CN113992191B - 一种方波脉冲产生模块及方波脉冲功率源 - Google Patents

一种方波脉冲产生模块及方波脉冲功率源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种方波脉冲产生模块及方波脉冲功率源，其中，方波脉冲产生模块包括绝缘环以及间隔设置于所述绝缘环内的第一脉冲形成线和第二脉冲形成线；所述第一脉冲形成线的开关电极头与所述第二脉冲形成线的开关电极头相向设置，且所述第一脉冲形成线的开关电极头朝上放电，所述第二脉冲形成线的开关电极头朝下放电。本发明的目的在于提供一种方波脉冲产生模块及方波脉冲功率源，本申请提供的方波脉冲功率源不仅能使产生的高功率电脉冲具有快前沿、宽平顶的优势，还使得功率源装置结构紧凑，易于实现轻小型化。

Description

一种方波脉冲产生模块及方波脉冲功率源
技术领域
本发明涉及脉冲功率科学与技术领域，尤其涉及一种方波脉冲产生模块及方波脉冲功率源。
背景技术
紧凑型脉冲功率源是当前脉冲功率技术发展的重要方向，已广泛应用于便携式脉冲X光机、车载移动式高压脉冲发生器等设备研制以及生物医学、电磁脉冲辐射等研究领域。装置轻小型化，输出脉冲前沿快、平顶宽是紧凑型脉冲功率源技术发展的重要目标。
业内一般采用脉冲形成网络(pulse forming network，PFN)作为脉冲产生单元，并基于Marx发生器原理将多个PFN级联构成的PFN-Marx型脉冲功率源，产生具有一定平顶的高功率电脉冲。
但实际工作中，PFN-Marx型脉冲功率源产生的脉冲一般具有较大的纹波系数，即脉冲顶部呈波浪形，或者脉冲的平顶占比较小，又或者结构较复杂从而难以实现轻小型化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方波脉冲产生模块及方波脉冲功率源，本申请提供的方波脉冲功率源不仅能使产生的高功率电脉冲具有快前沿、宽平顶的优势，还使得功率源装置结构紧凑，易于实现轻小型化。
本发明通过下述技术方案实现：
在本申请的一个方面中，提供了一种方波脉冲产生模块，该方波脉冲产生模块包括绝缘环以及间隔设置于所述绝缘环内的第一脉冲形成线和第二脉冲形成线；
所述第一脉冲形成线的开关电极头与所述第二脉冲形成线的开关电极头相向设置，且所述第一脉冲形成线的开关电极头朝上放电，所述第二脉冲形成线的开关电极头朝下放电。
现有技术中，一般采用脉冲形成网络(pulse forming network，PFN)作为脉冲产生单元，并基于Marx发生器原理将多个PFN级联构成的PFN-Marx型脉冲功率源，产生具有一定平顶的高功率电脉冲。但实际工作中，PFN-Marx型脉冲功率源产生的脉冲平顶占比较小。基于此，本申请提供了一种方波脉冲产生模块，提出了由两个基于多陶瓷电容器储能的圆弧形脉冲形成线及开关组成的圆环形脉冲形成线组合结构设计，使得在相同工作电压下，1个圆环形脉冲形成线组合可以产生2倍于1个圆弧形脉冲形成线的输出电压，从而解决上述技术问题。
优选地，所述第一脉冲形成线包括第一充电金属板、第一接地金属板以及若干第一陶瓷电容器；
所述第一陶瓷电容器并排设置于所述第一接地金属板和所述第一充电金属板之间，且所述第一陶瓷电容器的两端分别与所述第一接地金属板和所述第一充电金属板电连接；
所述第一充电金属板设置在所述绝缘环上，且所述开关电极头设置于所述第一充电金属板上。
优选地，所述第二脉冲形成线包括第二充电金属板、第二接地金属板以及若干第二陶瓷电容器；
所述第二陶瓷电容器并排设置于所述第二接地金属板和所述第二充电金属板之间，且所述第二陶瓷电容器的两端分别与所述第二接地金属板和所述第二充电金属板电连接；
所述第二接地金属板设置在所述绝缘环上，所述开关电极头设置于所述第二充电金属板上。
优选地，所述绝缘环的外壁设置有定位导向条。
