-460)提供功率的辅助路径473。辅助路径472包括辅助二极管476、478、480和482(476-482)。辅助二极管476-482帮助隔离电源466以及帮助将脉冲传送到负载402。

包括辅助二极管476-482的辅助二极管串代表二极管串中的每个二极管的电压降。因此，在特别的级处可获得的电压可能受二极管串中的二极管的正向电压降影响。由辅助功率466提供的电压仅仅提供充足的电压以克服二极管的正向电压降和/或充电开关电压降。如果包括大量的电压单元，则可以包括升高电压馈送以提供足够的电压电平。

在一个实施例中，开关驱动器或开关446-460可以是本领域已知的任何类型的固态开关。双极结型晶体管、场效应晶体管、IGBT、达林顿(Darlington)双极晶体管、固态开关等是可以如本文中描述的那样使用的开关的示例。每个电压单元包括用于主开关的开关驱动器和用于返回开关的开关驱动器。例如，电压单元468包括用于控制主开关414的开关驱动器448。在该示例中，主开关414的栅极由开关驱动器448控制。开关驱动器446控制返回开关438的状态。

对于开关驱动器446-460而言可获得的电压通常在连续的开关驱动器处减少跨二极管串和开关中的先前二极管的电压降。每个开关驱动器可以从地或从先前的电压单元被驱动。在一个实施例中，DC-DC转换器可用于提供足够的功率。在另一个实施例中，开关和栅极驱动器可以与地光学地耦合。

能量存储电容器422、424、426和428通过二极管406、408、410和412以及返回开关充电。以这种方式对电容器充电消除了对常规Marx发生器中常见的电感器、电阻器或隔离电源的使用。另外，还可以通过辅助路径473中的二极管串来提供驱动开关所需要的能量，从而消除了不然可能需要的对电感器、电阻器或隔离电源或降低电源的使用。作为示例，开关可以通过光纤耦合、变压器耦合或通过辅助功率二极管来触发。

包括二极管406、408、410和412的二极管串提供若干优点。首先，二极管串在脉冲期间将每个电压单元或电压级与其它电压单元或级隔离。

图4进一步图示了平衡网络430、432、434和436。每个平衡网络典型地包括与电阻器串联的电容器，并且每个平衡网络帮助平衡对地杂散电容。平衡网络中的电容帮助在电压脉冲的上升时间和下降时间期间将电压从一个分段到另一个分段平均地分配。因为与特别电压单元相关联的对地杂散电容典型地不同于与脉冲变压器的其它电压单元相关联的对地杂散电容，所以每个电压单元的电容和/或电阻可以适配成匹配由该电压单元“看到的”杂散电容。因此，平衡网络430的电容可以与平衡网络432、434和436的电容不同。选择每个平衡网络的电容以匹配杂散电容。每个平衡网络中的电阻帮助减少杂散电感和/或杂散电容的振铃(ringing)。在如图8中所示出的替代实施例中，可以在脉冲发生器的一个或多个电压单元中包括振铃电路，以向电压脉冲提供至少平滑下降补偿。

电源462可以在负载402的高电压端处提供功率的源。例如，如果负载402是脉冲管，则电源462可以为脉冲管的灯丝或加热器提供功率。因此，电源462在没有附加装备的情况下在高电压端处提供电源(只要电源是光学控制的)。

图5图示了脉冲发生器的另一实施例。图5类似于图4中所图示的脉冲发生器，其具有的差异在于图5中的脉冲发生器生成负电压脉冲，而图4的脉冲发生器生成正脉冲。充电二极管502、504、506、508和510以及辅助二极管512、514、516和518配置为容纳负电源500、520。开关和返回开关也适配于负电源。

在图6中，正电压单元618生成正类型电压脉冲以及负电压单元620生成负类型电压脉冲。电压单元618与电压单元620串联。在该示例中，用于对电压单元618中的电容器充电的二极管串602经由连接606与电压单元620的返回线开关串604连接。类似地，用于对电压单元620中的电容器充电的二极管串610经由连接608与电压单元618的返回线开关串622串联连接。负电源辅助二极管串614使用逆变DC-DC电源612与正电源辅助二极管串616连接。可以同时对正电压单元618和负电压单元620中的所有电容器充电。

