CN113708743A - 一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，包括六个完全相同的脉冲生成回路模块，和用于同步触发以及叠加各个模块输出的多路脉冲电路模块化立体对称并联结构，所述脉冲生产回路模块的回路包括：基于Marx结构的充放电回路部分、各级发生回路的均压电路部分、第一级回路的前置辅助触发电路部分、第二至最后一级回路的后置辅助触发电路部分；所述多路脉冲电路模块化立体对称并联结构包括充电触发端，电路模块，输出端三个部分。与现有脉冲发生器相比，在相同输出电压下，本脉冲发生装置，通过改变雪崩三极管的开关模式，提高整体电路的可靠性以及各级回路电路输出上的同步性。

Description

一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置
技术领域
本发明属于脉冲发生装置领域，具体涉及一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲的发生装置。
背景技术
高压纳秒脉冲在在轨道交通、工业应用以及生物电磁学等领域具有广泛的应用，如钢轨线缆检测、静电除尘、废气处理、灭菌、医疗中癌症的治疗等。Marx发生器是目前应用最为广泛的脉冲发生装置，传统Marx发生器的工作原理是对若干电容器组并联充电，然后改变电路结构，实现电容器组串联后通过火花隙或闸流管等气体开关进行放电，形成幅值倍增的脉冲电压。但是气体开关器件逐渐暴露了很多缺陷，例如重复频率低、稳定性差、寿命短等。固态开关具有紧凑、轻便、重复频率高、可控性好、易于驱动等特点，随着近几十年来半导体固态开关的发展和成熟，大功率的固态开关被当作主开关广泛应用于Marx发生器中。
随着脉冲功率源的应用日益广泛，不同工况下对于脉冲参数的要求也有了新的变化。目前关于高压纳秒脉冲发生装置的研究主要是针对提高输出脉冲的电压幅值、重复频率、脉冲宽度、脉冲的上升时间与下降时间等。但针对产生高输出幅值与低脉冲上升时间的同时降低脉冲生成时间的研究目前相对较少。在对电路动作时间有要求的高压场合，高输出幅值、低脉冲上升时间同时低脉冲生成时间的脉冲发生回路能够得到广泛应用。
发明内容
本发明提出一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，以解决现有脉冲发生装置无法同时满足高输出幅值、低脉冲上升时间同时低脉冲生成时间的问题。
针对现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案如下：
一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，包括六个完全相同的脉冲生成回路模块，和用于同步触发以及叠加各个模块输出的多路脉冲电路模块化立体对称并联结构，所述脉冲生产回路模块的回路包括：基于Marx结构的充放电回路部分、各级发生回路的均压电路部分、第一级回路的前置辅助触发电路部分、第二至最后一级回路的后置辅助触发电路部分；所述多路脉冲电路模块化立体对称并联结构包括充电触发端，电路模块，输出端三个部分。
所述基于Marx结构的充放电回路部分为多级结构，整体分为多级充电回路和多级放电回路两个模块，其中，所述多级充电回路包括：用于供能的充电直流电源、用于限制充放电电流的限流电阻R1到RN、用于储存脉冲能量的电容C1到CN、每级接地电阻RZ1到RZN，在充电阶段，每一级电路中限流电阻、储能电容、接地电阻处于串联状态，限流电阻一端接充电直流电源阳极，另一端通过储能电容和接地电阻接地，各级电路之间经由接地线和直流充电电源相互并联。
所述放电回路包括：用于控制电路开断的雪崩三极管Q1,1到QN,M、负载RLoad，所述雪崩三极管整体连接方式为多级并联与单级串联，并联连接的每一级中雪崩三极管的集电极与下一个雪崩三极管的的发射极相连，串联雪崩三极管的一端通过最后一个三极管的发射极通过接地电阻接地，另一端通过最后一个三极管的集电极与限流电阻相连。
所述均压电路部分包括：用于均压的电阻R1,1到RN,M，以及用于限流的限流电阻RK11到RKNM，所述均压电阻与各个雪崩三极管的集电极和发射极并联，以保证各个雪崩三极管所承受电压相等。
所述前置辅助触发电路部分包括：用于储存辅助触发信号所需能量的电容Ck11到Ck1M、用于承载辅助触发信号的电阻RF11到RF1M、用于发射初始触发信号的电容CS和电阻RS。
所述后置辅助触发电路部分包括均压电路中限流电阻RK11到RKNM、用于储存触发能量的储能电容C1,1到C(N-1),1,与后一级放电电路中雪崩三极管的基电极以及发射极的电阻RX11到RXNM。
所述充电触发端包括：环状充电结构、中心触发结构，所述环状充电结构由外部电源供电，统一对所有模块供电，所述中心触发结构位于所有模块中心，触发信号达到每一个模块的时间相同。
所述电路模块包括:六个完全相同的脉冲生成模块，六个模块围绕中心点均匀分布，模块与模块之间处于处于并联状态，所有模块一端与充电电源相连，一端接地，所有模块都是几何排列的，以保证六个模块的触发路径和放电路径长度相同。
