CN111245280A - 一种高压脉冲发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压脉冲发生器，包括初级功率源、电缆输出单元和感应叠加单元，所述初级功率源包括依次串联的电感器、电容器和开关，初级功率源的输出端与电缆输出单元的各电缆输入端连接，各电缆输出端连接至感应叠加单元；初级功率源产生的脉冲通过多根电缆并联输出，每根电缆输出脉冲馈入感应叠加单元的感应腔，最终在感应叠加单元的次级实现向负载输出高压脉冲。本发明实质上是提出了一种基于感应叠加原理的高压脉冲产生电路拓扑结构，能够兼顾较少的开关数量和较短的脉冲上升时间两个优点，利于克服现有脉冲发生器存在的不足。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种高压脉冲发生器。
背景技术
在脉冲功率技术和其他高电压研究领域，传统的产生高压脉冲的方法主要有Marx发生器和脉冲变压器。Marx发生器利用多个电容器并联充电然后串联放电，使得各个电容器上的电压叠加起来获得高电压脉冲。脉冲变压器利用升压变压器将初级回路放电产生的脉冲电压升高，从而获得高压脉冲。
Marx发生器需要使用多个开关，开关作为一种活性器件，存在天然的故障概率，开关个数越多，故障概率越高。脉冲变压器初级回路只需要一个放电开关，只要变比足够大，就可以获得足够高电压的脉冲，但由于次级绕组的电感很大，很难获得较快上升前沿的脉冲，这在很多应用领域是不利的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的Marx发生器存在多开关引起的不稳定性，以及脉冲变压器很难获得较快上升前沿的脉冲；针对该问题，本发明提出一种基于感应叠加原理的高压脉冲产生电路拓扑结构，能够兼顾较少的开关数量和较短的脉冲上升时间两个优点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种高压脉冲发生器，包括初级功率源、电缆输出单元和感应叠加单元，所述初级功率源包括依次串联的电感器、电容器和开关，初级功率源的输出端与电缆输出单元的各电缆输入端连接，各电缆输出端连接至感应叠加单元；初级功率源产生的脉冲通过多根电缆并联输出，每根电缆输出脉冲馈入感应叠加单元的感应腔，最终在感应叠加单元的次级实现向负载输出高压脉冲。
进一步地，所述电感器一端接地、另一端连接至电容器，开关一端连接至电容器、另一端连接至电缆输出单元。
进一步地，所述初级功率源特征阻抗满足Z～(L/C)1/2～Zl/(mn)；其中L表示初级功率源中的电感值，C表示初级功率源中的电容值，Zl表示电缆阻抗，m表示电缆数量，n表示感应腔数量。
进一步地，所述感应叠加单元的感应腔数量n，满足n＝Ul/Ut；其中，Ul表示负载所需电压，Ut表示电缆的工作电压；
进一步地，每个感应腔馈入的电缆数量m：m＝Zl/Zc；其中，Zl为电缆阻抗，Zc表示单个感应腔阻抗。
进一步地，单个感应腔阻抗Zc，满足Zc＝Ul/(nI)，其中，Ul表示负载所需电压，n表示感应腔数量，I表示负载所需电流。
进一步地，所述初级功率源采用一组串联的电感器、电容器和开关用于产生脉冲输出。
进一步地，所述初级功率源、电缆输出单元和感应叠加单元依次串联，初级功率源和感应叠加单元端部接地；感应叠加单元的输出接地线路上用于设置负载。
本发明具有如下的优点和有益效果：
感应电压叠加技术(IVA)是脉冲功率领域的一次重大技术进步，其最初来源于20世纪60年代直线感应加速器的技术概念，多个电压级别相对较低的脉冲源输出的脉冲馈入感应腔，在次级以感应叠加的方式实现高电压输出，如图1所示。脉冲变压器是一种常用的高压脉冲产生技术，原理如图2所示，电容器C、电感L1和开关G组成初级回路，L1为初级电感，L2为次级电感，Z为负载，初级回路放电产生的低压脉冲通过L1和L2的磁通耦合，在次级回路上产生电压脉冲加载到负载上。通常使用的是升压变压器，L2大于L1，即次级可以获得高压脉冲。
脉冲变压器由于绕组漏感较大，从原理上无法获得较快的脉冲上升前沿。IVA虽然含有磁芯，但其电感并不包含在主放电回路中，所以可以产生快前沿脉冲。但要利用传统的IVA技术获得高电压，需要多个初级脉冲源，需要诸多开关等活性元件，不利于系统高可靠性的实现。
