CN111010048A - 一种高压脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压脉冲发生器，属于高电压技术领域，特别涉及一种模块化marx型超高压脉冲发生器，该高压脉冲发生器包括多个储能单元和其对应的开关单元、充电单元以及隔离单元。本发明提出了一种小型化marx型超高压发生器，该结构采用模块化设计理念，不仅缩减了同步触发环节，而且有效隔离了充电、储能和导通环节，整体布局紧密。该结构在工程上真正实现marx型超高压发生器的小型化和实用化，特别有利于工作在电压10万伏特等级和电流1000安培等级的情况。

Description

一种高压脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种高压脉冲发生器，属于高电压技术领域，特别指一种模块化marx型超高压脉冲发生器，该超高压脉冲发生器可广泛应用于：强流电脉冲产生、微波产生、等离子体产生、X射线产生、生物医药、环保处理、食品处理、医疗器械等技术领域。

背景技术

高电压技术，特别是瞬时高压技术是一种把低电压、低功率的电能存储起来后通过升压变换和瞬时释放进而产生超高电压脉冲的技术。marx型发生器是一种重要的高电压脉冲产生设备。marx型发生器的基本工作原理可简单表述为“并联充电，串联放电”。工作时，首先对若干级并联连接的储能元件进行低电压充电，当充电到某一时刻后，串接在各级储能元件之间的开关快速导通形成串联放电通路，根据电压叠加原理，最终能量在负载上释放，形成高电压。

通常情况下，marx型发生器的各级储能元件充电完成后都需要连接跨级开关从而完成储能元件的串联放电，跨级开关独立放置且通过管道连接，当工作在较高电压和较大电流等级下时，例如50万伏特、1万安培，系统的同步触发和放电存在较大的延迟和抖动，并且系统体积和重量较大，可维护性较差，使用寿命有限。

为了实现紧凑小型化，部分科研人员设计了一种同轴结构的marx发生器，该型marx发生器的开关与储能元件同级，且紧密连接，由前级开关导通产生的电离诱导下一级开关导通，从而形成串联放电。但是，该结构中由于开关和储能元件处在相同的绝缘环境，开关导通产生的电离容易引发储能元件之间、电感或电阻之间、开关与地之间局部打火或拉弧，特别是在长时间使用后，因此系统可靠性和稳定性难以保证。

发明内容

针对marx型超高压发生器在小型化紧凑化方面存在的可靠性和稳定性不高、可维护性较差、使用寿命较短等问题，本发明提出了一种小型化marx型超高压发生器，该结构采用模块化设计理念，不仅缩减了同步触发环节，而且有效隔离了充电、储能和导通环节，整体布局紧密。该结构在工程上真正实现marx型超高压发生器的小型化和实用化，特别有利于工作在电压10万伏特等级和电流1000安培等级的情况。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种高压脉冲发生器包括多个储能单元、开关单元、充电单元和隔离单元，其中：所述多个储能单元通过外壳体固定安装、以构成相互堆叠的紧密结构；所述多个开关单元设置在外壳体的一侧，开关单元用于改变储能单元的串并联关系，当所有开关单元断开时，储能单元之间为并联结构；当所有开关单元导通时，储能单元之间为串联结构；所述多个充电单元设置在外壳体的另一侧，隔离单元分别连接对应的储能单元；所述隔离单元设置在外壳体的另一侧，隔离单元一方面用于隔离导通状态的相邻开关单元、另一方面用于间隔充电状态下的相邻储能单元。

优选的，所述储能单元包括多个并排布置的脉冲电容器，所述多个脉冲电容器的输入端通过连接件互连、多个脉冲电容器的输出端通过连接件互连、以构成并联储能结构。

优选的，所述开关单元包括多个电极和用于安装所述电极的密封容器，其中：所述多个电极并排、成对布置；所述密封容器内部充有1-2个大气压的气体，所述气体包括氮气、SF₆、或氮气和SF₆的混合气体中的一种；开关单元利用前一级电极导通后产生的紫外光辐射预先电离后一级电极间的气体，以实现后一级电极加电后的快速自导通。