图7图示了包括下降校正的脉冲发生器的实施例。更特别地，图7图示了用于负类型脉冲发生器的下降校正。本领域有经验的人员会知道这种下降校正可以用于任何极性的发生器。图7中图示的脉冲发生器的实施例包括如先前描述的多个电压单元714。在该示例中，电压单元714与不同于电压单元714的一系列单元702连接。在该示例中，电压单元702被配置为使得它们串联地充电并且并联地放电。开关驱动器708、716、718、720和722控制开关706、732、734、736和738，使得电容器704、724、726、728、730和740串联地充电。同时，电压单元714的存储电容器并联地充电。然而，电压单元702被配置为提供下降校正。

当电压单元702中的开关接通时，电容器串联充电。在电压脉冲期间，可以对电压单元702放电，使得可以调整电压脉冲的形状。在一个实施例中，通过控制或延迟电压单元702中的电容器的放电，可以跨整个脉冲校正下降。在本公开的另一个实施例中，脉冲可以驱动具有需要被复位的核心的脉冲变压器。可以与充电开关的接地端串联地包括复位电源，以提供核心复位电流。这消除了对具有核心复位电感器的需要。

图8A至8D图示了包括提供下降补偿的电路的电压单元的附加的实施例。图8A至8D还图示了隔离有缺陷或不起作用的电压单元的能力。当构造脉冲发生器时，其可以包括多个电压单元。本公开的实施例通过包括振铃电路来提供下降补偿。然而，这些电压单元中的仅一个或少许需要具有振铃电路，以便提供下降校正或下降补偿。大多数电压单元可以如本文中描述的那样并且不一定需要包括振铃电路。

在该示例中，电容器802用于存储传送到负载的电荷。串联连接的电压单元中的其它电容器也存储电荷，所述电荷将作为电压脉冲传送到负载。如先前描述的那样，当电流从充电源824流动穿过二极管836时，可以对电容器802串联地充电。用于对电压单元820中的(一个或多个)电容器充电的电流从充电功率824流动穿过接通的返回开关814，并且直到电压单元820，然后通过二极管串822回到充电功率824。

以这种方式，如图8A中所图示，当主开关816断开并且返回开关814接通时，对电容器802充电。当以这种方式接通返回开关时，电流可以流动到电压单元820中的下一个电容器。因为串联连接的电压单元中的主开关被断开，所以电容器802不放电。通过返回开关814的电流可以通过二极管串822返回。以这种方式，电压单元中的电容器被充电电源824有效地并联充电。

图8A中的电压单元800还图示了：电感器812、电容器810以及二极管804、806和818。二极管818和806防止电容器802放电。当主开关816接通时，二极管804防止存储在电容器中的电流通过电容器810放电，并确保将电压脉冲传送到负载。

如先前指示的那样，电压脉冲可能随时间开始下降。包括电容器810和电感器812的振铃电路可以提供比图7中所图示的下降补偿更平滑的下降补偿。在这种情况下，随着电容器802开始放电，振铃电路开始振铃，从而在一个实施例中创建向电压脉冲提供下降补偿的半正弦波。有利地，这在一个实施例中提供了平滑下降补偿，而不是对电压脉冲的参差不齐的或锯齿补偿。

更具体地，图8B图示了正在放电并提供下降补偿的电压单元。在该示例中，主开关816接通并且返回开关814断开。因此，串联连接的电压单元800、820(附加电压单元可以如先前描述的那样类似地连接)的电容器802被连接并且通过打开的开关放电到连接的负载，其可以与串联连接的电压单元并联。

在包括振铃电路的电压单元中，二极管842、836和840使电容器802能够串联地充电并且还使得电容器并联地放电。尽管单元800中的电容器802串联地充电，但是电容器802与其它电压单元中的其它电容器并联地充电，如先前描述的那样。

