CN111313867A - 一种全固态百纳秒方波脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，目的是解决现有全固态脉冲发生器输出脉宽长的问题。本发明由初级储能模块、脉冲升压模块、压缩整形模块、脉冲形成模块以及触发控制器、复位电路组成；触发控制器中有两路信号传输通道，按时延t分别触发初级储能模块的2个晶闸管开关；初级储能模块中的能量补充电容C_f的电容量远大于原边电容C₀的电容量；压缩整形模块由主电容C、隔离电感L_i以及主开关MS构成；主开关MS为磁开关，在C、脉冲升压模块、复位电路的配合控制下完成非饱和态和饱和态之间的切换以完成对脉冲发生器的输出信号的压缩，使得输出脉宽只有几百纳秒，可以直接作为驱动高功率微波产生器件的高功率脉冲驱动源用在HPM系统。

Description

一种全固态百纳秒方波脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种百纳秒方波脉冲发生器，具体涉及一种基于磁开关作为主开关的全固态百纳秒方波脉冲发生器，属于脉冲功率领域。

背景技术

脉冲功率技术是将能量以较低的功率储存起来，通过开关、脉冲调制等技术在很短的时间内把能量释放给负载，从而在负载上获得具有很高功率的电脉冲。它实质上是一种能量存储、压缩、转换和传输的技术，在这一过程中实现了强电脉冲的功率放大。

实现脉冲功率装置的固态化有助于提高系统重复频率、平均功率和使用寿命，增强系统的稳定可靠性、可维护性和环境适应性，因而成为了近年来脉冲功率技术领域的一个研究热点。

磁开关是一种利用磁芯由非饱和态到饱和态的转变完成电感的突变，从而实现对电路通断的控制功能的具有高重复频率、长寿命的高功率固态开关，主要由磁性材料机器封装构成。工作时，利用磁性材料的非线性特性使得缠绕在其周围的绕组产生非线性变化，实现对电信号脉冲的脉宽压缩和功率放大。磁开关最早由英国学者Melville提出【Melville W S.The use of saturable reactors as discharge devices for pulsegenerators[J].(可饱和电抗器作为脉冲发生器放电装置的应用)Proc IEEE,1951,98(3):185-207.】。20世纪80年代，磁性材料技术的突破和更高性能脉冲功率装置应用需求的牵引使得磁开关不仅广泛被用于磁脉冲压缩网络对电脉冲信号进行整形，还可以用作脉冲功率装置的主开关对负载进行放电，实现系统的主脉冲输出。从目前脉冲功率领域使用磁开关的典型装置可以看出，磁开关不仅能够有效地提高脉冲功率装置的平均输出功率，而且可以增强系统的运行稳定性，是解决传统气体开关电极烧蚀严重、重频能力受限等不足的重要途径之一。

由于磁脉冲压缩网络中的磁开关不具备升压变换的功能，研究人员采用磁开关与脉冲变压器紧凑集成为可饱和脉冲变压器(Saturable Pulse Transformer,SPT)，其兼具脉冲变压器与磁开关的双重功能。但普通绕组形式的SPT只是作为变压器负载电容放电的极性反转开关，对其磁开关性能(尤其是降低次级饱和电感、陡化脉冲前沿)的要求并不高。为了获得大的升压倍数，普通的SPT次级绕组的匝数将会较多，导致电容器的放电反转周期以及主脉冲的前沿将会显著拉长。因此，普通SPT实现脉冲变压器和磁开关的紧凑化十分有限。

为了改善普通绕组形式的SPT难以兼顾高升压比和低次级饱和电感，国防科技大学研究人员提出分数比可饱和脉冲变压器(Fractional-turn Ratio Saturable PulsedTransformer,FRSPT)，并研制了基于FRSPT与Marx发生器的全固态微秒准方波脉冲发生器，【陈绒.基于可饱和分数比磁芯变压器和Marx技术的微秒准方波脉冲发生器研究[D].硕士学位论文.国防科技大学研究生院,2017.】(下文简称背景技术一)，该脉冲发生器如图1所示，由初级储能模块、脉冲升压模块和脉冲形成模块构成，外接触发控制器与负载(一般为生物细胞、污水或废气处理室等，阻抗通常在几百至几千欧姆)。触发控制器与初级储能模块相连，用于触发初级储能模块中的晶闸管开关，背景技术一中未公开触发控制器的具体结构；初级储能模块与脉冲升压模块相连，外接触发控制器，是脉冲发生器的能量供应模块，初级储能模块从触发控制器接收触发信号后，为脉冲升压模块提供直流充电电压；脉冲升压模块与初级储能模块、脉冲形成模块相连，由FRSPT与Marx发生器级联而成；脉冲升压模块将初级储能模块提供的直流充电电压倍增，向脉冲形成模块输出一个微秒量级的三角波信号；脉冲形成模块与脉冲升压模块相连，外接负载，将脉冲升压模块提供的微秒量级的三角波信号整形成为波形前后沿时间合理、平顶度好的微秒量级的准方波脉冲，并将该准方波信号传递给负载。

如图2所示，初级储能模块由直流稳压电源DC、限流电阻R₀、大功率二极管D₁、D₂、谐振电感L₀、回收电感L_D、原边电容C₀(100μF≤C₀≤500μF)以及晶闸管开关S₁构成；直流稳压电源DC与限流电阻R₀、大功率二极管D₁、谐振电感L₀、原边电容C₀以及脉冲升压模块中FRSPT的初级绕组L_p1、L_p2、…、L_pN串联(N为正整数且N≥2)，其中，直流稳压电源DC与谐振电感L₀、原边电容C₀以及脉冲升压模块中FRSPT的初级绕组L_p1、L_p2、…、L_pN构成主要的充电回路(DC-L-C-L回路)，为原边电容C₀谐振充电；限流电阻R₀与大功率二极管D₁作为保护元件在回路中串联，R₀能够避免过大的电流损坏元器件，D₁用于保证原边电容C₀不会反向放电；晶闸管开关S₁跨接在原边电容C₀高压端与地电位之间，接收触发控制器的控制信号后闭合，控制原边电容C₀向脉冲升压模块的放电过程；回收电感L_D与大功率二极管D₂串联为另一支路，与谐振电感L₀、原边电容C₀以及脉冲升压模块中FRSPT的初级绕组L_p1、L_p2、…、L_pN构成能量回收回路，当C₀向脉冲升压模块完成一次放电后，C₀上的电压反向，通过能量回收回路将绝大部分的能量暂时储存在回收电感L_D中，用于原边电容C₀的下一个放电周期。背景技术一中初级储能模块的重频能力由直流稳压电源DC的充电功率直接决定，这一特性也直接约束了背景技术一所示脉冲发生器的重频运行能力。

如图3所示，脉冲升压模块由FRSPT与m(m为正整数且1≤m≤5)级Marx发生器级联而成。如图4所示，FRSPT由内芯部分1、初级绕组部分2和次级绕组部分3构成；内芯部分1关于中心轴OO'具有轴对称性与旋转对称性，由磁芯和绝缘外壳构成，磁芯部分采用N块相同尺寸的磁环堆叠而成，从上至下依此为第1块、第2块、…、第N块，每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装，封装后的磁环内半径为R_ni，外半径为R_no(40mm<R_ni<R_no)，厚度为h_n(20mm<h_n<30mm)；绝缘外壳为高分子材料，套在磁芯外部起绝缘作用；为保证励磁均匀，FRSPT初级绕组部分2由两组相同的初级子绕组并联构成，这两组初级子绕组关于磁环中心轴OO'具有轴对称性与旋转对称性，每组初级子绕组由第1路初级子绕组、第2路初级子绕组、……、第N路初级子绕组组成，N路初级子绕组匝数均为1匝，在每块FRSPT内芯上单独绕制，N路初级子绕组的输入端全部并联焊接在一起作为总的输入端与初级储能模块的原边电容C₀相连，N路初级子绕组的输出端全部并联焊接在一起作为总的输出端接地，图3中的第1路初级子绕组，第2路初级子绕组，…，第N路初级子绕组均为并联后的初级子绕组；FRSPT的次级绕组3由第1组次级绕组、第2组次级绕组、……、第m组次级绕组构成，且m组次级绕组完全相同，沿圆周方向均匀排布，关于磁环中心轴OO'具有轴对称性，每一组次级绕组均包含j(j一般为2或3)路并联的线绕式次级子绕组，这j路次级子绕组共磁芯，沿圆周方向依次排列，均采用直径为Φ_s的高压线绕制，每一路次级子绕组的绕线匝数均为N_s(N_s为正整数且N_s≤16)匝。每一路次级子绕组包围FRSPT所有N块内芯后绕制N_s匝，次级共完成m×j路次级子绕组的布线；

