CN117176114A - 一种匹配型PFL-Marx发生器电路及高压脉冲的产生方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及脉冲功率技术，为解决PFL‑Marx发生器输出脉冲在其叠加过程受到开关导通过程、对地结构电容等的影响，难以输出快前沿、准方波的高压脉冲的问题。而提出一种匹配型PFL‑Marx发生器电路，包括脉冲形成线模块PFL_i和短路开关S_i,脉冲形成线模块PFL₁的高压极与外部充电高压极连接，其低压极与地连接；脉冲形成线模块PFL_i的高压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的低压极之间依次连接有连接传输线CL_i,i+1的高压极、短路开关S_i和连接传输线CL_i+1,i的高压极，脉冲形成线模块PFL_i的高压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的高压极之间连接有高压隔离电感L_h，脉冲形成线模块PFL_i的低压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的低压极之间连接有低压隔离电感L_e；还提出一种匹配型PFL‑Marx发生器电路的高压脉冲的产生方法。

Description

一种匹配型PFL-Marx发生器电路及高压脉冲的产生方法

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种匹配型PFL-Max发生器电路及高压脉冲的产生方法。

背景技术

脉冲功率装置是一种预先存储电能，并在短时间内向负载快速释放的装置，广泛应用于高功率微波、X射线等领域，为了发挥实用价值，必须实现脉冲功率装置的轻小型化。

实际应用中为产生高质量电子束，一般要求脉冲功率装置产生脉冲宽度数十纳秒到百纳秒的快前沿准方波脉冲，传统的脉冲功率装置采用体积庞大的同轴型脉冲形成线产生方波，难以做到轻小型化。PFL-Marx发生器是一种使用脉冲形成线或人工线作为Marx发生器的储能单元的脉冲功率装置，具有升压和脉冲调制一体化的自然优势，是实现脉冲功率装置模块化、轻小型化的最有前途的类型之一。

但是由于PFL-Marx发生器输出脉冲是由多级脉冲形成线或人工线释放的能量叠加形成的，而其叠加过程受到开关导通过程、对地结构电容等的影响，PFL-Marx发生器往往难以输出快前沿准方波脉冲。比如论文《Zhang H,Shu T,Liu S,et al.A Compact Modular5GW Pulse PFN-Marx Generator for Driving HPM Source[J].Electronics,2021,10(5):545》中研制的Marx发生器输出脉冲前沿达到28ns，论文《Vezinet R,Lassalle F,Tortel S,et al.Development of a compact narrow-band high power microwavesystem[C].Power Modulators and High Voltage Conference,IEEE International,2016.》中研制的Marx发生器虽然前沿可达到5ns，但平顶振荡较大，波形品质有进一步提高的空间。

因此需要设计一种PFL-Marx发生器电路，使得各级脉冲形成线输出的能量能够有序叠加，同时减少杂散电容对输出脉冲的影响，以输出快前沿、准方波的高压脉冲。

发明内容

本发明为解决现有PFL-Marx发生器输出的脉冲在其叠加过程受到开关导通过程、对地结构电容等的影响，难以输出快前沿、准方波高压脉冲的问题。而提出一种匹配型PFL-Marx发生器电路及高压脉冲的产生方法。

为实现上述目的，本发明提出的技术解决方案为：

一种匹配型PFL-Marx发生器电路，包括n个脉冲形成线模块PFL_i和短路开关S_i，其中i＝1，2，…，n，n≥2；其特殊之处在于:

当i＝1时，脉冲形成线模块PFL₁的高压极与外部电源的高压极连接，低压极与外部电源的接地端连接；所述脉冲形成线模块PFL₁上连接的连接传输线CL_1,2的低压极与外部电源的接地端以及接传输线CL_2,1的低压极连接；

当1＜i＜n时，脉冲形成线模块PFL_i的高压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的低压极之间依次串联有连接传输线CL_i,i+1的高压极、短路开关S_i和连接传输线CL_i+1,i的高压极；连接传输线CL_i,i-1的低压极、连接传输线CL_i,i+1的低压极、连接传输线CL_i+1,i的低压极、连接传输线CL_i+1,i+2的低压极依次连接；