优选地，所述第一脉冲形成线中的第一陶瓷电容器和/或所述第二脉冲形成线中的第二陶瓷电容器的数量为：
N＝C/C0；
其中，N表示所述第一陶瓷电容器或所述第二陶瓷电容器的数量，C0表示单个陶瓷电容器的电容量，C表示所述第一脉冲形成线或所述第二脉冲形成线的电容量。
在本申请的另一方面，提供了一种方波脉冲功率源，该方波脉冲功率源包括壳体、盖板、高压输出电极、隔离电感、铜柱以及n个如上所述的一种方波脉冲产生模块；
所述高压输出电极设置于所述壳体的底部，n个所述方波脉冲产生模块自所述壳体的底部至所述壳体的顶部依次层叠，且所述第一接地金属板靠近所述壳体的底部侧；
所述铜柱用于将相邻两个所述方波脉冲产生模块的所述第一接地金属板上的输出端和所述第二接地金属板上的接地端导通；
在前n-1个所述方波脉冲产生模块中，所述隔离电感固定设置于所述第一接地金属板的充电端口、所述第二充电金属板的充电端口以及所述第一充电金属板的充电端口处，用于将相邻两个所述方波脉冲产生模块导通；
在第n个所述方波脉冲产生模块中，所述方波脉冲产生模块上设置有触发电极片，且所述触发电极片设置于所述第一脉冲形成线的开关电极头与所述第二脉冲形成线的开关电极头之间，所述触发电极片与安装在所述盖板上的触发插头中的触发电缆连接；所述第一接地金属板的充电端口与所述隔离电感的一端连接，所述隔离电感的另一端与接地弹簧的一端连接，所述接地弹簧的另一端与所述盖板连接；所述第二充电金属板的充电端口以及所述第一充电金属板的充电端口通过充电电缆分别与所述盖板上的两个充电插头连接；所述第二接地金属板上靠近所述开关电极头的所述第二陶瓷电容与所述壳体上的接地杆连接；
其中，第n个所述方波脉冲产生模块为靠近所述盖板侧的所述方波脉冲产生模块，前n-1个所述方波脉冲产生模块为余下的所述方波脉冲产生模块。
现有技术中，一般采用脉冲形成网络(pulse forming network，PFN)作为脉冲产生单元，并基于Marx发生器原理将多个PFN级联构成的PFN-Marx型脉冲功率源，产生具有一定平顶的高功率电脉冲。但实际工作中，PFN-Marx型脉冲功率源产生的脉冲一般具有较大的纹波系数，即脉冲顶部呈波浪形，或者脉冲的平顶占比较小，又或者结构较复杂从而难以实现轻小型化。基于此，本申请提供了一种方波脉冲功率源，提出了由圆弧形脉冲形成线、一体化开关及绝缘盘组成的圆盘形方波脉冲产生模块设计，使得开关位于脉冲产生模块内部，多个模块级联使用时可以直接层叠，不会因为开关的存在而增加装置的轴向长度，装置结构更加紧凑；同时还提出了隔离电感位于绝缘环内部、金属外筒与脉冲形成线同轴的结构设计，将高电压集中于绝缘盘内部，减小了杂散参数对脉冲形成线放电过程的影响，不仅装置结构紧凑，而且输出脉冲波形具有较好的方波特性。
优选地，靠近所述壳体底部的所述方波脉冲产生模块的所述第一接地金属板的输出端与所述高压输出电极存在间隙。
优选地，还包括密封圈，所述密封圈设置于所述盖板与所述壳体之间。
优选地，所述壳体包括绝缘内筒和金属外筒，所述绝缘内筒设置于所述金属外筒内，且所述绝缘内筒的外壁与所述金属外筒的内壁贴合。
优选地，所述绝缘内筒内还间隔设置有多个导向槽，当所述方波脉冲产生模块设置于所述绝缘内筒时，所述方波脉冲产生模块上的定位导向条设置于所述导向槽中。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、在相同工作电压下1个圆环形脉冲形成线组合可以产生2倍于1个圆弧形脉冲形成线的输出电压；
2、开关位于脉冲产生模块内部，多个模块级联使用时可以直接层叠，不会因为开关的存在而增加装置的轴向长度，装置结构更加紧凑；
3、隔离电感位于绝缘盘内部、金属外筒与脉冲形成线同轴的结构设计，将高电压集中于绝缘盘内部，减小了杂散参数对脉冲形成线放电过程的影响，不仅装置结构紧凑，而且输出脉冲波形具有较好的方波特性。