因此，电压单元800与振铃电路连接，使得当开关816接通时，电容器具有一半的电压。振铃电路开始振铃，并且电容器810被充电至两倍电压。电容器810因此以正弦波充电并且为电压脉冲提供平滑升高补偿。在该示例中，电路838包括二极管和电阻器，所述二极管和电阻器提供了用于电荷并联地放电的路径。

由振铃电路提供下降补偿或下降校正。在该示例中，电感器812和电容器801开始振铃，并且随着电容器810开始充电，其可以通过接通的开关816以及向负载放电。振铃具有向电压脉冲提供下降补偿的效果。通过变化电容器810的和电感器812的值，可以选择性地提供和控制下降补偿。换句话说，在其它电压单元中的电容器放电之后，电容器810开始放电，由此补偿电压脉冲中的电压下降。

图8C和8D图示了在提供脉冲之后在主开关816被断开之后的振铃电路。当主开关816(连同其它电压单元中的主开关)被断开时，电压单元的振铃电路变成隔离的。电感器812中的残余电流或电容器810中的电荷以隔离的方式在振铃电路中放电。例如，图8C图示了电流828通过二极管818从电容器810放电。另一方面，图8D图示了电感器812中的电流通过二极管806放电到电容器810。以这种方式，图8A至8D中所图示的振铃电路是向电压脉冲提供平滑下降补偿的示例。

图8D还图示了本公开的实施例，其可以隔离有缺陷的单元或者隔离可能不正确地起作用的单元，而不对电压脉冲的生成具有不利影响。在这种情况下，图8D中(以及其它图中)所图示的返回开关包括二极管832。如果返回开关不包括这样的二极管，则在该示例中，二极管834可以被包括在跨返回开关的电压单元中。当返回开关814断开并且单元有缺陷时，二极管832为放电电流提供路径。因此，二极管832或834变成隔离二极管，其当特别的电压单元由于各种原因不操作时使得能够传送脉冲。

通常，当电压单元800正常操作时，二极管832或834在放电期间被反向偏置，使得电流通过电容器放电。当单元有缺陷时，可以断开开关816，并且这使放电电流能够通过二极管832或834在有缺陷的电压单元周围经过。当返回开关接通以准许电容器802的充电时，主开关断开并且防止电流通过二极管832放电，这是因为当主开关断开并且二极管832被反向偏置时电压单元被有效地隔离。可替代地，放电电流可以通过二极管串822传送。

在一个实施例中，可以构造包括多个电压单元的脉冲发生器。这种脉冲发生器具有多个冗余，其为若干事件提供保护。如果电压单元有缺陷，则可以更改最初存储在剩余电压单元的电容器中的电荷的量，使得电压脉冲不受影响。在这种情况下，脉冲发生器可以包括比针对特别的占空比所需要的电压单元更多的电压单元。同样地，以即使当单元有缺陷时也准许传送电压脉冲的方式构造电压单元。换句话说，本公开的实施例提供了单位隔离和冗余。

本公开的实施例提供了若干优点和益处。脉冲的形状以及上升时间和下降时间可以被编程或控制。例如，可以通过选择振铃电路中的部件来控制上升时间和下降时间。上升时间和/或下降时间也可以通过对主开关和/或返回开关被接通/断开的定时来控制。另外，脉冲的长度也可以被编程。

例如，脉冲发生器典型地包括足够的电压单元以生成大范围的电压脉冲。在一些情况下，可能不需要所有的电压单元来生成特别的脉冲。通过控制主开关和返回开关的定时，可以控制电压脉冲的长度。在另一个示例中，通过在脉冲结束时接通返回开关，电压脉冲的下降时间可以增加，这是因为任何的残余电压具有在其中可能发生放电的另一路径。