如图3所示，m级Marx发生器由第1组Marx发生器级电容C₁₁和隔离硅堆D₁₁、第2组Marx发生器级电容C₁₂和隔离硅堆D₁₂、……、第m组Marx发生器级电容C_1m和隔离硅堆D_1m构成，一般而言C₁₁的电容量＝C₁₂的电容量＝…＝C_1m的电容量＝m×C₁'的电容量(C₁'为方便计算引入的中间电容，计算由公式(1)或公式(2)给出)；m组隔离硅堆也一致，一般耐压在几十千伏，通流能力约几千安；第1组级电容C₁₁一端与FRSPT第1组次级绕组输出高压端相连，另一端与第1组隔离硅堆D₁₁正极相连，第1组隔离硅堆D₁₁的负极与FRSPT第1组次级绕组的输出低压端共同接地；第2组级电容C₁₂一端与FRSPT第2组次级绕组输出高压端相连，另一端与第2组隔离硅堆D₁₂正极相连，第2组隔离硅堆D₁₂的负极与FRSPT第2组次级绕组的输出低压端共同连接第1组隔离硅堆D₁₁的正极，……，按照这样的规律，直到第m组级电容C_1m的一端与FRSPT第m组次级绕组的输出高压端相连，另一端与第m组隔离硅堆D_1m正极相连，第m组隔离硅堆D_1m的负极与FRSPT第m组次级绕组的输出低压端共同连接第(m-1)组隔离硅堆D_1(m-1)的正极，第m组隔离硅堆D_1m的正极作为m级Marx发生器的高压输出端，通过高压线与脉冲形成模块相连。

如图5所示，脉冲形成模块由Q(Q为正整数且Q≥1，一般取Q＝1或Q＝2)节整形网络构成，包含Q节串联的LC并联网络。第一节整形网络由整形电容C₁与整形电感L₁并联构成的、第二节整形网络由整形电容C₂与整形电感L₂并联构成、…、第Q节整形网络由整形电容C_Q与整形电感L_Q并联构成，第一节整形网络的一端作为脉冲形成模块的输入端，连接脉冲升压模块中的m级Marx发生器高压输出端，另一端连接第二节整形网络的一端；第二节整形网络的另一端连接第三节整形网络，……，按照这样的规律，直到第(Q-1)节整形网络的一端与第Q节整形网络的一端连接，第Q节整形网络的另一端外接负载。

Q＝1时，脉冲形成模块为单节LC并联网络，结构简单，输出波形电路参数调节方便，其电路参数可由下式计算：

Q＝2时，脉冲形成模块为2节LC并联网络，相较单节LC并联网络，其输出波形前后沿时间更短，但其需要调节的电路参数更多，其电路参数可由下式确定：

其中：C₁'为方便计算脉冲升压模块中的C₁₁,C₁₂,…,C_1m而引入的中间电容，τ为基于FRSPT与Marx发生器的全固态微秒准方波脉冲发生器输出的准方波的脉冲宽度(因应用场合为废气废水或生物细胞处理，一般要求为μs量级)，ρ为脉冲形成模块的特性阻抗，一般要求ρ与负载阻抗相等(由于负载一般为生物细胞、污水或废气处理室等，阻抗通常在几百至几千欧姆)。与单节网络对比，2节网络输出脉冲前后沿时间与平顶质量有明显的改善，但2节网络波形调节更为复杂不便，因此，实际工程应用中，可根据需要对脉冲形成模块的网络节数进行灵活选择。

图6为背景技术一的典型指标，将高压探头置于负载(一般来说，高阻抗的负载对于构建基于背景技术一的全固态微秒准方波脉冲发生器更有优势，背景技术一为测试全固态微秒准方波脉冲发生器的低阻抗输出特性以显示优势，采用了较低的200Ω负载阻抗)的高压端，调节初级储能模块中的直流稳压电源DC为350V，将信号馈入示波器，如图6所示，横轴为时间轴，示波器时基为1μs/div，1.8μs时刻为脉冲升压模块开始向脉冲形成模块的放电时刻，由于设置示波器时间轴延时为5μs，故示波器显示的放电时间为6.8μs；纵轴为电压值，负载上输出的电压幅值约-31.4kV，脉宽1.87μs，输出脉冲前沿约348ns，平顶约1.12μs，根据背景技术一的描述，该全固态微秒准方波脉冲发生器能够在28.5Hz重复频率下长时间稳定运行。

基于应用的牵引，高功率微波(High Power Microwave,HPM)正向长脉冲(几百纳秒)方向发展，因此，作为驱动高功率微波产生器件的高功率脉冲驱动源，需要具有输出几百纳秒脉宽高压脉冲的能力(即输出脉冲脉宽和平顶只有几百纳秒)。

背景技术一所示的全固态微秒准方波脉冲发生器中，若要求输出几百纳秒脉宽高压脉冲，则要求脉冲升压模块中的FRSPT次级绕组的饱和电感小于1μH，如此小的次级饱和电感并不能满足FRSPT高电压变比的要求，因此，使用背景技术一的技术方案很难直接设计脉冲驱动源驱动HPM产生器件应用在HPM系统中。因此，如何解决背景技术一所示脉冲发生器存在的脉宽限制的问题是该基于FRSPT的全固态脉冲功率装置应用于HPM系统中的关键。

针对背景技术一所示全固态微秒准方波脉冲发生器难以应用到HPM系统中的问题，要满足HPM器件对于脉冲驱动源输出几百纳秒脉宽高压脉冲的要求，实现百纳秒长脉冲准方波高压信号输出，需要对该全固态微秒准方波脉冲发生器输出的信号进行进一步压缩，使得全固态准方波脉冲的发生器输出百纳秒脉宽的准方波信号，满足HPM系统的应用需求。(目前还没有公开文献设计对背景技术一所示的全固态微秒准方波脉冲发生器的输出信号进行进一步压缩使之输出百纳秒脉宽信号的技术方案。)

发明内容

本发明要解决的技术问题是解决现有基于FRSPT与Marx发生器的全固态脉冲发生器输出脉宽较长(μs量级)，难以直接作为驱动高功率微波产生器件的高功率脉冲驱动源用在HPM系统中的问题。

本发明提出一种全固态百纳秒方波发生器，基于FRSPT结合磁开关的主开关技术和反谐振网络调制技术实现准方波信号输出，对现有全固态微秒准方波脉冲发生器的输出信号进行进一步压缩整形，使得输出脉宽只有几百纳秒，可以直接作为驱动高功率微波产生器件的高功率脉冲驱动源用在HPM系统。实现以磁开关作为主开关的全固态百纳秒方波发生器的低电压输入(<1kV)和高变比FRSPT。

本发明采用以下技术方案：

一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，由初级储能模块、脉冲升压模块、压缩整形模块、脉冲形成模块以及相应的触发控制器与复位电路组成，脉冲形成模块外接负载。