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为本发明方波脉冲产生模块的结构示意图；
图2为本发明第一脉冲形成线的结构示意图；
图3为本发明第二脉冲形成线的结构示意图；
图4为本发明方波脉冲功率源的结构示意图；
图5为本发明盖板的结构示意图；
图6为本发明触发模块的结构及安装示意图；
附图中标记及对应的零部件名称：
1、第一接地金属板；2、第一充电金属板；3、第一陶瓷电容器；4、第二充电金属板；5、第二接地金属板；6、第二陶瓷电容器；7、绝缘环；8、开关电极头；9、铜柱；10、隔离电感；11、定位导向条；12、输出端；13、接地端；14、高压输出电极；15、绝缘内筒；16、金属外筒；17、触发电极片；18、接地杆；19、接地弹簧；20、盖板；21、充电电缆；22、充电插头；23、触发电缆；24、触发插头；25、密封圈。
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方波脉冲产生模块，如图1-3所示，包括绝缘环7以及间隔设置于绝缘环7内的第一脉冲形成线和第二脉冲形成线；具体地，本实施例中的第一脉冲形成线包括第一充电金属板2、第一接地金属板1以及若干第一陶瓷电容器3；其中，第一陶瓷电容器3的数量N由第一脉冲形成线的电容量C及单个第一陶瓷电容器3的电容量C0决定，即：N＝C/C0；本实施例中的第二脉冲形成线包括第二充电金属板4、第二接地金属板5以及若干第二陶瓷电容器6，第二陶瓷电容器6的数量N由第二脉冲形成线的电容量C及单个第二陶瓷电容器6的电容量C0决定，即：N＝C/C0。
在具体实施时，第一陶瓷电容器3并排设置于第一充电金属板2上，且第一陶瓷电容器3的底部通过螺钉与第一充电金属板2连接，并通过该螺钉将第一充电金属板2固定在绝缘环7上(陶瓷电容器朝上)，第一陶瓷电容器3的顶部通过螺钉与第一接地金属板1连接；第二陶瓷电容器6并排设置于第二接地金属板5上，且第二陶瓷电容器6的底部通过螺钉与第二接地金属板5连接，并通过该螺钉将第二接地金属板5固定在绝缘环7上(陶瓷电容器朝上)，陶瓷电容器的顶部通过螺钉与第二充电金属板4连接；开关电极头8通过螺钉分别连接在第一充电金属板2和第二充电金属板4上，形成方波脉冲产生模块内两个脉冲形成线之间的间隙开关。
进一步地，为了后续在安装该方波脉冲产生模块时便于定位，本实施例中的绝缘环7如图1所示，包括一体成型的绝缘底座和绝缘环7壁，且绝缘环7壁上对称设置有定位用的定位导向条11。通过该定位导向条11能够快捷的将该方波脉冲产生模块安装于正确的位置上，避免因安装错误导致的残次品出现，提升准确率和安装效率。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，提成了一种方波脉冲功率源，如图4-6所示，包括壳体、盖板20、高压输出电极14、隔离电感10、铜柱9以及n个如实施例1提供的方波脉冲产生模块。
其中，本实施例中的壳体包括绝缘内筒15和金属外筒16，绝缘内筒15设置于金属外筒16内，且绝缘内筒15的外壁与金属外筒16的内壁贴合；同时，为了快速准确的安装方波脉冲产生模块，本实施例中的绝缘内筒15内还间隔设置有多个定位用的导向槽，当进行方波脉冲产生模块安装时，将方波脉冲产生模块上的定位导向条11设置于导向槽中即可。
本实施例中的盖板20设置有两个充电插头22和一个触发插头24，两根充电电缆21分别通过两个充电插头22安装在金属盖板20上，触发电缆23通过触发插头24安装在金属盖板20上，通过该充电电缆21向方波脉冲功率源充电，通过该触发电缆23触发该方波脉冲功率源放电产生高功率方波电脉冲。
以下，对方波脉冲功率源的生产步骤(结构)进行详细说明：
(1)在绝缘内筒15的底部安装高压输出电极14；
(2)将脉冲产生模块依次安装于绝缘内筒15中；
具体地：