优选的，所述多个储能单元相互并联，相邻储能单元之间的回路中设置有对应的充电单元和隔离单元，所述开关单元设置在相邻储能单元的输出口和输入口之间，所述储能单元中一级储能电容的输入口连接电源端，储能单元中最后一级储能电容的输出口接地。

优选的，所述储能单元中一级储能电容的输入口分别连接电源端和充电单元中一级充电块的一端，一级储能电容的输出口分别连接隔离单元中一级隔离块的一端和开关单元中一级开关的一端；储能单元中二级储能电容的输入口分别连接一级充电块的另一端、一级开关的另一端和充电单元中二级充电块的一端，二级储能电容的输出口分别连接隔离单元中一级隔离块的另一端、二级隔离块的一端和开关单元中二级开关的另一端；储能单元中三级储能电容的输入口分别连接二级充电块的另一端、二级开关的另一端和充电单元中三级充电块的一端，三级储能电容的输出口分别连接隔离单元中二级隔离块的另一端、三级隔离块的一端和开关单元中三级开关的另一端；储能单元中最后一级储能电容和上一级储能电容之间设置有最后一级充电块和最后一级隔离块，最后一级开关设置在最后一级储能电容的输入口和上一级储能电容输出口之间。

优选的，所述充电单元由电感或电阻组成。

优选的，所述隔离单元由电感或电阻组成。

优选的，所述电极的形状包括球形、半球型、平板型或罗科夫斯基型中的一种，所述电极的制作材料包括铜、不锈钢、铜钨合金、钽、钼、钨中的一种。

本发明提出的高压脉冲发生器具有以下有益效果：

本发明提出了一种模块化marx型超高压脉冲发生器，采用模块化设计理念，不仅缩减了同步触发环节，而且有效隔离了充电、储能和导通环节，整体布局紧密，具备高压脉冲产生能力的同时，还具有小型化、紧凑化的优点，对于实际工程应用，以及后期的快速维护均有很大益处，不仅能够降低系统的复杂度和操作难度，降低对于操作和维护人员的能力要求，还能够有效提升系统的可靠性和实用性，以及产业化开发能力。实际测试结果显示，利用本发明研制出的一种模块化marx型超高压脉冲发生器不仅具有产生超高电脉冲的能力，还从工程上实现了小型化和紧凑化，特别有利于工作在电压10万伏特等级和电流1000安培等级的情况。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体示意图；

图2为本发明的整体结构侧面示意图；

图3为本发明的整体结构背面示意图；

图4为本发明中储能单元的结构示意图；

图5为本发明中开关单元的结构示意图；

图6为本发明的电路连接示意图；

图7为本发明的工作电压波形图。

图中，1-储能单元、101-脉冲电容器、102-输入端、103-输出端、104-连接件、2-开关单元、201-电极、202-密封容器、3-充电单元、4-隔离单元。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

根据附图所示，对本发明进行进一步说明：

如图1、图2和图3所示，该高压脉冲发生器包括多个储能单元1、开关单元2、充电单元3和隔离单元4，图中，多个储能单元1通过外壳体固定安装、以构成相互堆叠的紧密结构，上述外壳结构采用绝缘材料制成，两端有固定面，中部有连接板。多个开关单元2设置在外壳体的一侧，开关单元2与外壳体之间可以采用卡扣连接，也可以采用其他可拆卸连接方式，开关单元2用于改变储能单元1的串并联关系，当所有开关单元2断开时，储能单元1之间为并联结构；当所有开关单元2导通时，储能单元1之间为串联结构，开关单元2放置在距离储能单元1输出最近的位置，以减小连接感抗的影响。多个充电单元3设置在外壳体的另一侧，也可以安装在储能单元1的外露连接环处，隔离单元4分别连接对应的储能单元1，隔离单元4设置在外壳体的另一侧，也可以安装在储能单元1的外露连接环处，隔离单元4一方面用于隔离导通状态的相邻开关单元2，另一方面用于间隔充电状态下的相邻储能单元1。

需要说明的是，如图4所示，储能单元1包括多个并排布置的脉冲电容器101，多个脉冲电容器101的输入端102通过连接件104互连、多个脉冲电容器101的输出端103通过连接件104互连、以构成并联储能结构。本实施例中，储能单元1、开关单元2、充电单元3和隔离单元4均为19级结构。储能单元1中的脉冲电容器101的所有输入端相连并与充电单元3连接，脉冲电容器101的所有输出端相连并与开关单元3连接。通常情况下，储能单元为多级，级数大于2。