触发控制器与初级储能模块相连，用于触发初级储能模块中的晶闸管开关；初级储能模块与触发控制器、脉冲升压模块相连，是脉冲发生器的能量供应模块，初级储能模块从触发控制器接收到触发信号后，初级储能模块中的晶闸管开关动作，控制初级储能模块为脉冲升压模块提供直流充电电压；脉冲升压模块与初级储能模块、压缩整形模块相连，对从初级储能模块接收的直流电压信号进行电压倍增，向压缩整形模块输出一个微秒量级的三角波信号；压缩整形模块与脉冲升压模块的高压输出端、脉冲形成模块以及复位电路相连，将从脉冲升压模块接收到的微秒量级的三角波信号进行脉冲压缩，向脉冲形成模块输出一个百纳秒量级的三角波信号，复位电路用于控制压缩整形模块中的磁开关元件的复位过程；脉冲形成模块的第一节整形网络与压缩整形模块相连，外接负载(一般为HPM系统中用于发射电子束的阴极材料，阻抗通常在几十至几百欧姆)，将压缩整形模块提供的百纳秒量级的三角波信号进行整形，形成波形前后沿时间合理、平顶度好的百纳秒量级的准方波脉冲，并将准方波信号传递给负载。

触发控制器是触发初级储能系统中晶闸管开关的外围电路，由光接收模块、2个MOSFET(即金属-氧化物半导体场效应晶体管,Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,MOSFET)驱动器(即第一MOSFET驱动器和第二MOSFET驱动器)、2个功率MOSFET(即第一功率MOSFET和第二功率MOSFET)、1个集成单稳态触发器组成；光接收模块、第一MOSFET驱动器与第一功率MOSFET构成第一路信号传输通道；光接收模块、集成单稳态触发器、第二MOSFET驱动器以及第二功率MOSFET构成第二路信号传输通道。第一路信号传输通道用来触发初级储能系统中的第一晶闸管开关S_w，第二路信号传输通道用来触发初级储能系统中的第二晶闸管开关S₁，两路信号传输通道共用光接收模块；第一路信号传输通道中，光接收模块外接同步信号源(光接收模块与外部同步信号源之间通过光纤连接，以避免电磁干扰的影响；本发明其余各元件的连接为普通电缆连接即可)，与第一MOSFET驱动器相连，接收同步信号源产生的光脉冲信号，光接收模块是一个光-电转换模块，将光脉冲信号转换为5V/10mA量级的弱电流脉冲信号，将弱电流脉冲信号传递给第一MOSFET驱动器；光接收模块一般由低功耗的光接收器和具有电平转换和功率放大功能的场效应晶体管连接而成(由光接收器出来的信号电流小，且驱动能力弱，不能直接驱动MOSFET驱动器，因此需要场效应晶体管进行电平转换和功率放大)；第一MOSFET驱动器与光接收模块和第一功率MOSFET相连，将从光接收模块接收到的弱电流脉冲信号放大为大电流脉冲(12V/2A量级)信号，并将大电流脉冲信号发送至第一功率MOSFET；第一功率MOSFET与第一MOSFET驱动器和初级储能模块中的第一晶闸管开关S_w相连，其输出端作为触发控制器的第一路信号输出端，将从第一MOSFET驱动器接收到的大电流脉冲信号转换为12V/10A量级的更高强度的电流脉冲信号，并将更高强度的电流脉冲信号发送给初级储能模块中的第一晶闸管开关S_w，用于触发第一晶闸管开关S_w。第二路信号传输通道中的集成单稳态触发器与光接收模块、第二MOSFET驱动器相连，是一个具有延时功能的元件，它将从光接收模块接收到的5V/10mA量级的弱电流脉冲信号进行延时，输出相对第一路信号传输通道具有时延为t(50μs≤t≤35ms)的弱电流脉冲信号(5V/10mA量级)；第二MOSFET驱动器与集成单稳态触发器和第二功率MOSFET相连，将从集成单稳态触发器接收到的具有时延t的弱电流脉冲信号转换为具有时延t的大电流脉冲(12V/2A量级)信号并将具有时延t的大电流脉冲信号发送至第二功率MOSFET；第二功率MOSFET与第二MOSFET驱动器和初级储能模块中的第二晶闸管开关S₁相连，其输出端作为触发控制器的第二路信号输出端，将从第二MOSFET驱动器接收的具有时延t的大电流脉冲(12V/2A量级)信号转换为12V/10A量级的更高强度的电流脉冲信号，将更高强度的电流脉冲信号发送给初级储能模块中的第二晶闸管开关S₁，用于触发第二晶闸管开关S₁。一般来说，为了防止晶闸管门级上的高电压(kV量级)信号通过触发控制器的信号输出端进入触发控制器，在第一功率MOSFET的输出端与第一晶闸管开关S_w、第二功率MOSFET的输出端与第二晶闸管开关S₁之间通过隔离变压器进行电绝缘隔离。第一晶闸管开关S_w与第二晶闸管开关S₁一般选择快速晶闸管，电压等级要求大于1000V、电流容量大于等于1000A。

初级储能模块由直流稳压电源DC、能量补充电容C_f(C_f的电容量≥10·C₀的电容量)、谐振电感L₀、原边电容C₀、第一晶闸管开关S_w、第二晶闸管开关S₁，大功率二极管D₂和回收电感L_D构成；直流稳压电源DC与能量补充电容C_f相连，构成能量补充电容C_f的充电回路，为能量补充电容C_f提供稳定持续的直流电压；第一晶闸管开关S_w、谐振电感L₀、原边电容C₀以及脉冲升压模块中FRSPT的初级绕组L_p1、L_p2、…、L_pN与能量补充电容C_f串联，构成主要的充电回路(C-L-C回路)，第一晶闸管开关S_w接收触发控制器的第一路信号传输通道的控制信号后闭合，控制能量补充电容C_f向原边电容C₀放电，为原边电容C₀提供能量；第二晶闸管开关S₁跨接在原边电容C₀高压端与地电位之间，在晶闸管开关S_w之后(时延为t)接收触发控制器的第二路信号传输通道的控制信号，控制原边电容C₀向脉冲升压模块放电；回收电感L_D与大功率二极管D₂串联为另一支路，与谐振电感L₀、原边电容C₀以及脉冲升压模块中FRSPT的初级绕组L_p1、L_p2、…、L_pN构成能量回收回路，当C₀向脉冲升压模块完成一次放电后，C₀上的电压反向，通过能量回收回路将绝大部分的能量暂时储存在回收电感L_D中，用于原边电容C₀的下一个放电周期。

与背景技术一相比，本发明中的初级储能模块采用大电容(C_f)向小电容(C₀)充电的方式，弥补了背景技术一中直流稳压电源DC直接向原边电容C₀充电时功率的不足，使得原边电容C₀上的电压能够在一个充放电周期内得到快速的补充，提高了本发明全固态百纳秒方波脉冲发生器初级能源部分的重频能力。

脉冲升压模块由FRSPT与m'(为了获得更大的升压倍数，一般m'≥m)级Marx发生器级联而成；FRSPT的内芯部分和初级绕组部分与背景技术一中完全一致，次级绕组的连接方式与背景技术一中的连接方式一致，其次级绕组为N_s'(为了获得FRSPT更大的升压比，一般N_s'≥N_s)匝；m'级Marx发生器的连接方式与背景技术一中的连接方式完全相同，m'组隔离硅堆的要求也与背景技术一中完全一致，各级电容C₁₁的电容量＝C₁₂的电容量＝…＝C_1m'的电容量且满足C₁₁的电容量≤C₀的电容量/m'NN_s'。