本发明综合脉冲变压器和IVA的优点，提出基于感应叠加技术的高压脉冲发生器，利用高压电缆实现单个开关初级功率源产生脉冲的多路输出，多路电缆传输的脉冲通过感应叠加产生快高电压脉冲。具体地利用单个开关和电容器组成初级回路，初级回路产生的脉冲通过多组高压电缆输出，每组高压电缆对一个感应腔馈电，在IVA次级实现高压脉冲输出。该方法既规避了脉冲变压器绕组电感带来的不能产生快前沿脉冲的问题，又实现了开关个数最小化，有利于装置的高可靠性运行。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为感应电压叠加器原理示意图；附图1中标记及对应的零部件名称：A-初级功率源，B-次级杆；
图2为脉冲变压器原理示意图；
图3为本发明高压脉冲发生器结构原理图；附图3中标记及对应的零部件名称：1-初级功率源，2-电缆传输单元，3-感应叠加单元，L-电感器，C-电容器，S开关，T-高压电缆，M-磁性，Lood-负载。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种高压脉冲发生器包括初级功率源、电缆输出单元和感应叠加单元，其特征在于，所述初级功率源包括依次串联的电感器、电容器和开关，初级功率源的输出端与电缆输出单元的各电缆输入端连接，各电缆输出端连接至感应叠加单元；初级功率源产生的脉冲通过多根电缆并联输出，每根电缆输出脉冲馈入感应叠加单元的感应腔，最终在感应叠加单元的次级实现向负载输出高压脉冲。
实施例2
在实施例1的基础上进一步改进，电感器一端接地、另一端连接至电容器，开关一端连接至电容器、另一端连接至电缆输出单元。电缆传输单元采用多根高压电缆并联，用于将初级功率源的输出脉冲传输至感应叠加单元；根据物理参数设计要求配置电缆的阻抗、工作电压、长度。感应叠加单元将多根电缆传输的脉冲通过多组感应腔的感应叠加实现高电压输出。
所述初级功率源特征阻抗满足Z～(L/C)1/2～Zl/(mn)；感应叠加单元的感应腔数量n，满足n＝Ul/Ut；每个感应腔馈入的电缆数量m：m＝Zl/Zc；单个感应腔阻抗Zc，满足Zc＝Ul/(nI)，其中。其中，L表示初级功率源中的电感值，C表示初级功率源中的电容值，Zl表示电缆阻抗，m表示电缆数量，n表示感应腔数量；Ul表示负载所需电压，Ut表示电缆的工作电压；Zl为电缆阻抗，Zc表示单个感应腔阻抗；I负载所需电流。
初级功率源、电缆输出单元和感应叠加单元依次串联，初级功率源采用一组串联的电感器、电容器和开关用于产生脉冲输出，电感器一端接地、另一端连接至电容器，开关一端连接至电容器、另一端连接至电缆输出单元；电缆输出单元的各电缆输出端连接至感应叠加单元的感应腔，感应叠加单元输出端通过线路接地；感应叠加单元的输出接地线路上用于设置负载。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高压脉冲发生器，包括初级功率源、电缆输出单元和感应叠加单元，其特征在于，所述初级功率源包括依次串联的电感器、电容器和开关，初级功率源的输出端与电缆输出单元的各电缆输入端连接，各电缆输出端连接至感应叠加单元；
初级功率源产生的脉冲通过多根电缆并联输出，每根电缆输出脉冲馈入感应叠加单元的感应腔，最终在感应叠加单元的次级实现向负载输出高压脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种高压脉冲发生器，其特征在于，所述电感器一端接地、另一端连接至电容器，开关一端连接至电容器、另一端连接至电缆输出单元。
3.根据权利要求1所述的一种高压脉冲发生器，其特征在于，所述初级功率源特征阻抗满足Z～(L/C)1/2～Zl/(mn)；其中L表示初级功率源中的电感值，C表示初级功率源中的电容值，Zl表示电缆阻抗，m表示电缆数量，n表示感应腔数量。
4.根据权利要求2所述的一种高压脉冲发生器，其特征在于，所述感应叠加单元的感应腔数量n，满足n＝Ul/Ut；其中，Ul表示负载所需电压，Ut表示电缆的工作电压。
5.根据权利要求3所述的一种高压脉冲发生器，其特征在于，每个感应腔馈入的电缆数量m：m＝Zl/Zc；其中，Zl为电缆阻抗，Zc表示单个感应腔阻抗。
6.根据权利要求4所述的一种高压脉冲发生器，其特征在于，单个感应腔阻抗Zc，满足Zc＝Ul/(nI)，其中，Ul表示负载所需电压，n表示感应腔数量，I负载所需电流。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种高压脉冲发生器，其特征在于，所述初级功率源采用一组串联的电感器、电容器和开关用于产生脉冲输出。
8.根据权利要求7所述的一种高压脉冲发生器，其特征在于，所述初级功率源、电缆输出单元和感应叠加单元依次串联，初级功率源和感应叠加单元端部接地；感应叠加单元的输出接地线路上用于设置负载。
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