具体的，脉冲电容器101可以是陶瓷电容器、云母电容器、电解电容器、薄膜电容器等，所有脉冲电容器101的输入端和输出端分别用导线或铜带焊接固定。本实施例中，4个脉冲电容器并排排列组成一个储能单元。每个储能单元1的整体可用绝缘材料限位固定、包裹，或者灌胶封装。除输入端和输出端外，其余部分对外绝缘。

如图5所示，开关单元2包括多个电极201和用于安装电极201的密封容器202，其中：多个电极201并排、成对布置，电极对分别设置在开关单元2的两端；密封容器202内部充有1-2个大气压的气体，气体包括氮气、SF₆、或氮气和SF₆的混合气体中的一种；开关单元2利用前一级电极201导通后产生的紫外光辐射预先电离后一级电极201间的气体，以实现后一级电极201加电后的快速自导通。

需要说明的是，密封容器202为方形容器起固定电极和维持内部气压的作用，一般由非金属材料制成，电极为金属材料。具体的，电极201的形状包括球形、半球型、平板型或罗科夫斯基型中的一种，电极201的制作材料包括铜、不锈钢、铜钨合金、钽、钼、钨中的一种。

如图6所示，多个储能单元1相互并联，相邻储能单元1之间的回路中设置有对应的充电单元3和隔离单元4，开关单元2设置在相邻储能单元1的输出口和输入口之间，储能单元1中一级储能电容C1的输入口连接电源端U，储能单元1中最后一级储能电容CN的输出口接地G。具体的，储能单元1中一级储能电容C1的输入口分别连接电源端U和充电单元3中一级充电块V1的一端，一级储能电容C1的输出口分别连接隔离单元4中一级隔离块I1的一端和开关单元2中一级开关K1的一端；储能单元1中二级储能电容C2的输入口分别连接一级充电块V1的另一端、一级开关K1的另一端和充电单元3中二级充电块V2的一端，二级储能电容C2的输出口分别连接隔离单元4中一级隔离块I1的另一端、二级隔离块I2的一端和开关单元2中二级开关K2的另一端；储能单元1中三级储能电容C3的输入口分别连接二级充电块V2的另一端、二级开关K2的另一端和充电单元3中三级充电块的一端，三级储能电容的输出口分别连接隔离单元4中二级隔离块I2的另一端、三级隔离块的一端和开关单元2中三级开关的另一端。

需要说明的是，图6中省略的电路连接方式如上所述，采用一致的布置方式。最后一级的排布方式如下：储能单元1中最后一级储能电容CN和上一级储能电容CN-1之间设置有最后一级充电块VN和最后一级隔离块IN，最后一级开关KN设置在最后一级储能电容CN的输入口和上一级储能电容CN-1输出口之间。

需要进一步说明的是，充电单元3由电感或电阻组成，个数与储能单元级数相同，每个电感或电阻与上下相邻两级脉冲电容器的输入端相连，相邻两个电感或电阻首尾串接，整体构成串联形式。所述隔离单元4由电感或电阻组成，个数与开关级数相同，每个电感或电阻与上下相邻两级开关的同端电极相连，相邻两个电感或电阻首尾串接，整体构成串联形式。

具体工作时，该发生器的基本工作原理为“并联充电，串联放电”。工作时，首先，开关单元2中的所有开关处于开路状态，使储能单元1中的所有脉冲电容器101并联，然后对并联连接的储能元件进行低电压充电，当充电到某一时刻后，串接在各级储能元件1之间的开关（K1至KN）快速导通形成串联放电通路，根据电压叠加原理，最终能量在负载上释放，形成高电压。图7为应用本发明获得的一个19级模块化marx型超高压脉冲发生器的输出电压波形。单级储能单元的电容量为2.5纳法拉，单级充电和隔离电感均为24微亨利。结果显示，在50欧姆负载上可获得脉宽约150纳秒，峰值电压约50万伏特的电脉冲，波形品质较好。本实施例中，T _r 为电脉冲的前沿时间，T _r =20纳秒，T _p 为电脉冲的平顶时间，T _p =70纳秒，T _f 为电脉冲的后沿时间，T _f =90纳秒。T _r <T _p <T _f 表明开关导通迅速，电压串联叠加建立速度快、能量损失少、效率高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高压脉冲发生器，其特征在于，包括多个储能单元（1）、开关单元（2）、充电单元（3）和隔离单元（4），其中：