在一些实施例中，由Marx发生器生成的脉冲的要求可能足以要求并联使用两个或更多Marx发生器以产生期望的脉冲。在一些情况下，可以使用并联的Marx拓扑结构来将每个Marx发生器的电流贡献降低到可接受的水平，使得不需要出口控制的开关，这可以允许系统有商业便捷的自由(即，系统可以被跨境运输，同时仍然保持依从各种出口-进口控制规定)。在其它情况下，脉冲的电压和电流要求可能足够相当大，以保证对并联的Marx拓扑结构的使用以便允许高功率IGBT开关通过操纵脉冲变压器匝数比率而以降低的电压操作，以便最小化与高电压、高电流固态器件相关联的辐射损坏或其它故障模式的可能性。

作为示例，如果需要单个Marx发生器来生成2000安培的10000伏特脉冲，则在单个Marx发生器中创建这样的脉冲所需要的IGBT开关可能会超过商业上可获得的开关的额定的电压和额定，并且因为输出处的电流总和为2000A，所以会需要采用使用商业上可获得的1000A开关的两个并联的marx'。通常，商业上可获得的开关被设计为处理近似4-1000安培的电流。在单独的情况下，为了使用单个Marx发生器生成10,000伏特、1000安培的脉冲，可能需要采用1000A的开关。这种较高额定的开关可能违反由各个国家实施的各种出口/进口控制。例如，在美国，国际武器贸易(ITAR)规章可能禁止或严格限制包含开关(其额度电压和电流足够使用单个Marx发生器生成以上描述的脉冲)的Marx发生器的出口。例如，当前的ITAR规章仅允许具有小于或等于2,000伏特的阳极峰值电压、小于500安培的阳极峰值额定电流以及大于1微秒的接通时间的开关。如果在使用单个Marx发生器实施时，脉冲的电压和电流要求足以要求超过ITAR规定的开关规章的开关，则这种设备可能在商业上不可行。因此，作为示例，如果脉冲需要500安培以上的电流和2,000伏特以上的脉冲，则为了创建在其中使用单个Marx发生器生成这种脉冲的系统，发生器多半会需要不依从ITAR的开关。

因此对于需要超过500安培的电流或者超过600安培、或超过700安培、或超过800安培的电流的输出脉冲，可以利用以下描述的系统来确保依从ITAR的实施方式。

通过采用以下详细描述的并联Marx拓扑结构，每个单独的Marx可以包括依从出口/进口的开关和其它部件，而由并联Marx发生器创建的共同脉冲可以生成具有足够高的电压和电流的脉冲以满足脉冲的用户的要求。可以从并联Marx发生器技术中受益的脉冲的示例使用包括电子束、质子束、光谱仪、加速器、雷达发射器、高阻抗电子枪、离子管、液体极化单元和电穿孔。上面的列表应仅被理解为在其中可能需要高电压脉冲的示例上下文，而不应被解释为限制性的。在其中需要高电压脉冲的任何上下文都可以从并联Marx拓扑结构中受益。

图9图示了根据本公开的示例的示例性并联Marx发生器拓扑结构。并联Marx发生器系统900可以包括用于向Marx发生器904a和904b中的每个提供功率(即，电流)的电源902。系统902还可以包括两个Marx发生器904a和904b，其可以共同用于生成高功率脉冲。在图9的示例中，系统902包括两个并联的Marx发生器904a和904b，然而示例不应被解释为限制性的。采用并联Marx发生器的系统可以包括多个Marx发生器(例如3个、4个、5个等)。本领域技术人员将理解的是，以下详细讨论的系统和方法可以在包括多于两个并联Marx发生器的并联Marx发生器拓扑结构上采用。

每个Marx发生器904a和904b可以使用以上参照图1-8描述的系统和方法来实现，并且在电路布局和所使用部件方面可以彼此相同。每个Marx发生器904a和904b可以连接到电源902并从电源902接收功率，并且可以进一步包括公共接口902(在下面进一步详细描述)。每个Marx发生器904a和904b可以输出到变压器908。变压器908可以使由每个Marx发生器共同生成的电压升高以及使由每个Marx发生器生成的电流降低到由在其中采用脉冲的上下文所需的期望水平。电压升高和电流降低的量可以由变压器908的初级绕组与变压器的次级绕组的比率来指示。因此，取决于你的脉冲的电压需要，变压器可以被设计有在初级绕组和次级绕组之间的适当比率，以产生可以生成期望脉冲的升高效果。如下面进一步详细描述的那样，变压器908还可以用于平衡由每个Marx发生器生成的电流。

