CN112953473A - 一种PFN模块及模块化PFN-Marx发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种PFN模块及模块化PFN‑Marx发生器，包括PFN模块单元、PFN与开关电极的连接方式和气体开关的一体化，以实现PFN‑Marx发生器在不拆卸主体结构的前提下完成PFN模块的更换，从而达到PFN‑Marx发生器参数可调、维护维修方便的目的。本发明所述的PFN‑Marx发生器设计方案既提高了发生器维修检测的便利性，同时也真正实现了发生器输出参数可调的目的，从而在保证发生器整体结构不变得前提下，大幅度地提升PFN‑Marx发生器的拓展能力。

Description

一种PFN模块及模块化PFN-Marx发生器
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种PFN模块及模块化PFN-Marx发生器。
背景技术
脉冲功率技术历经几十年的发展，在加速器、高功率微波(High powermicrowaves,HPM)、 高能激光和环境保护等方面发挥着重要的作用。产生高功率、高波形质量电脉冲的脉冲功率 源主要有脉冲形成线(Pulse forming line,PFL)和脉冲形成网络(Pulse forming network，PFN) 两种基本形式。其中，基于脉冲形成网络的PFN-Marx发生器兼具PFN的脉冲整形和Marx 的脉冲升压双重作用，在系统紧凑化、小型化等方面具有更大的优势，在近年来受到越来越 多的关注。
PFN-Marx发生器其工作原理可以简单概括为：采用若干电容器通过并联的方式组成一个 PFN模块，若干个PFN模块通过并联充电后再以串联方式放电产生高压电脉冲。由于PFN 可以等效为集中参数式PFL，因此PFN可以输出具备准方波特性的电脉冲。PFN网络拓扑结 构形式多样，其中，Type-E型网络采用等电容和等电感参数，即网络中所用的电容器和电感 均可采用一样的元器件，这有利于脉冲功率源的模块化设计与装配，在脉冲功率系统中得到 广泛应用。图1所示为目前脉冲功率系统中应用最为广泛的Type-E型PFN-Marx发生器电路 拓扑示意图，其共有n个PFN模块单元，且每个PFN模块参数均一致，在实际装配时，各 个PFN模块参数和结构均可保持一致，从而利于实现模块化设计。从图1中可以看出，相邻 的两个PFN模块之间串联一个开关，以PFN1和PFN2为例，PFN1和PFN2之间串联一个开关S1。对于传统的PFN-Marx发生器，PFN模块与开关的接线电极采用焊接的硬连接方式，因 此当一个PFN模块出现故障需要维护时，需对发生器进行全系统整体拆卸(包括每一个PFN 模块和开关)，不利于PFN-Marx发生器的模块化功能实现，因此实现PFN-Marx发生器的模 块化设计，需考虑PFN模块与开关接线电极的连接方式，从而实现PFN模块可单独拆卸的 目的，这对于提升PFN-Marx发生器的维护便利性具有重要意义。
PFN-Marx发生器的模块化实现的另一个重要意义是PFN-Marx发生器输出参数可调。这 里PFN-Marx发生器的参数可调是指可以通过改变PFN模块中的高压脉冲电容器、节电感参 数，实现PFN-Marx发生器的输出阻抗和脉冲特性的调整。但传统的PFN-Marx发生器在装 配完成后，发生器的整体结构已经固定，其各项输出参数(包括阻抗、脉宽、平顶波纹度、 上升沿、下降沿等)均已相对固化，难以实现输出参数调整。因此，设计一种新型的模块化 PFN和模块化PFN-Marx发生器，对于提升PFN-Marx发生器维护便利性、实现输出参数调整、提升PFN-Marx发生器在脉冲功率领域中的拓展能力具有广阔的工程应用前景和重要的科研价值。
发明内容