所述脉冲形成线模块PFL_i的高压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的高压极之间连接有高压隔离电感L_h，脉冲形成线模块PFL_i的低压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的低压极之间连接有低压隔离电感L_e；

当i＝n时,短路开关S_n的一端与连接传输线CL_n,n+1的高压极连接，另一端与外部负载的一端连接，外部负载的另一端与地连接；所述连接传输线CL_n,n+1的低压极与外部负载的低压极连接。

其中高压隔离电感L_h和低压隔离电感L_e起到充电导通、放电隔离的作用；短路开关S_n另一侧与外部负载一侧连接，外部负载的另一侧接地。

进一步地，所述脉冲形成线模块PFL_i的阻抗为Z_i，Z_i满足下述阻抗匹配条件：

Z_i＝Z₀/n,i＝1,2,...,n

所述连接传输线CL_i,i+1的阻抗为Z_i,i+1，连接传输线CL_i+1,i的阻抗为Z_i+1,i；

Z_i,i+1与Z_i+1,i满足下述阻抗匹配条件：

Z_i,i+1＝Z_i+1,i＝iZ₀/n,i＝1,2,...,n-1

Z_i,i+1＝Z₀，i＝n

其中：Z₀为PFL-Marx发生器的匹配负载阻抗。

进一步地，所述脉冲形成线模块PFL_i的传输时间为τ_i，S_i的闭合时刻为t_i，连接传输线CL_i,i+1的传输时间为τ_i,i+1，连接传输线CL_i+1,i的传输时间为τ_i+1,i，且τ_i、t_i、τ_i,i+1与τ_i+1,i满足下述传输时间匹配条件：

τ_i＝τ₀/2-τ_i，i+1，i＝1

τ_i＝τ₀/2，i＝2,3,…,n

其中:τ₀为PFL-Marx发生器的输出脉宽，t₁为短路开关S₁的闭合时刻。

进一步地，所述脉冲形成线模块PFL_i内设置有传输线组件。

进一步地，所述传输线组件为以薄膜或陶瓷等材料作为储能介质的传输线；

或者传输线组件为由脉冲形成网络构成的人工线。

进一步地，所述的短路开关S_i为气体开关，或为半导体开关。

进一步地，所述高压隔离电感L_h和低压隔离电感L_e均采用导线螺旋绕制而成。

同时，本发明还提出了一种匹配型PFL-Marx发生器电路的高压脉冲的产生方法，用于实现一种匹配型PFL-Marx发生器电路，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤一、外部充电高压极与脉冲形成线模块PFL₁高压极连接，并通过各个脉冲形成线模块PFL_i高压极之间连接的高压隔离电感L_h对各个脉冲形成线模块PFL_i并联充电；

步骤二、当短路开关S₁闭合导通时，脉冲形成线模块PFL₁和连接传输线CL_1,2输出的脉冲无反射地进入连接传输线CL_2,1中，并进一步的传输至连接传输线CL_2,1、脉冲形成线模块PFL₂和连接传输线CL_2,3三者的界面处，连接传输线CL_2,1与脉冲形成线模块PFL₂输出的脉冲叠加并无反射的进入连接传输线CL_2,3中继续传输；CL_2,3输出的电压脉冲反向无反射地进入连接传输线CL_2,1和脉冲形成线模块PFL₂中；

步骤三、当短路开关S_i闭合导通时，脉冲形成线模块PFL_i无反射叠加并传输至CL_i,i+1的脉冲继续无反射地进入连接传输线Cl_i+1,i中，并进一步传输至连接传输线CL_i+1,i、脉冲形成线模块PFL_i+1和连接传输线CL_i+1,i+2三者的界面处，连接传输线CL_i+1,i与脉冲形成线模块PFL_i+1输出的脉冲叠加并无反射地进入连接传输线Cl_i+1,i+2中继续传输；连接传输线CL_i+1,i+2输出的电压脉冲反向无反射地进入连接传输线CL_i+1,i和脉冲形成线模块PFL_i+1中；