最终，变压器908的输出可用于驱动负载910。负载910可以代表利用由系统902创建的脉冲的设备，诸如电子束、光谱仪、雷达等。

变压器908可以适用于两个主要目的。第一，变压器908可以起作用以使从Marx发生器904a和904b输出到负载910的电压升高。电压的升高和电流的降低的量可以基于变压器的初级绕组(即，与Marx发生器相互作用的变压器的一侧)与变压器的次级绕组(即，连接到负载910的变压器的一侧)之间的匝数的比率。因此，在一个示例中，如果Marx发生器904a和904b共同产生1,000安培以及10,000伏特的脉冲，然而对于负载910而言需要130,000伏特的脉冲，则初级绕组与次级绕组的比率可以是1:13。以这种方式，电压将以为13的倍数升高(即，从10,000伏特至130,000伏特)，而电流以13:1的比率降低(即，1,000安培至近似75安培)。

图10图示了根据本公开的示例的示例性变压器。变压器1002可以包括两个初级绕组1004和1006。两个初级绕组1004和1006可以分别接收Marx发生器904b和904a的输出信号。可以相对于次级绕组1008配置初级绕组1004和1006，使得初级绕组能够经由电磁感应将电能转移到次级绕组。

如上所讨论，可以操纵初级绕组1004和1006与次级绕组1008之间的匝数的比率，以便实现电压的期望的升高量，以便生成具有比由Marx发生器904a和904b产生的脉冲的电压更高的电压的脉冲。同样如上所讨论，变压器908可以适用于两个功能。第二功能可以是平衡由每个Marx发生器904a和904b输出的电流。

为了说明电流平衡的概念，下面提供了示例场景。虽然理想地，Marx发生器904a和904b会产生相同的输出电流，但实际上这可能不是真的。例如，Marx发生器904a可以产生具有550安培电流的脉冲，而Marx发生器904b可以产生具有450安培的电流的脉冲。两个Marx发生器之间电流的不平衡可能是由于伴随Marx发生器904a和904b的不同部件在电路的操作期间不同地表现(这些不同的行为可能是由制造差异/不规则性引起的)。例如，如果在系统900的操作期间，则当与位于Marx发生器904b内的IGBT开关相比时，Marx发生器904a内的IGBT开关可以展现出不同的特性，诸如上升和下降时间、电阻等。这些差异可能导致由每个Marx发生器生成的电流彼此不同。

返回到在生成脉冲时产生550安培的电流的Marx发生器904a和在生成脉冲时产生450安培的电流的Marx发生器904b的示例，输出电流的这种不等可能对并联Marx发生器设备的平均生命期的寿命具有总体影响。例如，如果与Marx发生器904b的450安培相对比，Marx发生器904a以更高的550安培操作，则Marx发生器904a可能具有减少的寿命，并且可能可以以比Marx发生器904b更快的速率出故障。

然而，变压器908可以配置为确保每个Marx发生器向变压器贡献近似相同的电流，其然后最终被用于驱动负载910。如本领域中已知的，变压器内侧的磁场趋于保持平衡。换句话说，变压器中的磁通量路径将试图在整个场中维持均匀性。在持续时间非常短的脉冲中(例如，在2毫秒内充电并在数微秒内放电的5百万分之一秒)，可以存在相当大的可能性即在没有变压器的情况下由并联Marx发生器拓扑结构中的每个Marx发生器输出的电流会不相等。变压器可以起作用以确保由每个Marx发生器生成的电流相对于彼此基本上均匀。如图10中所图示，在其中两个并联的Marx发生器被配置为耦合到变压器908内的单个次级绕组的配置中，变压器908将试图通过两个初级绕组1004和1006与次级绕组1008之间的磁路径1010维持均匀通量。因此，如果Marx发生器904a产生500安培的电流，则试图保持磁通量均匀的变压器908将从Marx发生器904b汲取500安培。以这种方式，当变压器908看到Marx发生器中的一个的电流变得高于由另一个Marx发生器产生的电流时，相对于由较低电流Marx发生器生成的电流，变压器可以对该电流创建更大的电阻，以及因此可以充当均衡器。