所述输出端包括输出负载电阻以及环形接地板，所述负载电阻一端与所述电路模块相连，一端与接地板相连。
所述脉冲发生装置，回路整体工作流程包括：
在电路整体充电完成后，由于同型号电阻和电容的均压，各个雪崩三极管的集电极和发射极所承受电压相同。初始触发信号由CS和RS送达第一级第一个雪崩三极管Q1,1，Q1,1导通,由Ck11、RF11、Q1,1组成的回路导通，Ck1在RF11上形成脉冲触发Q1,2，与此同时，由于Q1,1的导通和均压电路的作用，使得剩余雪崩三极管所承受电压上升超过雪崩三极管的导通电压，最终雪崩三极管Q1,2在两者的共同作用下迅速导通，第一级后续三极管重复上述过程。
在雪崩三极管Q1,1导通时，后置辅助触发回路的C1,1发生放电，在Rx11上产生脉冲触发第二级的雪崩三极管Q2,1，使得第二级雪崩三极管同步导通，第二级剩余雪崩三极管在同样的作用下发生导通，第二级整体导通时间与第一级同步，略慢于第一级。同样的，后续多级回路，在上一级的作用下导通，最终所有雪崩三极管均导通，所有储能主电容C1到CN串联放电，在负载RLoad上产生一个高压脉冲。
所述电路每一级雪崩三极管个数n与充电电压VCC的关系如下：
Figure BDA0003245852000000031
Figure BDA0003245852000000041
所述负载Rload上输出脉冲Vload大小与电路级数m、充电电压VCC以及电路整体内阻Rin的的关系如下：
Figure BDA0003245852000000042
本发明具有如下优点：
与现有脉冲发生器相比，在相同输出电压下，本脉冲发生装置，通过改变雪崩三极管的开关模式，提高整体电路的可靠性以及各级回路电路输出上的同步性。另外，在此基础上通过多路叠加的结构，能够大幅度的提高电路输出效率。本发明可为纳秒级大功率高压脉冲电源的设计提供借鉴。
附图说明
图1是本发明实施例的脉冲生成回路示意图；
图2是本发明实施例的多模块并联结构原理图；
图3是本发明实施例的多模块并联结构充电触发端结构示意图；
图4是本发明实施例的多模块并联结构输出端结构示意图；
图5是本发明实施例的多模块并联结构的电路模块结构；
图6是本发明实施例的多模块并联结构的空间结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1-6所示，本发明实施例公开一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置。该装置包括：六个完全相同的脉冲生成回路模块，用于同步触发以及叠加各个模块输出的多路脉冲电路模块化立体对称并联结构两个部分。
其中，如图1所示，脉冲生成回路包括：基于Marx结构的充放电回路部分、各级发生回路的均压电路部分、第一级回路的前置辅助触发电路部分、第二至最后一级回路的后置辅助触发电路部分。
基于Marx结构的充放电回路部分为多级结构，整体可分为多级充电回路和多级放电回路两个模块，其中，所述多级充电回路包括：用于供能的充电直流电源、用于限制充放电电流的限流电阻R1到RN、用于储存脉冲能量的电容C1到CN、每级接地电阻Rz1到RzN。在充电阶段，每一级电路中限流电阻RC、储能电容C、接地电阻RZ处于串联状态，限流电阻一端接充电直流电源阳极，另一端通过储能电容和接地电阻接地，各级电路之间经由接地线和直流充电电源相互并联。
放电回路包括：用于控制电路开断的雪崩三极管Q1,1到QN,M、负载RLoad。所述雪崩三极管整体连接方式为多级并联与单级串联，每一级中雪崩三极管的集电极与下一个雪崩三极管的的发射极相连，串联雪崩三极管的一端通过最后一个三极管的发射极通过接地电阻接地，另一端通过最后一个三极管的集电极与限流电阻相连。
均压电路部分包括：用于均压的电阻R1,1到RN,M，以及用于限流的限流电阻RK11到RKNM，。所述均压电阻与各个雪崩三极管的集电极和发射极并联，以保证各个雪崩三极管所承受电压相等。
前置辅助触发电路部分包括：用于储存辅助触发信号所需能量的电容Ck11到Ck1M、用于承载辅助触发信号的电阻RF11到RF1M、用于发射初始触发信号的电容CS和电阻RS。
后置辅助触发电路部分包括：均压电路中限流电阻RK11到RKNM、用于储存触发能量的储能电容C1,1到C(N-1),1,与后一级放电电路中雪崩三极管的基电极以及发射极的电阻RX11到RXNM。
如图2所示，多路Marx模块并联后，电路等效电容变大，脉冲幅值提高，输出脉冲的后沿和脉宽相对单模块的情况均变大。由于并联后电路内阻减小，负载电阻分到的电压比例提高。
如图3-图6所示，为多路脉冲电路的模块化立体对称并联结构，其模块化和立体对称设计保证了脉冲叠加的同步性，多路脉冲电路的模块化立体对称并联结构包括：充电触发端，电路模块，输出端三个部分。
充电触发端包括：环状充电结构、中心触发结构，所述环状充电结构由外部电源供电，统一对所有模块供电，所述中心触发结构位于所有模块中心，触发信号达到每一个模块的时间相同。
电路模块包括:六个完全相同的脉冲生成模块，六个模块围绕中心点均匀分布，模块与模块之间处于处于并联状态，所有模块一端与充电电源相连，一端接地，所有模块都是几何排列的，以保证六个模块的触发路径和放电路径长度相同。