压缩整形模块由主电容C(C的电容量＝C₁'的电容量，C₁'为前文所述的中间电容)、隔离电感L_i以及主开关MS构成。隔离电感L_i一端与脉冲升压模块相连，另一端与主电容C相连，用于避免主电容C放电时向脉冲升压模块反向放电；主电容C一端接地，另一端与隔离电感L_i以及主开关MS的主绕组输入端相连，当主开关MS饱和后，主电容C通过主开关MS向脉冲形成模块放电；主开关MS与复位电路、脉冲形成模块以及主电容C相连，为磁开关，由内芯部分、主绕组以及复位绕组构成；内芯部分关于中心轴具有轴对称性与旋转对称性，由磁芯和绝缘外壳构成，磁芯部分采用M(M为正整数且M≥2)块相同尺寸的磁环堆叠而成，每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装，封装后的磁环内半径为R_mi，外半径为R_mo(40mm<R_mi<R_mo)，厚度为h_m(20mm<h_m<30mm)；绝缘外壳为高分子材料，套在磁芯外部起绝缘作用；主绕组沿圆周方向均匀排布，共N_M(5≤N_M≤30)匝线绕式绕组，包围所有M块磁环后绕制N_M匝，完成主绕组的绕线排布；复位绕组独立于主绕组，且为N_R(N_R<N_M)匝密绕，包围所有M块磁环后绕制N_R匝，完成复位绕组的绕线排布，复位绕组两端连接外部复位电路，主绕组的输入端与主电容C相连，输出端与脉冲形成模块相连，当脉冲升压模块通过隔离电感L_i向主电容C充电时，主开关MS表现为大电感，呈高阻状态，可近似视为开路，不属于充电回路；当主电容C高压端的电压使主开关MS的磁芯饱和时，主开关MS表现为小电感，呈低阻状态，可近似视为短路，完成开关闭合的功能，主电容C通过主开关MS向脉冲形成模块放电，并完成脉冲压缩；复位电路为输出为I(I≤15A)的直流电源，由于复位电流的方向与主电容C放电时流过主开关MS的电流方向相反，复位电路可完成主开关MS饱和后的复位过程。

脉冲形成模块与背景技术一中的脉冲形成模块结构和连接方式完全一致，由于背景技术一的应用场合为废气废水或生物细胞处理，负载一般为生物细胞、污水或废弃处理室等，一般要求τ为μs量级，ρ在几百至几千欧姆；而本发明主要作为脉冲驱动源用在HPM系统中，负载一般为HPM系统中用于发射电子束的阴极材料，通常要求τ为百ns量级，ρ在几十至几百欧姆。因此本发明脉冲形成模块中公式(1)与公式(2)中各电参数(主要指τ和ρ)的选取与背景技术一在数量级上不同，因此根据公式(1)与公式(2)，C₁'的电容量、C₁的电容量、C₂的电容量、L₁的电感量、L₂的电感量与背景技术一的都不同。

本发明的工作过程如下：

第一步，装置接通电源，压缩整形模块中的复位电路持续向主开关MS发送持续稳定的直流信号I；

第二步，初级储能模块向脉冲升压模块提供直流充电电压；

2.1初级储能模块中的直流稳压电源DC向能量补充电容C_f提供稳定持续的直流电压；

2.2触发控制器中的第一路信号传输通道向初级储能模块中的第一晶闸管开关S_w发送触发信号，第一晶闸管开关S_w闭合；

2.3初级储能模块中的能量补充电容C_f通过谐振电感L₀与脉冲升压模块中FRSPT的初级绕组L_p1、L_p2、…、L_pN向原边电容C₀放电；

2.4触发控制器中的第二路信号传输通道向初级储能模块中的第二晶闸管开关S₁发送触发信号(相对第一路信号传输通道的信号时延为t)，第二晶闸管开关S₁闭合；

2.5原边电容C₀开始向脉冲升压模块放电；

2.6原边电容C₀完成一个周期的放电，电压反向，通过能量回收回路将绝大部分的能量暂时储存在回收电感L_D中，等待下一个放电周期。

第三步，脉冲升压模块向压缩整形模块输出一个μs量级的三角波信号；

3.1初级储能模块中原边电容C₀的放电信号通过FRSPT初次级绕组耦合升压，为Marx发生器各级电容C₁₁、C₁₂、…、C_1m'充电；

3.2FRSPT磁芯饱和，Marx发生器各级电容C₁₁、C₁₂、…、C_1m'通过各级高压硅堆D₁₁、D₁₂、…、D_1m'与FRSPT次级绕组串联向压缩整形模块放电，输出一个μs量级的三角波信号。

第四步，压缩整形模块完成信号压缩，向脉冲形成模块输出一个百ns量级的三角波信号；

4.1脉冲升压模块通过隔离电感L_i为主电容C充电，此时主开关MS主绕组的高压端同样承受相同的充电电压，充电过程中，主开关MS表现为大电感，呈高阻状态，可近似视为开路，不属于充电回路；

4.2当主开关MS主绕组高压端的电压使主开关MS的磁芯饱和时，主开关MS表现为小电感，呈低阻状态，可近似视为短路，完成开关闭合的功能，主开关MS磁芯在非饱和态和饱和态之间切换的过程完成了信号的压缩，并实现控制主电容C通过主开关MS向脉冲形成模块迅速放电的主开关功能，向脉冲形成模块输出一个百ns量级的三角波信号，这一过程中流过主开关MS的电流为脉冲大电流信号(一般约几kA-几十kA，远大于复位电流I，因此主开关MS在由非饱和态向饱和态快速切换时复位电流I的影响可忽略)；

4.3复位电路输出的直流电流I完成主开关磁芯的复位过程。

第五步，脉冲形成模块向负载输出一个百ns量级的准方波信号；

5.1调制电容C₁、C₂、…、C_Q与调制电感L₁、L₂、…、L_Q将从压缩整形模块接收的百ns量级的三角波信号调制为波形前后沿时间合理、平顶度好的百纳秒量级的准方波脉冲，并传递给负载。

与现有技术相比，本发明可以达到以下技术效果：

1、本发明中压缩整形模块采用磁开关MS作为主开关控制主电容C的放电过程，通过主开关MS磁芯在非饱和态和饱和态之间切换的过程，对背景技术一中的输出信号进行有效的压缩，适应HPM系统的应用需求；

2、本发明中脉冲升压模块中FRSPT次级绕组匝数N_s'与背景技术一中相比N_s'≥N_s，Marx发生器级数m'与背景技术一中相比m'≥m，能够提高本发明脉冲升压模块的电压升压比，获得更高的输出电压；

3、本发明中初级储能模块采用大电容(C_f)向小电容(C₀)充电的方式，弥补了背景技术一中直流稳压电源直接向原边电容C₀充电时功率的不足，提高了本发明全固态百纳秒方波脉冲发生器初级能源部分的重频能力，使得各输出脉冲信号之间的时间间隔缩短，一定时间内输出的脉冲个数增加，有利于提高HPM系统的效率；

4、本发明中触发控制器加入了第二路信号传输通道，使得本发明中的触发控制器能够输出两路带延时的触发信号，可同时驱动两路晶闸管开关，避免使用两个触发控制器增加控制的复杂性和难度。

附图说明

图1为背景技术一中【陈绒.基于可饱和分数比磁芯变压器和Marx技术的微秒准方波脉冲发生器研究[D].硕士学位论文.国防科技大学研究生院,2017.】中研制的基于分数比可饱和脉冲变压器和Marx技术的微秒准方波脉冲发生器的总体逻辑结构图；