本发明要解决的技术难题是：通过合理设计PFN模块结构以及PFN与开关电极连接方 式，实现PFN-Marx发生器模块化设计，解决PFN-Marx维护困难以及输出波形调整难度大的问题。本发明以PFN模块作为PFN-Marx发生器模块化设计的基础，即每个PFN模块均可 以轻松实现单独拆卸和更换，通过改变单个或多个PFN模块的参数，从而实现PFN-Marx发 生器中的网络参数调整，达到阻抗、脉宽、平顶波纹度、下降沿等输出参数调整的目的。此 外，通过简单的增加或减少PFN模块的数量、改变电容器参数也可以实现输出阻抗、脉宽等 参数的调整。
与传统的PFN-Marx发生器相比，本发明针对PFN-Marx发生器的模块化实现设计了一 系列方案，包括PFN模块单元、PFN与开关电极的连接方式和气体开关一体化等，以实现PFN-Marx发生器在不拆卸主体结构的前提下完成PFN模块的更换，从而达到PFN-Marx发 生器参数可调、维护维修方便的目的。
本发明首先提供了一种PFN模块，包括电容器承托盒21、高压脉冲电容器22、第一节 电感23、高压连接导线24、高压电极插销25、第二节电感26、接地连接导线27、接地电极插销28；所述电容器承托盒21为一个抽屉状盒子，高压脉冲电容器22置于电容器承托盒21内，高压脉冲电容器22的高压电极之间通过第一节电感23连接后，再通过高压连接导线24引出，高压连接导线24的末端连接高压电极插销25，高压脉冲电容器22的接地电极之间通过第二节电感26连接后，再通过接地连接导线27引出，接地连接导线27的末端连接接地电极插销28；所述高压电极插销25和接地电极插销28用于连接PFN-Marx发生器的开关电极的电极底座，从而实现PFN模块与开关电极的快接功能，使得PFN模块在PFN-Marx发生器 中为独立的模块，在实际应用中可以方便快捷地更换PFN模块。
所述第一节电感23和第二节电感26均为直铜带或电感线圈。
本发明还提供了一种基于前述PFN模块组成的模块化PFN-Marx发生器，包括PFN模块 支撑骨架41，PFN模块42和开关30；所述PFN模块支撑骨架41用于为PFN模块42提供 支撑，使单个PFN模块42可以像抽屉一样从PFN模块支撑骨架41上抽出，实现PFN模块 的更换；所述开关30用于将所有PFN模块42级联起来，采用Marx发生器的原理进行电压 叠加，实现高压输出；所述开关30由开关外壳31、电极底座32、开关电极头33组成，所述 电极底座32穿过开关外壳31与开关电极头33连接固定，所有开关电极头33密封于开关外 壳31内，所有电极底座32的末端裸露在开关外壳31外，从而实现开关的一体化设计。在PFN-Marx发生器在需要更换维护或改变输出参数时，仅需要在开关30外部将PFN模块的电 极插销拔出，进而抽出PFN模块即可，无需拆卸开关30。
本发明可以达到以下技术效果：
由于本发明的模块化PFN-Marx发生器设计方案以PFN作为模块化设计的基础，并在此 基础上对PFN-Marx的做了一系列优化，使得发生器具备了较强的拓展能力：
(1)本发明所述的PFN模块可作为PFN-Marx发生器的基础单元，基于PFN模块，根据实际应用需求参数，调整PFN模块的数量及电容器参数，从而实现PFN-Marx发生器输出阻抗、脉宽等参数的调整；
(2)本发明所述的模块化PFN-Marx发生器中的PFN模块及其它组部件在系统中均可 独立拆卸，解决了现有发生器系统检测维修不便的难题；
(3)本发明所述的模块化PFN-Marx发生器可通过轻松更换单个或多个PFN模块，从而实现发生器输出波形脉宽、平顶波纹度、下降沿等调整困难，解决了发生器装配好即固化参数且难以调整的难题。
附图说明
图1.PFN-Marx电路示意图；
图2.单个PFN模块装配示意图；
图3.开关局部装配示意图；
图4.PFN-Marx局部装配示意图；