输出端包括输出负载电阻以及环形接地板，所述负载电阻一端与所述电路模块相连，一端与接地板相连。
本发明短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，回路整体工作流程包括：
在电路整体充电完成后，由于同型号电阻和电容的均压，各个雪崩三极管的集电极和发射极所承受电压相同。初始触发信号由CS和RS送达第一级第一个雪崩三极管Q1,1，Q1,1导通,由Ck11、RF11、Q1,1组成的回路导通，Ck11在RF11上形成脉冲触发Q1,2，与此同时，由于Q1,1的导通和均压电路的作用，使得剩余雪崩三极管所承受电压上升超过雪崩三极管的导通电压，最终雪崩三极管Q1,2在两者的共同作用下迅速导通，第一级后续三极管重复上述过程。
在雪崩三极管Q1,1导通时，后置辅助触发回路的C1,1发生放电，在Rx11上产生脉冲触发第二级的雪崩三极管Q2,1，使得第二级雪崩三极管同步导通，第二级剩余雪崩三极管在同样的作用下发生导通，第二级整体导通时间与第一级同步，略慢于第一级。同样的，后续多级回路，在上一级的作用下导通，最终所有雪崩三极管均导通，所有储能主电容C1到CN串联放电，在负载RLoad上产生一个高压脉冲。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，其特征在于：包括六个完全相同的脉冲生成回路模块，和用于同步触发以及叠加各个模块输出的多路脉冲电路模块化立体对称并联结构，所述脉冲生产回路模块的回路包括：基于Marx结构的充放电回路部分、各级发生回路的均压电路部分、第一级回路的前置辅助触发电路部分、第二至最后一级回路的后置辅助触发电路部分；所述多路脉冲电路模块化立体对称并联结构包括充电触发端，电路模块，输出端三个部分。
2.如权利要求1所述的一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述基于Marx结构的充放电回路部分为多级结构，整体分为多级充电回路和多级放电回路两个模块，其中，所述多级充电回路包括：用于供能的充电直流电源、用于限制充放电电流的限流电阻R1到RN、用于储存脉冲能量的电容C1到CN、每级接地电阻RZ1到RZN，在充电阶段，每一级电路中限流电阻、储能电容、接地电阻处于串联状态，限流电阻一端接充电直流电源阳极，另一端通过储能电容和接地电阻接地，各级电路之间经由接地线和直流充电电源相互并联。
3.如权利要求1所述的一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述放电回路包括：用于控制电路开断的雪崩三极管Q1,1到QN,M、负载RLoad，所述雪崩三极管整体连接方式为多级并联与单级串联，并联连接的每一级中雪崩三极管的集电极与下一个雪崩三极管的的发射极相连，串联雪崩三极管的一端通过最后一个三极管的发射极通过接地电阻接地，另一端通过最后一个三极管的集电极与限流电阻相连。
4.如权利要求1所述的一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述均压电路部分包括：用于均压的电阻R1,1到RN,M，以及用于限流的限流电阻RK11到RKNM，所述均压电阻与各个雪崩三极管的集电极和发射极并联，以保证各个雪崩三极管所承受电压相等。
5.如权利要求1所述的一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述前置辅助触发电路部分包括：用于储存辅助触发信号所需能量的电容Ck11到Ck1M、用于承载辅助触发信号的电阻RF11到RF1M、用于发射初始触发信号的电容CS和电阻RS。
6.如权利要求1所述的一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述后置辅助触发电路部分包括均压电路中限流电阻RK11到RKNM、用于储存触发能量的储能电容C1,1到C(N-1),1,与后一级放电电路中雪崩三极管的基电极以及发射极的电阻RX11到RXNM。
7.如权利要求1所述的一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述充电触发端包括：环状充电结构、中心触发结构，所述环状充电结构由外部电源供电，统一对所有模块供电，所述中心触发结构位于所有模块中心，触发信号达到每一个模块的时间相同。
8.如权利要求1所述的一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述电路模块包括:六个完全相同的脉冲生成模块，六个模块围绕中心点均匀分布，模块与模块之间处于处于并联状态，所有模块一端与充电电源相连，一端接地，所有模块都是几何排列的，以保证六个模块的触发路径和放电路径长度相同。
9.如权利要求1所述的一种短延时高幅值低前沿的高压脉冲发生装置，其特征在于：所述输出端包括输出负载电阻以及环形接地板，所述负载电阻一端与所述电路模块相连，一端与接地板相连。
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