图2为图1中的初级储能模块的电路结构图；

图3为图1中的脉冲升压模块的逻辑结构图；

图4为图3中的FRSPT的三维结构图；

图5为图1中的脉冲形成模块的电路结构图；

图6为背景技术一的典型输出波形图；

图7为本发明总体逻辑结构图；

图8为图7中触发控制器的逻辑结构图；

图9为图7中初级储能模块的电路结构图；

图10为图7中压缩整形模块的电路结构图；

图11为本发明一种实施例的典型实验输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图7为本发明总体逻辑结构图。本发明由初级储能模块、脉冲升压模块、压缩整形模块、脉冲形成模块以及相应的触发控制器与复位电路组成，脉冲形成模块外接负载。触发控制器与初级储能模块相连，用于触发初级储能模块中的晶闸管开关；初级储能模块与触发控制器、脉冲升压模块相连，是脉冲发生器的能量供应模块，初级储能模块从触发控制器接收到触发信号后，初级储能模块中的晶闸管开关动作，控制初级储能模块向脉冲升压模块提供直流充电电压；脉冲升压模块与初级储能模块、压缩整形模块相连，对从初级储能模块接收的直流电压信号进行电压倍增，向压缩整形模块输出一个微秒量级的三角波信号；压缩整形模块与脉冲升压模块、脉冲形成模块以及复位电路相连，将从脉冲升压模块接收到的微秒量级的三角波信号进行脉冲压缩，向脉冲形成模块输出一个百纳秒量级的三角波信号，复位电路用于控制压缩整形模块中的磁开关元件的复位过程；脉冲形成模块与压缩整形模块相连，外接负载(一般为HPM系统中用于发射电子束的阴极材料，阻抗通常在几十至几百欧姆)，将压缩整形模块提供的百纳秒量级的三角波信号进行整形，形成波形前后沿时间合理、平顶度好的百纳秒量级的准方波脉冲，并将准方波信号传递给负载。

图8为图7中触发控制器的逻辑结构图。触发控制器由光接收模块、2个MOSFET驱动器(即第一MOSFET驱动器和第二MOSFET驱动器)、2个功率MOSFET(即第一功率MOSFET和第二功率MOSFET)、1个集成单稳态触发器组成；光接收模块、第一MOSFET驱动器与第一功率MOSFET构成第一路信号传输通道；光接收模块、集成单稳态触发器、第二MOSFET驱动器以及第二功率MOSFET构成第二路信号传输通道。第一路信号传输通道用来触发初级储能系统中的第一晶闸管开关S_w，第二路信号传输通道用来触发初级储能系统中的第二晶闸管开关S₁，两路信号传输通道共用光接收模块；第一路信号传输通道中，光接收模块外接同步信号源(光接收模块与外部同步信号源之间通过光纤连接，以避免电磁干扰的影响)，与第一MOSFET驱动器相连，接收同步信号源产生的光脉冲信号，光接收模块是一个光-电转换模块，将光脉冲信号转换为5V/10mA量级的弱电流脉冲信号，将弱电流脉冲信号传递给第一MOSFET驱动器；光接收模块一般由低功耗的光接收器和具有电平转换和功率放大功能的场效应晶体管连接而成(由光接收器出来的信号电流小，且驱动能力弱，不能直接驱动MOSFET驱动器，因此需要场效应晶体管进行电平转换和功率放大)；第一MOSFET驱动器与光接收模块和第一功率MOSFET相连，将从光接收模块接收到的弱电流脉冲信号放大为大电流脉冲(12V/2A量级)信号，并将大电流脉冲信号发送至第一功率MOSFET；第一功率MOSFET与第一MOSFET驱动器和初级储能模块中的第一晶闸管开关S_w相连，其输出端作为触发控制器的第一路信号输出端，将从第一MOSFET驱动器接收到的大电流脉冲信号转换为12V/10A量级的更高强度的电流脉冲信号，并将更高强度的电流脉冲信号发送给初级储能模块中的第一晶闸管开关S_w，用于触发第一晶闸管开关S_w。第二路信号传输通道中的集成单稳态触发器与光接收模块、第二MOSFET驱动器相连，是一个具有延时功能的元件，它将从光接收模块接收到的5V/10mA量级的弱电流脉冲信号进行延时，输出相对第一路信号传输通道具有时延为t(50μs≤t≤35ms)的弱电流脉冲信号(5V/10mA量级)；第二MOSFET驱动器与集成单稳态触发器和第二功率MOSFET相连，将从集成单稳态触发器接收到的具有时延t的弱电流脉冲信号转换为具有时延t的大电流脉冲(12V/2A量级)信号并将具有时延t的大电流脉冲信号发送至第二功率MOSFET；第二功率MOSFET与第二MOSFET驱动器和初级储能模块中的第二晶闸管开关S₁相连，其输出端作为触发控制器的第二路信号输出端，将从第二MOSFET驱动器接收的具有时延t的大电流脉冲(12V/2A量级)信号转换为12V/10A量级的更高强度的电流脉冲信号，将更高强度的电流脉冲信号发送给初级储能模块中的第二晶闸管开关S₁，用于触发第二晶闸管开关S₁。一般来说，为了防止晶闸管门级上的高电压(kV量级)信号通过触发控制器的信号输出端进入触发控制器，在第一功率MOSFET的输出端与第一晶闸管开关S_w、第二功率MOSFET的输出端与第二晶闸管开关S₁之间通过隔离变压器进行电绝缘隔离。第一晶闸管开关S_w与第二晶闸管开关S₁一般选择快速晶闸管，电压等级要求大于1000V、电流容量大于等于1000A。

图9为图7中初级储能模块的电路结构图。初级储能模块由直流稳压电源DC、能量补充电容C_f(C_f的电容量≥10·C₀的电容量)、谐振电感L₀、原边电容C₀、第一晶闸管开关S_w、第二晶闸管开关S₁第一晶闸管开关S_w与第二晶闸管开关S₁一般选择快速晶闸管，电压等级要求大于1000V、电流容量大于等于1000A。大功率二极管D₂和回收电感L_D构成；直流稳压电源DC与能量补充电容C_f相连，构成能量补充电容C_f的充电回路，为能量补充电容C_f提供稳定持续的直流电压；第一晶闸管开关S_w、谐振电感L₀、原边电容C₀以及脉冲升压模块中FRSPT的初级绕组L_p1、L_p2、…、L_pN与能量补充电容C_f串联，构成主要的充电回路(C-L-C回路)，第一晶闸管开关S_w接收触发控制器的第一路信号传输通道的控制信号后闭合，控制能量补充电容C_f向原边电容C₀放电，为原边电容C₀提供能量；第二晶闸管开关S₁跨接在原边电容C₀高压端与地电位之间，在晶闸管开关S_w之后(时延为t)接收触发控制器的第二路信号传输通道的控制信号，控制原边电容C₀向脉冲升压模块放电；回收电感L_D与大功率二极管D₂串联为另一支路，与谐振电感L₀、原边电容C₀以及脉冲升压模块中FRSPT的初级绕组L_p1、L_p2、…、L_pN构成能量回收回路，当C₀向脉冲升压模块完成一次放电后，C₀上的电压反向，通过能量回收回路将绝大部分的能量暂时储存在回收电感L_D中，用于原边电容C₀的下一个放电周期。