平衡由并联拓扑结构中的每个Marx发生器提供的电流的该概念也可以应用于具有3个、4个或任何数量的并联Marx发生器的并联Marx发生器拓扑结构。因此，相对于并联Marx拓扑结构，变压器可以适用于两个目的。首先，它可以提供对于给定负载而言所需要的要求的电压和电流，以及其次，它可以提供电流平衡以确保每个Marx发生器向变压器提供粗略地相等的电流量，以用于最终传送至负载。

从采用并联Marx发生器拓扑结构可以利用的另一个优点是，通过使用并联Marx发生器来分担生成高功率脉冲所需要的工作，Marx发生器本身可以由较小较可靠的部件组成。例如，采用并联的Marx发生器拓扑结构可以允许你使用较低电流开关，该开关可以典型地比较高功率开关更快。当与高功率开关相比时，较低电流开关可以做得小并且更轻质的，并且当与采用高功率开关的Marx发生器相比时，较小的开关转而为系统提供了更快的上升和下降时间。

同样地，由于任何时间任何单独的Marx发生器出故障，都将仅需要更换系统的一部分(即，出故障的Marx发生器)而不是整个系统，因此可以较容易地减轻系统的故障。并联Marx发生器拓扑结构的几何结构可以允许任何单独的Marx发生器的简单更换。

在一个示例中，并联Marx拓扑结构的几何形状可以允许任何单独的Marx发生器被配置为使得其可以容易地与较广泛的系统附接或分离，由此允许倘若单独的Marx发生器出故障，快速且容易地进行更换。

参照回到图9，系统900还可以包括公共接口906。公共接口906可以提供用于控制整个并联Marx拓扑结构而不需要分离地控制每个单独的Marx发生器的用户界面。公共接口可以允许在一个接口上的用户命令在Marx发生器904a和904b二者中都实现。此外，公共接口906可以允许来自两个Marx发生器的连续故障监视，并且可以被配置为处理来自任一个或两个Marx发生器的任何故障。如果确实发生故障，则公共接口可以免除更换公共接口盒本身的需要，因此在故障的情况下允许仅更换Marx发生器。

在一个示例中，公共接口906可以包括光学到数字转换器，该转换器可以允许Marx发生器的“触发”。“触发”可以指给每个Marx发生器的打开其充电IGBT并关闭其放电IGBT以便生成脉冲的命令。当用户期望终止脉冲时，可以停止触发。在移除触发时，充电IGBT可以关闭，而放电IGBT可以打开。

控制界面906还可以允许用户设定在指示故障状况之前可以在设备中检测到的电弧的数量。在一个示例中，用户可能想要在十天中容许系统的正常操作可能预期的4或5个弧。然而，如果在非常短的时间量中要发生25个弧，则用户可能想要被通知该情况，使得他们可以着手使系统900停机以确定高频率的电弧放电的根本原因。

控制接口还可以检测过电流状况、电路中的一个或多个IGBT是否已经出故障、温度状况、流量传感器以及任何其它一般故障状况。在一些实施例中，公共接口可以从电源接收功率，然后将功率分配给每个单独的Marx发生器。通常，通过采用公共接口来控制所有Marx发生器，每个单独的Marx发生器可能不需要其自己的分离的控制接口，因此降低了系统的成本和占用空间。

实现以上描述的并联Marx拓扑结构可以给与许多优点。例如，系统可以是高度模块化的、易于看管的并且可以包括优化的LRU。此外，该系统可能是抗辐射的、具有小体积/占用空间的、可以包括商业现货的开关和电容器、包括简单的接口，并且当与试图生成高能量脉冲的单个Marx发生器相比时可以拥有更长的平均生命期。