在第一个准备装入绝缘内筒15中的方波脉冲产生模块上用螺钉安装三个隔离电感10，即：三个隔离电感10分别固定设置于第一接地金属板1的充电端口、第二充电金属板4的充电端口以及第一充电金属板2的充电端口处，如图1所示；
然后通过导向槽和定位导向条11将该方波脉冲产生模块装入绝缘内筒15中；其中，隔离电感10朝向绝缘内筒15的顶部；作为优选地，高压输出电极14与该方波脉冲产生模块的第一接地金属板1的输出端12形成一个输出间隙，该间隙大小与该方波脉冲产生模块内的开关间隙相当；
再将第二个方波脉冲产生模块装入绝缘内筒15中，并使得第二个方波脉冲产生模块与第一个方波脉冲产生模块上的三个隔离电感10导通；同时用螺钉穿过第二个方波脉冲产生模块上的第一接地金属板1的输出端12，并将铜柱9固定在第一个方波脉冲产生模块上的第二接地金属板5上的接地端13上；随后在第二个方波脉冲产生模块的第一接地金属板1的充电端口、第二充电金属板4的充电端口以及第一充电金属板2的充电端口处设置三个隔离电感10；
按照相同顺序依次安装余下的方波脉冲产生模块、铜柱9及隔离电感10，直至倒数第二个方波脉冲产生模块。
在安装最后一个方波脉冲产生模块时，为便于描述，将最后一个方波脉冲产生模块称为触发模块，如图6所示，首先用螺钉在第一脉冲形成线的开关电极头8与第二脉冲形成线的开关电极头8之间安装触发电极片17，然后将触发模块装入绝缘内筒15，用螺钉穿过触发模块第一接地金属板1的输出端12，将铜柱9固定在前一个方波脉冲产生模块上的第二接地金属板5的接地端13上；再将接地杆18依次穿过绝缘环7和第二接地金属板5后，与最边上靠近开关电极头8的陶瓷电容连接，并确保接地杆18另一端能够与金属盖板20可靠接触；随后在触发模块的第一接地金属板1的充电端口处安装1个隔离电感10，并在该隔离电感10尾部用螺钉安装接地弹簧19，并使得接地弹簧19与金属盖板20接触；将触发电极片17与安装在盖板20上的触发插头24中的触发电缆23连接；最后将第二充电金属板4的充电端口以及第一充电金属板2的充电端口通过充电电缆21分别与盖板20上的两个充电插头连接。
(3)将密封圈25放入金属外筒16的密封槽内，通过螺钉将金属盖板20与金属外筒16连接在一起即可。
以下，对本方案的原理进行介绍：
在本方案中，将靠近充电端的第一个方波脉冲产生模块(触发模块)内的开关设计为触发开关，其余方波脉冲产生模块中的开关在触发开关导通后，通过过电压击穿导通，所有方波脉冲产生模块串联放电，通过输出电极在阻抗匹配负载上产生具有快前沿的高功率方波电脉冲。此外，由于开关位于脉冲产生模块内部，多个模块级联使用时可以直接层叠，因此不会因为开关的存在而增加装置的轴向长度，使得装置结构更加紧凑；同时，由于隔离电感10位于绝缘环7内部、金属外筒16与脉冲形成线同轴的结构设计，因此可以将高电压集中于绝缘环7内部，从而减小了杂散参数对脉冲形成线放电过程的影响，使得该方波脉冲产生功率源输出脉冲波形具有较好的方波特性。
另外，值得说明的是，本实施例在具体实施时，若金属外筒16接地，需要高压输出电极14输出为负高压，则第二充电金属板4连接的充电电缆21馈入负电、第一充电金属板2连接的充电电缆21馈入正电；反之需要输出正高压，则充电极性反过来即可。
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 (5)

1.一种方波脉冲功率源，其特征在于，包括方波脉冲产生模块，所述方波脉冲产生模块包括绝缘环(7)以及间隔设置于所述绝缘环(7)内的第一脉冲形成线和第二脉冲形成线；
所述第一脉冲形成线的开关电极头(8)与所述第二脉冲形成线的开关电极头(8)相向设置，且所述第一脉冲形成线的开关电极头(8)朝上放电，所述第二脉冲形成线的开关电极头(8)朝下放电；
所述第一脉冲形成线包括第一充电金属板(2)、第一接地金属板(1)以及若干第一陶瓷电容器(3)；