脉冲升压模块由FRSPT与m'(m'为正整数，且m'≥4)级Marx发生器级联而成；FRSPT由内芯部分1、初级绕组部分2和次级绕组部分3构成；内芯部分1关于中心轴OO'具有轴对称性与旋转对称性，由磁芯和绝缘外壳构成，磁芯部分采用N块相同尺寸的磁环堆叠而成，从上至下依此为第1块、第2块、…、第N块，每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装，封装后的磁环内半径为R_ni，外半径为R_no(40mm<R_ni<R_no)，厚度为h_n(20mm<h_n<30mm)；绝缘外壳为高分子材料，套在磁芯外部起绝缘作用；FRSPT初级绕组部分2由两组相同的初级子绕组并联构成，这两组初级子绕组关于磁环中心轴OO'具有轴对称性与旋转对称性，每组初级子绕组由第1路初级子绕组、第2路初级子绕组、……、第N路初级子绕组组成，N路初级子绕组匝数均为1匝，在每块FRSPT内芯上单独绕制，N路初级子绕组的输入端全部并联焊接在一起作为总的输入端与初级储能模块的原边电容C₀相连，N路初级子绕组的输出端全部并联焊接在一起作为总的输出端接地；FRSPT的次级绕组3由第1组次级绕组、第2组次级绕组、……、第m'组次级绕组构成，且m'组次级绕组完全相同，沿圆周方向均匀排布，关于磁环中心轴OO'具有轴对称性，每一组次级绕组均包含j(j一般为2或3)路并联的线绕式次级子绕组，这j路次级子绕组共磁芯，沿圆周方向依次排列，均采用直径为Φ_s的高压线绕制，每一路次级子绕组的绕线匝数均为N_s'(N_s'为正整数且N_s'≥10)匝。每一路次级子绕组包围FRSPT所有N块内芯后绕制N_s'匝，次级共完成m'×j路次级子绕组的布线；

m'级Marx发生器由第1组Marx发生器级电容C₁₁和隔离硅堆D₁₁、第2组Marx发生器级电容C₁₂和隔离硅堆D₁₂、……、第m'组Marx发生器级电容C_1m'和隔离硅堆D_1m'构成；m'组隔离硅堆一致，耐压在几十千伏，通流能力几千安；第1组级电容C₁₁一端与FRSPT第1组次级绕组输出高压端相连，另一端与第1组隔离硅堆D₁₁正极相连，第1组隔离硅堆D₁₁的负极与FRSPT第1组次级绕组的输出低压端共同接地；第2组级电容C₁₂一端与FRSPT第2组次级绕组输出高压端相连，另一端与第2组隔离硅堆D₁₂正极相连，第2组隔离硅堆D₁₂的负极与FRSPT第2组次级绕组的输出低压端共同连接第1组隔离硅堆D₁₁的正极，……，按照这样的规律，直到第m'组级电容C_1m'的一端与FRSPT第m'组次级绕组的输出高压端相连，另一端与第m'组隔离硅堆D_1m'正极相连，第m'组隔离硅堆D_1m'的负极与FRSPT第m'组次级绕组的输出低压端共同连接第(m'-1)组隔离硅堆D_1(m'-1)的正极，第m'组隔离硅堆D_1m'的正极作为m'级Marx发生器的高压输出端通过高压线与压缩整形模块相连；C₁₁的电容量＝C₁₂的电容量＝…＝C_1m'的电容量且满足m'NN_s'C₁₁的电容量≤C₀的电容量；

图10为图7中压缩整形模块的电路结构图。压缩整形模块由主电容C、隔离电感L_i以及主开关MS构成。隔离电感L_i一端与脉冲升压模块相连，另一端与主电容C相连，用于避免主电容C放电时向脉冲升压模块反向放电；主电容C一端接地，另一端与隔离电感L_i以及主开关MS主绕组的输入端相连，当主开关MS饱和后，主电容C通过主开关MS向脉冲形成模块放电；主开关MS与复位电路、脉冲形成模块以及主电容C相连，为磁开关，由内芯部分、主绕组以及复位绕组构成；内芯部分关于中心轴具有轴对称性与旋转对称性，由磁芯和绝缘外壳构成，磁芯部分采用M(M为正整数且M≥2)块相同尺寸的磁环堆叠而成，每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装，封装后的磁环内半径为R_mi，外半径为R_mo(40mm<R_mi<R_mo)，厚度为h_m(20mm<h_m<30mm)；绝缘外壳为高分子材料，套在磁芯外部起绝缘作用；主绕组沿圆周方向均匀排布，共N_M(5≤N_M≤30)匝线绕式绕组，包围所有M块磁环后绕制N_M匝，完成主绕组的绕线排布；复位绕组独立于主绕组，且为N_R(N_R<N_M)匝密绕，包围所有M块磁环后绕制N_R匝，完成复位绕组的绕线排布，复位绕组两端连接外部复位电路，主绕组的输入端与主电容C相连，输出端与脉冲形成模块相连，当脉冲升压模块通过隔离电感L_i向主电容C充电时，主开关MS表现为大电感，呈高阻状态，可近似视为开路，不属于充电回路；当主电容C高压端的电压使主开关MS的磁芯饱和时，主开关MS表现为小电感，呈低阻状态，可近似视为短路，完成开关闭合的功能，主电容C通过主开关MS向脉冲形成模块放电，并完成脉冲压缩；复位电路为输出为I(I≤15A)的直流电源，且复位电流流过主开关MS的方向与主电容C放电时流过主开关MS的电流方向相反，完成主开关MS饱和后的复位过程。

基于本发明设计了一个200ns全固态百纳秒高压方波脉冲发生器(命名为实施例1)，触发控制器的光接收模块采用低功耗的光接收器HFBR2412芯片与具有电平转换和功率放大功能的场效应晶体管2SK2742芯片连接而成，，两个MOSFET驱动器采用两个TC4424芯片，集成单稳态触发器采用CD4098芯片，两个功率MOSFET采用两个IRF740芯片，向初级储能模块中的晶闸管开关S_w与S₁发送触发信号(时延t为1ms)；第一功率MOSFET的输出端与第一晶闸管开关S_w之间连接有一个隔离变压器、第二功率MOSFET的输出端与第二晶闸管开关S₁之间也连接有一个隔离变压器，隔离变压器为变比为1：1的磁芯变压器。

初级储能模块采用直流电源DC向能量补充电容C_f充电，再采用大电容(C_f)向小电容(C₀)充电的方式向原边电容C₀充电。其中直流电源DC采用两个开关电源串联，能实现0-500V直流电压连续可调，能量补充电容C_f的电容量为3.4mF，L₀与L_D均为线绕式电感，且L₀的电感量＝L_D的电感量＝103μH，原边电容C₀的电容量为200μF，第一晶闸管S_w与第二晶闸管开关S₁均采用电压等级1400V、电流容量1000A的快速晶闸管。

脉冲升压模块中FRSPT由5个磁芯绕制(即N＝5)，级联4级Marx发生器(即m'＝4)，单块磁环的本体尺寸为Φ233×Φ107×25(即R_ni＝53.5mm,R_no＝116.5mm,h_n＝25mm，Φ233表示磁环的外直径为233，Φ107表示磁环的内直径为107,25表示磁环的高为25，单位：mm,下同)，由高分子绝缘外壳封装。为保证励磁均匀，FRSPT初级绕组有2组，每组初级子绕组由5路单匝初级子绕组构成，采用直径Φ3的高压线绕制，在每块磁环上单独绕制，最后将2组共10个输入端并联作为总的输入端与原边电容C₀相连，将10个输出端并联作为总的输出端接地；次级绕组由4组完全相同的次级绕组构成，每一组次级绕组均包含2路并联的线绕式次级子绕组(即j＝2)，这2路次级子绕组共磁芯，沿圆周方向依次排列，也采用直径为Φ3的高压线绕制，每一路次级子绕组的绕线匝数均为10匝(即N_s'＝10)，包围所有5个磁环；4级Marx发生器由4个完全相同的Marx级电容(C₁₁的电容量＝C₁₂的电容量＝C₁₃的电容量＝C₁₄的电容量＝6nF，耐压为60kV)和四个50kV/1kA的圆柱形高压硅堆(即D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄)构成；

压缩整形模块中，主电容C的电容量＝C'的电容量＝840pF；磁开关内芯部分由3块相同的铁基非晶态磁芯及其绝缘外壳构成(即M＝3)，单块磁环的本体尺寸为Φ200×Φ90×25(即R_mi＝45mm,R_mo＝100mm,h_m＝25mm)，使用圆环形聚丙烯材料的绝缘套筒封装，磁开关主绕组沿圆周方向均匀排布，共绕制26匝(即N_M＝26)，其输入端与主电容C相连，输出端与脉冲形成模块相连；复位绕组采用高压线密绕，共绕制3匝(即N_R＝3)，其两端连接复位电路。