图5.PFN-Marx发生器整体装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图2所示为单个PFN模块装配示意图，主要部件包括电容器承托盒21(为展示装配细节， 对电容器承托盒21做了透明化处理)，高压脉冲电容器22，第一节电感23，高压连接导线 24，高压电极插销25，第二节电感26，接地连接导线27，接地电极插销28，其中第一节电 感23和第二节电感26均为直铜带或电感线圈。单个PFN模块的安装步骤为：1)先将多个高压脉冲电容器22通过第一节电感23进行并联焊接为一个PFN(图2中为3个高压脉冲电 容器并联组成，相邻的两个高压脉冲电容器高压电极之间的连接为第一节电感23、接地电极之间的连接为第二节电感26)；2)将焊接好的PFN置放于电容器承托盒21内；3)将高压连 接导线24一端与PFN一个高压脉冲电容器的高压电极进行焊接，另一端与高压电极插销25 进行焊接；4)将接地连接导线27一端与PFN一个高压脉冲电容器的接地电极进行焊接，另 一端与接地电极插销28进行焊接。高压电极插销25和接地电极插销28结构相同，均为金属 材料一体化制成，电极插销头29的一面开有90°锥角沉孔211，用于电极插销的固定，电极 插销末端210开有沉孔212，用于与高压连接导线或接地连接导线的焊接。自此，完成单个 PFN模块的装配，所述高压电极插销25和接地电极插销28均用于与开关电极底座的连接。
图3所示为开关装配示意图，包括开关壳体31、电极底座32和开关电极头33。电极底 座32通过开关壳体31上的通孔与开关电极头33连接，多个电极底座32和开关电极头33沿 开关壳体31上的通孔阵列排列组成PFN-Marx发生器的开关阵列，完成开关的独立装配，其 中电极底座32末端开有矩形沉孔，用于与高压电极插销25或接地电极插销28装配。所述开 关装配体与PFN模块装配体为相对独立的，下面介绍PFN模块与开关装配体的装配方法。
图4所示为PFN-Marx发生器局部装配示意图。PFN模块支撑骨架41用于为PFN模块42提供支撑，使单个PFN模块42可以像抽屉一样从PFN模块支撑骨架41上抽出，实现PFN 模块的更换；以图4中PFN模块42与开关装配体之间的连接方式为例，详述PFN模块42 与开关之间的连接方式：开关壳体31、开关电极头33、和电极底座32在完成装配后，PFN 模块42的接地电极插销28插入电极底座32的矩形沉孔中，并通过螺杆43进行固定；由于 PFN模块42为均匀阵列排列，PFN模块42的接地电极插销28均匀分布在开关装配体的一 侧，接地电极插销28阵列排列的插入电极底座32中；同理，高压电极插销25均匀分布在开 关装配体的另一侧，高压电极插销25阵列排列的插入电极底座32中。所述PFN模块42为 独立装配体，其在PFN-Marx发生器中的连接仅有两方面：一方面是PFN模块42与支撑骨 架41之间的连接；另一方面是PFN模块42中的高压电极插销25和接地电极插销28与电极 底座32之间的连接。这两方面均通过螺杆的连接方式，且相邻的PFN模块42之间无机械支 撑，因此每个PFN模块42均可在PFN-Marx发生器中独立，完成单独更换，从而实现模块 化PFN-Marx发生器的功能。
图5所示为PFN-Marx发生器整体装配示意图。PFN-Marx发生器的整体装配步骤为：1) 依照图2中单个PFN模块装配方法，根据实际输出阻抗、脉宽等参数需求，装配出多个PFN模块42待用；2)依照图3中开关装配方法，将开关电极头33、开关外壳31和电极底座32 整体装配完毕待用；3)将多个PFN模块42像安装抽屉一样，采用塑料螺杆依次序分别固定 在PFN模块支撑骨架41上；4)将电极插销25和28分别插入电极底座32中，并采用金属 螺钉43加以固定。从图5中可以看出，PFN模块42采用抽屉式进行装配，单个PFN模块 42在拧掉螺钉43后，可以单独取出，从而完成PFN模块42的维护和替换。
本发明中，电容器承托盒21、PFN模块支撑骨架41和开关外壳31均为绝缘材料，可采 用尼龙、高分子量聚四氟乙烯或聚酰亚胺等绝缘材料制作；高压电极插销25、接地电极插销 28、电极底座32和开关电极头33为金属材料，可采用黄铜或铜钨合金等金属材料制作；本 发明所述高压脉冲电容器可采用陶瓷、薄膜、云母等电容器。