步骤四、当短路开关S_n闭合导通时，n个脉冲形成线模块PFL_i的电压脉冲叠加并无反射传输至连接传输线CL_n,n+1中，并进一步经短路开关S_n向负载释放，从而得到匹配型PFL-Marx发生器电路输出的高压脉冲。

进一步地，所述n＝15；

脉冲形成线模块PFL_i的阻抗Z_i＝3Ω,i＝1,2,...,15；

所述连接传输线CL_i,i+1的阻抗Z_i,i+1和连接传输线CL_i+1,i的阻抗Z_i+1,i为

Z_i,i+1＝Z_i+1,i＝3i,i＝1,2,...,14

Z_15,16＝45Ω；

设定连接传输线CL_i,i+1的传输时间为0.12ns，连接传输线CL_i+1,i的传输时间为0.18ns时，

所述步骤一中，外部充电高压极通过脉冲形成线模块PFL₁上连接的高压隔离电感L_h进行充电的充电电压为U0；

所述步骤二中，短路开关S₁闭合导通的时刻为0，则脉冲形成线模块PFL₁的传输时间τ₁＝22.38ns；

所述步骤三中，短路开关S_i闭合导通的时刻t_i＝0.3(i-1)ns,i＝2,3,…,14，则脉冲形成线模块PFL_i的传输时间τ_i＝22.5ns,i＝2,3,…,14；

所述步骤四中，短路开关S₁₅闭合导通的时刻为4.2ns,脉冲形成线模块PFL₁₅的传输时间τ₁₅＝22.5ns,从而得到匹配型PFL-Marx发生器电路对外部匹配负载输出电压幅值为7.5U0、脉冲宽度为45ns的快前沿准方波高压脉冲。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

【1】本发明的匹配型PFL-Marx发生器电路中各个脉冲形成线模块PFL_i中储存的能量可以有序地完全叠加并同步释放到外部负载上，而由脉冲形成线模块PFL_i的高压电极和低压电极与地电位之间构成的连接传输线中的杂散能量在主脉冲释放结束后输出到外部负载上，并不能影响主脉冲，进而可以在外部负载上形成高品质的快前沿准方波脉冲，有利于驱动高功率微波产生器件。

【2】本发明匹配型PFL-Marx发生器电路中的脉冲形成线模块PFL_i、连接传输线CL_i,i+1、连接传输线CL_i+1,i以及开关导通时序设计为满足阻抗匹配条件和传输时间匹配条件，可以有效的保证脉冲形成线模块PFL_i的脉冲能量完全叠加到主脉冲中并无反射地传输，最终释放到负载上，从而得到快前沿、准方波高压脉冲，避免了开关导通过程、对地结构电容对PFL-Marx发生器电路的影响。

【3】本发明匹配型PFL-Marx发生器电路的电路结构具有模块化、紧凑化的优点。

附图说明

图1为本发明一种匹配型PFL-Marx发生器电路的电路原理图；

图2为本发明实施例1中匹配型PFL-Marx发生器电路的脉冲叠加形成过程示意图；

图3为本发明实施例2中匹配型PFL-Marx发生器电路输出波形仿真结果示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种匹配型PFL-Marx发生器电路，包括n个脉冲形成线模块PFL_i和短路开关S_i，其中i＝1，2，…，n，n≥2；

当i＝1时，脉冲形成线模块PFL₁的高压极与外部电源的高压极连接，低压极与外部电源的接地端连接；所述脉冲形成线模块PFL₁上连接的连接传输线CL₁₂的低压极与外部电源的接地端以及接传输线CL_2,1的低压极连接；

当1＜i＜n时，脉冲形成线模块PFL_i的高压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的低压极之间依次串联有连接传输线CL_i,i+1的高压极、短路开关S_i和连接传输线CL_i+1,i的高压极；所述连接传输线CL_i,i-1的低压极、连接传输线CL_i,i+1的低压极、连接传输线CL_i+1,i的低压极、连接传输线CL_i+1,i+2的低压极依次连接；