脉冲形成模块中，采用单节整形网络(即Q＝1)，由于设计输出阻抗为ρ为100Ω，输出脉冲宽度τ为200ns，故通过计算得到，调制电容C₁的电容量＝630pF，调制电感L₁的电感量＝630μH；

为了验证此实施例的特性，根据设计进行了实验验证，图11为实施例1的典型输出指标，将高压探头置于负载(100Ω)的高压端，调节初级储能模块中的直流电源DC为100V，将信号馈入示波器，如图11所示，横轴为时间轴，示波器时基为100ns/div，0时刻为压缩整形模块向脉冲形成模块的放电时刻，由于设置示波器时间轴延时为-150ns，故示波器显示的放电时间为-150ns；，纵轴为电压值，由图11，负载上输出的电压幅值约-14.4kV，脉宽194ns，输出脉冲前沿约110ns，平顶约84.8ns。可见，脉冲发生器脉冲形成效果良好，主开关MS能够基本实现压缩脉宽与控制主电容C放电的功能，针对背景技术一的输出波形进行进一步压缩整形的目的基本完成，该脉冲发生器具有作为驱动高功率微波源的高功率脉冲驱动源应用在HPM系统中的潜力。

以上所述仅为本发明的一种实施例而已，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 (13)

1.一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，包括初级储能模块、脉冲升压模块、脉冲形成模块以及相应的触发控制器，脉冲形成模块外接负载；触发控制器与初级储能模块相连，用于触发初级储能模块中的晶闸管开关；初级储能模块与触发控制器、脉冲升压模块相连，是脉冲发生器的能量供应模块，初级储能模块从触发控制器接收到触发信号后，初级储能模块中的晶闸管开关动作，控制初级储能模块向脉冲升压模块提供直流充电电压；

所述脉冲升压模块由FRSPT与m'级Marx发生器级联而成；FRSPT由内芯部分(1)、初级绕组部分(2)和次级绕组部分(3)构成；内芯部分(1)关于中心轴OO'具有轴对称性与旋转对称性，由磁芯和绝缘外壳构成，磁芯部分采用N块相同尺寸的磁环堆叠而成，从上至下依此为第1块、第2块、…、第N块，每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装，封装后的磁环内半径为R_ni，外半径为R_no，40mm<R_ni<R_no，厚度为h_n，20mm<h_n<30mm；绝缘外壳为高分子材料，套在磁芯外部起绝缘作用；FRSPT初级绕组部分(2)由两组相同的初级子绕组并联构成，这两组初级子绕组关于磁环中心轴OO'具有轴对称性与旋转对称性，每组初级子绕组由第1路初级子绕组、第2路初级子绕组、……、第N路初级子绕组组成，N路初级子绕组匝数均为1匝，在每块FRSPT内芯上单独绕制，N路初级子绕组的输入端全部并联焊接在一起作为总的输入端与初级储能模块的原边电容C₀相连，N路初级子绕组的输出端全部并联焊接在一起作为总的输出端接地；FRSPT的次级绕组部分(3)由第1组次级绕组、第2组次级绕组、……、第m'组次级绕组构成，且m'组次级绕组完全相同，沿圆周方向均匀排布，关于磁环中心轴OO'具有轴对称性，每一组次级绕组均包含j路并联的线绕式次级子绕组，这j路次级子绕组共磁芯，沿圆周方向依次排列，均采用直径为Φ_s的高压线绕制，每一路次级子绕组包围FRSPT所有N块内芯后绕制N_s'匝，次级共完成m×j路次级子绕组的布线；m'为正整数，N_s'为正整数；

m'级Marx发生器由第1组Marx发生器级电容C₁₁和隔离硅堆D₁₁、第2组Marx发生器级电容C₁₂和隔离硅堆D₁₂、……、第m'组Marx发生器级电容C_1m'和隔离硅堆D_1m'构成；m'组隔离硅堆一致，耐压在几十千伏，通流能力几千安；第1组级电容C₁₁一端与FRSPT第1组次级绕组输出高压端相连，另一端与第1组隔离硅堆D₁₁正极相连，第1组隔离硅堆D₁₁的负极与FRSPT第1组次级绕组的输出低压端共同接地；第2组级电容C₁₂一端与FRSPT第2组次级绕组输出高压端相连，另一端与第2组隔离硅堆D₁₂正极相连，第2组隔离硅堆D₁₂的负极与FRSPT第2组次级绕组的输出低压端共同连接第1组隔离硅堆D₁₁的正极，……，按照这样的规律，直到第m'组级电容C_1m'的一端与FRSPT第m'组次级绕组的输出高压端相连，另一端与第m'组隔离硅堆D_1m'正极相连，第m'组隔离硅堆D_1m'的负极与FRSPT第m'组次级绕组的输出低压端共同连接第(m'-1)组隔离硅堆D_1(m'-1)的正极，第m'组隔离硅堆D_1m'的正极作为m'级Marx发生器的高压输出端；C₁₁的电容量＝C₁₂的电容量＝…＝C_1m'的电容量；

所述脉冲形成模块由Q节整形网络构成，包含Q节串联的LC并联网络；第一节整形网络由整形电容C₁与整形电感L₁并联构成的、第二节整形网络由整形电容C₂与整形电感L₂并联构成、…、第Q节整形网络由整形电容C_Q与整形电感L_Q并联构成，第一节整形网络的一端作为脉冲形成模块的输入端，另一端连接第二节整形网络的一端；第二节整形网络的另一端连接第三节整形网络，……，按照这样的规律，直到第Q-1节整形网络的一端与第Q节整形网络的一端连接，第Q节整形网络的另一端外接负载；Q为正整数且Q＝1或Q＝2；

Q＝1时，脉冲形成模块为单节LC并联网络，输出波形电路参数由下式计算：

Q＝2时，脉冲形成模块为2节LC并联网络，相较单节LC并联网络，其输出波形前后沿时间更短，其电路参数由下式确定：

其中：C₁'为方便计算而引入的中间电容，τ为基于FRSPT与Marx发生器的全固态微秒准方波脉冲发生器输出的准方波的脉冲宽度，ρ为脉冲形成模块的特性阻抗，ρ与负载阻抗相等；

其特征在于全固态百纳秒方波脉冲发生器还包括压缩整形模块、复位电路；脉冲升压模块与初级储能模块、压缩整形模块相连，对从初级储能模块接收的直流电压信号进行电压倍增，向压缩整形模块输出一个微秒量级的三角波信号；压缩整形模块与脉冲升压模块的高压输出端、脉冲形成模块以及复位电路相连，将从脉冲升压模块接收到的微秒量级的三角波信号进行脉冲压缩，向脉冲形成模块输出一个百纳秒量级的三角波信号，复位电路用于控制压缩整形模块中的磁开关元件的复位过程；脉冲形成模块的第一节整形网络与压缩整形模块相连，脉冲形成模块将压缩整形模块提供的百纳秒量级的三角波信号进行整形，形成波形前后沿时间合理、平顶度好的百纳秒量级的准方波脉冲，并将准方波信号传递给负载；