所述第一陶瓷电容器(3)并排设置于所述第一接地金属板(1)和所述第一充电金属板(2)之间，且所述第一陶瓷电容器(3)的两端分别与所述第一接地金属板(1)和所述第一充电金属板(2)电连接；
所述第一充电金属板(2)设置在所述绝缘环(7)上，且所述开关电极头(8)设置于所述第一充电金属板(2)上；
所述第二脉冲形成线包括第二充电金属板(4)、第二接地金属板(5)以及若干第二陶瓷电容器(6)；
所述第二陶瓷电容器(6)并排设置于所述第二接地金属板(5)和所述第二充电金属板(4)之间，且所述第二陶瓷电容器(6)的两端分别与所述第二接地金属板(5)和所述第二充电金属板(4)电连接；
所述第二接地金属板(5)设置在所述绝缘环(7)上，所述开关电极头(8)设置于所述第二充电金属板(4)上；
所述绝缘环(7)的外壁设置有定位导向条(11)；
所述第一脉冲形成线中的第一陶瓷电容器(3)和/或所述第二脉冲形成线中的第二陶瓷电容器(6)的数量为：
N =C/ C 0；
其中，N表示所述第一陶瓷电容器或所述第二陶瓷电容器的数量，C 0 表示单个陶瓷电容器的电容量，C表示所述第一脉冲形成线或所述第二脉冲形成线的电容量；
还包括壳体、盖板(20)、高压输出电极(14)、隔离电感(10)、铜柱(9)以及n个方波脉冲产生模块；
所述高压输出电极(14)设置于所述壳体的底部，n个所述方波脉冲产生模块自所述壳体的底部至所述壳体的顶部依次层叠，且所述第一接地金属板(1)靠近所述壳体的底部侧；
所述铜柱(9)用于将相邻两个所述方波脉冲产生模块的所述第一接地金属板(1)上的输出端(12)和所述第二接地金属板(5)上的接地端(13)导通；
在前n-1个所述方波脉冲产生模块中，所述隔离电感(10)固定设置于所述第一接地金属板(1)的充电端口、所述第二充电金属板(4)的充电端口以及所述第一充电金属板(2)的充电端口处，用于将相邻两个所述方波脉冲产生模块导通；
在第n个所述方波脉冲产生模块中，所述方波脉冲产生模块上设置有触发电极片(17)，且所述触发电极片(17)设置于所述第一脉冲形成线的开关电极头(8)与所述第二脉冲形成线的开关电极头(8)之间，所述触发电极片（17）与安装在所述盖板（20）上的触发插头（24）中的触发电缆（23）连接；所述第一接地金属板(1)的充电端口与所述隔离电感(10)的一端连接，所述隔离电感(10)的另一端与接地弹簧(19)的一端连接，所述接地弹簧(19)的另一端与所述盖板(20)连接；所述第二充电金属板(4)的充电端口以及所述第一充电金属板(2)的充电端口通过充电电缆(21)分别与所述盖板(20)上的两个充电插头连接；所述第二接地金属板(5)上靠近所述开关电极头(8)的所述第二陶瓷电容与所述壳体上的接地杆(18)连接；
其中，第n个所述方波脉冲产生模块为靠近所述盖板(20)侧的所述方波脉冲产生模块，前n-1个所述方波脉冲产生模块为余下的所述方波脉冲产生模块。
2.根据权利要求1所述的一种方波脉冲功率源，其特征在于，靠近所述壳体底部的所述方波脉冲产生模块的所述第一接地金属板(1)的输出端(12)与所述高压输出电极(14)存在间隙。
3.根据权利要求2所述的一种方波脉冲功率源，其特征在于，还包括密封圈(25)，所述密封圈(25)设置于所述盖板(20)与所述壳体之间。
4.根据权利要求3所述的一种方波脉冲功率源，其特征在于，所述壳体包括绝缘内筒(15)和金属外筒(16)，所述绝缘内筒(15)设置于所述金属外筒(16)内，且所述绝缘内筒(15)的外壁与所述金属外筒(16)的内壁贴合。
5.根据权利要求4所述的一种方波脉冲功率源，其特征在于，所述绝缘内筒(15)内还间隔设置有多个导向槽，当所述方波脉冲产生模块设置于所述绝缘内筒(15)时，所述方波脉冲产生模块上的定位导向条(11)设置于所述导向槽中。
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