图11图示了根据本公开的示例的另一示例性并联Marx拓扑结构。如图11中所图示，系统1100可以包括两个并联的Marx发生器111a-b，其被配置为彼此并联地操作。在图11的示例中，Marx发生器1110a-b示出为3级固态Marx发生器，其可以是空气或水冷却的。并联的Marx模块可以使其电容器由公共高电压电源充电，该高电压电源转而是由三相480V壁式功率(wall power)供电。并联的Marx模块辅助功率系统可以由公共120V-240V的1相总线供电。

系统1100可以包括可以由控制辅助电源1105供电的公共接口1102。系统1100还可以包括平顶下降控制单元1108a-b(每个Marx发生器1110a-b一个)。可以采用(如上所描述的)平顶下降控制单元1108a-b来帮助系统1100产生具有平顶(即，电压/电流的改变在脉冲的持续时间期间保持基本上稳定)的脉冲。

系统1100还可以包括以上面关于图9讨论的方式操作的变压器1116。如附图中所示出的那样，变压器1116可以浸入油箱中，以限制由系统1100经历的电弧放电的量。最终，系统1100可以连接到负载1114，该负载1114接收由并联Marx拓扑结构系统生成的脉冲。

在不脱离本公开的精神或本质特性的情况下，本公开可以以其它特定形式来体现。所描述的实施例在所有方面中仅应被认为是说明性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示。到权利要求的相等物的含义和范围内的所有改变要被包含在其范围内。

尽管已经参考附图充分描述了本公开和示例，但是要注意的是，各种改变和修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。这样的改变和修改要被理解为被包括在如由权利要求限定的本公开和示例的范围内。

Claims (11)

1.一种用于生成脉冲的电子设备，所述设备包括：

多个Marx发生器，其中所述多个Marx发生器并联连接；

公共接口，其中所述公共接口被配置为从所述多个Marx发生器中的每个Marx发生器发送和接收一个或多个控制信号；以及

变压器，其中所述变压器包括第一初级绕组和第二初级绕组，所述第一初级绕组配置为从所述多个Marx发生器的第一Marx发生器接收第一输出信号，所述第二初级绕组配置为从所述多个Marx发生器的第二Marx发生器接收第二输出信号。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个Marx发生器中的每个Marx发生器被配置为输出电流，并且其中所述变压器被配置为使得由每个Marx发生器输出的所述电流基本上相等。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述变压器包括多个初级绕组和次级绕组，所述多个初级绕组中的每个初级绕组与所述多个Marx发生器中的一个Marx发生器相关联，其中每个初级绕组接收由所述多个Marx发生器生成的所述多个信号中的一个，并且其中所述次级绕组接收由所述多个Marx发生器生成的所述多个信号中的一个。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个Marx发生器中的每个Marx发生器包括一个或多个开关，并且其中每个开关具有小于2000伏特的阳极峰值额定电压。

5.根据权利要求4所述的设备，其中每个开关具有500安培的阳极峰值电流比率。

6.根据权利要求4所述的设备，其中每个开关具有1微秒或更短的接通时间。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述公共接口被配置为从用户接收关于所述输出脉冲的一个或多个规格的命令，并且被配置为基于接收的规格来调整每个Marx发生器的一个或多个设定。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述公共接口被配置为检测所述多个Marx发生器中的每个Marx发生器的过电流状况。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述公共接口被配置为检测在所述多个Marx发生器中的每个Marx发生器中发生的一个或多个电弧。

10.根据权利要求1所述的设备，还包括多个下降补偿单元，其中每个下降补偿单元关联所述多个Marx发生器中的一个，并且其中每个下降补偿单元被配置为维持所述输出脉冲的平直度。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，从所述多个Marx发生器接收的所述多个信号，每一个具有大于500安培的输出电流和大于2000伏特的输出电压。