所述触发控制器是触发初级储能系统中晶闸管开关的外围电路，由光接收模块、第一MOSFET驱动器、第二MOSFET驱动器、第一功率MOSFET、第二功率MOSFET、1个集成单稳态触发器组成；光接收模块、第一MOSFET驱动器与第一功率MOSFET构成第一路信号传输通道；光接收模块、集成单稳态触发器、第二MOSFET驱动器以及第二功率MOSFET构成第二路信号传输通道；第一路信号传输通道用来触发初级储能系统中的第一晶闸管开关S_w，第二路信号传输通道用来触发初级储能系统中的第二晶闸管开关S₁，两路信号传输通道共用光接收模块；第一路信号传输通道中，光接收模块外接同步信号源，与第一MOSFET驱动器相连，接收同步信号源产生的光脉冲信号，光接收模块是一个光-电转换模块，将光脉冲信号转换为弱电流脉冲信号，将弱电流脉冲信号传递给第一MOSFET驱动器；第一MOSFET驱动器与光接收模块和第一功率MOSFET相连，将从光接收模块接收到的弱电流脉冲信号放大为大电流脉冲信号，并将大电流脉冲信号发送至第一功率MOSFET；第一功率MOSFET与第一MOSFET驱动器和初级储能模块中的第一晶闸管开关S_w相连，将从第一MOSFET驱动器接收到的大电流脉冲信号转换为更高强度的电流脉冲信号，并将更高强度的电流脉冲信号发送给初级储能模块中的第一晶闸管开关S_w，用于触发第一晶闸管开关S_w；第二路信号传输通道中的集成单稳态触发器与光接收模块、第二MOSFET驱动器相连，是一个具有延时功能的元件，它将从光接收模块接收到的弱电流脉冲信号进行延时，输出相对第一路信号传输通道具有时延为t的弱电流脉冲信号；第二MOSFET驱动器与集成单稳态触发器和第二功率MOSFET相连，将从集成单稳态触发器接收到的具有时延t的弱电流脉冲信号转换为具有时延t的大电流脉冲信号并将具有时延t的大电流脉冲信号发送至第二功率MOSFET；第二功率MOSFET与第二MOSFET驱动器和初级储能模块中的第二晶闸管开关S₁相连，将从第二MOSFET驱动器接收的具有时延t的大电流脉冲信号转换为更高强度的电流脉冲信号，将更高强度的电流脉冲信号发送给初级储能模块中的第二晶闸管开关S₁，用于触发第二晶闸管开关S₁；

所述初级储能模块由直流稳压电源DC、能量补充电容C_f、谐振电感L₀、原边电容C₀、第一晶闸管开关S_w、第二晶闸管开关S₁，大功率二极管D₂和回收电感L_D构成；直流稳压电源DC与能量补充电容C_f相连，构成能量补充电容C_f的充电回路，为能量补充电容C_f提供稳定持续的直流电压；第一晶闸管开关S_w、谐振电感L₀、原边电容C₀以及脉冲升压模块中FRSPT的初级绕组L_p1、L_p2、…、L_pN与能量补充电容C_f串联，构成主要的充电回路，第一晶闸管开关S_w接收触发控制器的第一路信号传输通道的控制信号后闭合，控制能量补充电容C_f向原边电容C₀放电，为原边电容C₀提供能量；第二晶闸管开关S₁跨接在原边电容C₀高压端与地电位之间，在时延t之后接收触发控制器的第二路信号传输通道的控制信号，控制原边电容C₀向脉冲升压模块放电；回收电感L_D与大功率二极管D₂串联为另一支路，与谐振电感L₀、原边电容C₀以及脉冲升压模块中FRSPT的初级绕组L_p1、L_p2、…、L_pN构成能量回收回路，当C₀向脉冲升压模块完成一次放电后，C₀上的电压反向，通过能量回收回路将绝大部分的能量暂时储存在回收电感L_D中，用于原边电容C₀的下一个放电周期；C_f的电容量≥10·C₀的电容量；

压缩整形模块由主电容C、隔离电感L_i以及主开关MS构成；隔离电感L_i一端与脉冲升压模块相连，另一端与主电容C相连，用于避免主电容C放电时向脉冲升压模块反向放电；主电容C一端接地，另一端与隔离电感L_i以及主开关MS的主绕组输入端相连，当主开关MS饱和后，主电容C通过主开关MS向脉冲形成模块放电；主开关MS与复位电路、脉冲形成模块以及主电容C相连，为磁开关，当脉冲升压模块通过隔离电感L_i向主电容C充电时，主开关MS表现为大电感，呈高阻状态，可近似视为开路，不属于充电回路；当主电容C高压端的电压使主开关MS的磁芯饱和时，主开关MS表现为小电感，呈低阻状态，可近似视为短路，完成开关闭合的功能，主电容C通过主开关MS向脉冲形成模块放电，并完成脉冲压缩；复位电路为输出为I的直流电源，复位电流的方向与主电容C放电时流过主开关MS的电流方向相反，完成主开关MS饱和后的复位过程。

2.如权利要求1所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述m'满足m'≥4，所述N_s'满足N_s'≥10，所述j为2或3。

3.如权利要求1所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述触发控制器中光接收模块与外部同步信号源之间通过光纤连接，光接收模块由光接收器和场效应晶体管连接而成。

4.如权利要求3所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述光接收器采用HFBR2412芯片，场效应晶体管采用2SK2742芯片。

5.如权利要求1所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述触发控制器的第一MOSFET驱动器和第二MOSFET驱动器均采用TC4424芯片，集成单稳态触发器采用CD4098芯片，第一功率MOSFET和第二功率MOSFET均采用IRF740芯片。

6.如权利要求1所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述触发控制器的第一功率MOSFET的输出端与第一晶闸管开关S_w之间、第二功率MOSFET的输出端与第二晶闸管开关S₁之间均采用隔离变压器进行电绝缘隔离。

7.如权利要求6所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述隔离变压器为变比为1：1的磁芯变压器。

8.如权利要求1所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述触发控制器中弱电流脉冲信号为5V/10mA量级，所述大电流脉冲信号为12V/2A量级，所述更高强度的电流脉冲信号为12V/10A量级；所述时延t满足50μs≤t≤35ms。

9.如权利要求1所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述脉冲升压模块中的C₁₁的电容量满足C₁₁的电容量≤C₀的电容量/m'NN_s'。

10.如权利要求1所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述压缩整形模块中的主电容C的电容量＝C₁'的电容量，复位电路的I满足I≤15A。

11.如权利要求1所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述压缩整形模块中的主开关MS由内芯部分、主绕组以及复位绕组构成；内芯部分关于中心轴具有轴对称性与旋转对称性，由磁芯和绝缘外壳构成，磁芯部分采用M块相同尺寸的磁环堆叠而成；每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装，封装后的磁环内半径为R_mi，外半径为R_mo，厚度为h_m；绝缘外壳为高分子材料，套在磁芯外部起绝缘作用；主绕组沿圆周方向均匀排布，共N_M匝线绕式绕组，包围所有M块磁环后绕制N_M匝，完成主绕组的绕线排布；复位绕组独立于主绕组，且为N_R匝密绕，包围所有M块磁环后绕制N_R匝，完成复位绕组的绕线排布，复位绕组两端连接外部复位电路，主绕组的输入端与主电容C相连，输出端与脉冲形成模块相连，当脉冲升压模块通过隔离电感L_i向主电容C充电时，主开关MS表现为大电感，呈高阻状态，可近似视为开路，不属于充电回路；当主电容C高压端的电压使主开关MS的磁芯饱和时，主开关MS表现为小电感，呈低阻状态，可近似视为短路，完成开关闭合的功能，主电容C通过主开关MS向脉冲形成模块放电，并完成脉冲压缩；M为正整数且M≥2；R_mo满足40mm<R_mi<R_mo，h_m满足20mm<h_m<30mm，N_M满足5≤N_M≤30，N_R满足N_R<N_M。

12.如权利要求1所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述公式(1)和公式(2)中的τ为百ns量级，ρ在几十至几百欧姆。

13.如权利要求1所述的一种全固态百纳秒方波脉冲发生器，其特征在于所述第一晶闸管开关S_w与第二晶闸管开关S₁一般选择快速晶闸管，电压等级要求大于1000V、电流容量大于等于1000A。

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