所述多个储能单元（1）通过外壳体固定安装、以构成相互堆叠的紧密结构；

所述多个开关单元（2）设置在外壳体的一侧，开关单元（2）用于改变储能单元（1）的串并联关系，当所有开关单元（2）断开时，储能单元（1）之间为并联结构；当所有开关单元（2）导通时，储能单元（1）之间为串联结构；

所述多个充电单元（3）设置在外壳体的另一侧，隔离单元（4）分别连接对应的储能单元（1）；

所述隔离单元（4）设置在外壳体的另一侧，隔离单元（4）一方面用于隔离导通状态的相邻开关单元（2）、另一方面用于间隔充电状态下的相邻储能单元（1）。

2.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器，其特征在于，所述储能单元（1）包括多个并排布置的脉冲电容器（101），所述多个脉冲电容器（101）的输入端（102）通过连接件（104）互连、多个脉冲电容器（101）的输出端（103）通过连接件（104）互连、以构成并联储能结构。

3.根据权利要求2所述的高压脉冲发生器，其特征在于，所述开关单元（2）包括多个电极（201）和用于安装所述电极（201）的密封容器（202），其中：

所述多个电极（201）并排、成对布置；

所述密封容器（202）内部充有1-2个大气压的气体，所述气体包括氮气、SF₆、或氮气和SF₆的混合气体中的一种；

开关单元（2）利用前一级电极（201）导通后产生的紫外光辐射预先电离后一级电极（201）间的气体，以实现后一级电极（201）加电后的快速自导通。

4.根据权利要求3所述的高压脉冲发生器，其特征在于，所述多个储能单元（1）相互并联，相邻储能单元（1）之间的回路中设置有对应的充电单元（3）和隔离单元（4），所述开关单元（2）设置在相邻储能单元（1）的输出口和输入口之间，所述储能单元（1）中一级储能电容（C1）的输入口连接电源端（U），储能单元（1）中最后一级储能电容（CN）的输出口接地（G）。

5.根据权利要求4所述的高压脉冲发生器，其特征在于，所述储能单元（1）中一级储能电容（C1）的输入口分别连接电源端（U）和充电单元（3）中一级充电块（V1）的一端，一级储能电容（C1）的输出口分别连接隔离单元（4）中一级隔离块（I1）的一端和开关单元（2）中一级开关（K1）的一端；

储能单元（1）中二级储能电容（C2）的输入口分别连接一级充电块（V1）的另一端、一级开关（K1）的另一端和充电单元（3）中二级充电块（V2）的一端，二级储能电容（C2）的输出口分别连接隔离单元（4）中一级隔离块（I1）的另一端、二级隔离块（I2）的一端和开关单元（2）中二级开关（K2）的另一端；

储能单元（1）中三级储能电容（C3）的输入口分别连接二级充电块（V2）的另一端、二级开关（K2）的另一端和充电单元（3）中三级充电块的一端，三级储能电容的输出口分别连接隔离单元（4）中二级隔离块（I2）的另一端、三级隔离块的一端和开关单元（2）中三级开关的另一端；

储能单元（1）中最后一级储能电容（CN）和上一级储能电容（CN-1）之间设置有最后一级充电块（VN）和最后一级隔离块（IN），最后一级开关（KN）设置在最后一级储能电容（CN）的输入口和上一级储能电容（CN-1）输出口之间。

6.根据权利要求5所述的高压脉冲发生器，其特征在于，所述充电单元（3）由电感或电阻组成。

7.根据权利要求6所述的高压脉冲发生器，其特征在于，所述隔离单元（4）由电感或电阻组成。

8.根据权利要求7所述的高压脉冲发生器，其特征在于，所述电极（201）的形状包括球形、半球型、平板型或罗科夫斯基型中的一种，所述电极（201）的制作材料包括铜、不锈钢、铜钨合金、钽、钼、钨中的一种。

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