本发明所述的PFN-Marx发生器模块化方案，PFN模块采用抽屉式装配方式，在需要拆 卸维护时，可将单个PFN模块单独取出，极大的简化了PFN-Marx发生器的维护难度；同时， 在PFN-Marx发生器在需要进行参数调整时，可将单个或多个PFN模块进行替换，从而达到 PFN-Marx发生器输出参数调整的目的；此外，本发明所述的模块化设计方案对于PFN-Marx 发生器的拓展应用具有重要意义，PFN-Marx的本质是通过多个PFN模块的叠加来实现高压 输出，PFN模块越多，输出电压越高、输出阻抗越大，因此可以通过控制PFN模块的数量来 达到不同输出电压、输出阻抗的效果。综上，本发明所述的PFN-Marx发生器设计方案既提 高了发生器维修检测的便利性，同时也真正实现了发生器输出参数可调的目的，从而在保证 发生器整体结构不变得前提下，大幅度地提升PFN-Marx发生器的拓展能力。

Claims (8)

1.一种PFN模块，其特征在于：包括电容器承托盒(21)、高压脉冲电容器(22)、第一节电感(23)、高压连接导线(24)、高压电极插销(25)、第二节电感(26)、接地连接导线(27)、接地电极插销(28)；所述电容器承托盒(21)为一个抽屉状盒子，高压脉冲电容器(22)置于电容器承托盒(21)内，高压脉冲电容器(22)的高压电极之间通过第一节电感(23)连接后，再通过高压连接导线(24)引出，高压连接导线(24)的末端连接高压电极插销(25)，高压脉冲电容器(22)的接地电极之间通过第二节电感(26)连接后，再通过接地连接导线(27)引出，接地连接导线(27)的末端连接接地电极插销(28)；所述高压电极插销(25)和接地电极插销(28)用于连接PFN-Marx发生器的开关电极的电极底座，从而实现PFN模块与开关电极的快接功能，使得PFN模块在PFN-Marx发生器中为独立的模块，在实际应用中可以方便快捷地更换PFN模块。
2.一种根据权利要求1所述PFN模块，其特征在于：所述电容器承托盒(21)采用尼龙、高分子量聚四氟乙烯或聚酰亚胺等绝缘材料制作。
3.一种根据权利要求1所述PFN模块，其特征在于：所述高压脉冲电容器(22)采用陶瓷、薄膜、云母等电容器。
4.一种根据权利要求1所述PFN模块，其特征在于：所述第一节电感(23)和第二节电感(26)均为直铜带或电感线圈。
5.一种根据权利要求1所述PFN模块，其特征在于：高压电极插销(25)、接地电极插销(28)采用黄铜或铜钨合金等金属材料制作。
6.一种采用权利要求1所述PFN模块组成的模块化PFN-Marx发生器，其特征在于：包括PFN模块支撑骨架(41)，PFN模块(42)和开关(30)；所述PFN模块支撑骨架(41)用于为PFN模块(42)提供支撑，使单个PFN模块(42)可以像抽屉一样从PFN模块支撑骨架(41)上抽出，实现PFN模块的更换；所述开关(30)用于将所有PFN模块(42)级联起来，采用Marx发生器的原理进行电压叠加，实现高压输出；所述开关(30)由开关外壳(31)、电极底座(32)、开关电极头(33)组成，所述电极底座(32)穿过开关外壳(31)与开关电极头(33)连接固定，所有开关电极头(33)密封于开关外壳(31)内，所有电极底座(32)的末端裸露在开关外壳(31)外，从而实现开关的一体化设计；在PFN-Marx发生器在需要更换维护或改变输出参数时，仅需要在开关(30)外部将PFN模块(52)的插销电极拔出，进而抽出PFN模块即可，无需拆卸开关(30)。
7.一种根据权利要求6所述模块化PFN-Marx发生器，其特征在于：所述PFN模块支撑骨架(41)和开关外壳(31)采用尼龙、高分子量聚四氟乙烯或聚酰亚胺等绝缘材料制作。
8.一种根据权利要求6所述模块化PFN-Marx发生器，其特征在于：所述电极底座(32)和开关电极头(33)采用黄铜或铜钨合金等金属材料制作。
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