所述脉冲形成线模块PFL₁上连接的连接传输线CL_1,2的低压极一侧与外部电源的接地端连接，其另一侧与连接传输线CL_2,1的低压极连接；

所述脉冲形成线模块PFL_i的高压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的高压极之间连接有高压隔离电感L_h，脉冲形成线模块PFL_i的低压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的低压极之间连接有低压隔离电感L_e；

当i＝n时,,短路开关S_n的一端与连接传输线CL_n,n+1的高压极连接，另一端与外部负载的一端连接，外部负载的另一端与地连接；所述连接传输线CL_n,n+1的低压极与外部负载的低压极连接。

其中高压隔离电感L_h和低压隔离电感L_e起到充电导通、放电隔离的作用，短路开关S_n另一侧与外部负载一侧连接，外部负载的另一侧接地。

脉冲形成线模块PFL_i内设置有传输线组件；传输线组件以薄膜或陶瓷等材料作为储能介质的传输线；传输线组件也可以为由脉冲形成网络构成的人工线。短路开关S_i为气体开关或半导体开关，高压隔离电感L_h和低压隔离电感L_e均采用导线螺旋绕制而成。

所述脉冲形成线模块PFL_i的阻抗为Z_i，其满足下述阻抗匹配条件：

Z_i＝Z₀/n,i＝1,2,...,n

所述连接传输线CL_i,i+1的阻抗为Z_i,i+1，连接传输线CL_i+1,i的阻抗为Z_i+1,i；其中Z_i,i+1与Z_i+1,i满足下述阻抗匹配条件：

Z_i,i+1＝Z_i+1,i＝iZ₀/n,i＝1,2,...,n-1

Z_i,i+1＝Z₀，i＝n

其中：Z₀为PFL-Marx发生器的匹配负载阻抗。

进一步地，所述脉冲形成线模块PFL_i的传输时间为τ_i，S_i的闭合时刻为t_i，连接传输线CL_i,i+1的传输时间为τ_i,i+1，连接传输线CL_i+1,i的传输时间为τ_i+1,i，且τ_i、t_i、τ_i,i+1与τ_i+1,i满足下述传输时间匹配条件：

τ_i＝τ₀/2-τ_i，i+1，i＝1

τ_i＝τ₀/2，i＝2,3,…,n

其中：τ₀为PFL-Marx发生器的输出脉宽，t₁为短路开关S₁的闭合时刻。

同时，本发明还提出一种匹配型PFL-Marx发生器电路的高压脉冲产生方法，包括以下步骤：

步骤一、外部充电高压极与脉冲形成线模块PFL₁高压极连接，并通过各个脉冲形成线模块PFL_i高压极之间连接的高压隔离电感L_h对各个脉冲形成线模块PFL_i并联充电；

步骤二、在t₁时刻，短路开关S₁闭合导通，脉冲形成线模块PFL₁和连接传输线CL_1,2输出的脉冲无反射地进入连接传输线CL_2,1中，并进一步的传输至连接传输线CL_2,1、脉冲形成线模块PFL₂和连接传输线CL_2,3三者的界面处，连接传输线CL_2,1与脉冲形成线模块PFL₂输出的脉冲叠加并无反射的进入连接传输线CL_2,3中继续传输；CL_2,3输出的电压脉冲反向无反射地进入连接传输线CL_2,1和脉冲形成线模块PFL₂中；

步骤三、在时刻，短路开关S_i闭合导通时，脉冲形成线模块PFL_i无反射叠加并传输至CL_i,i+1的脉冲继续无反射地进入连接传输线Cl_i+1,i中，并进一步传输至连接传输线CL_i+1,i、脉冲形成线模块PFL_i+1和连接传输线CL_i+1,i+2三者的界面处，连接传输线CL_i+1,i与脉冲形成线模块PFL_i+1输出的脉冲叠加并无反射地进入连接传输线Cl_i+1,i+2中继续传输；CL_i+1,i+2输出的电压脉冲反向无反射地进入连接传输线CL_i+1,i和脉冲形成线模块PFL_i+1中；

其中，向右传输的幅值iU₀/2、脉宽τ₀的脉冲到达S_i处并进入CL_i+1,i继续无反射地向右传输。

步骤四、短路开关S_n闭合导通，n个脉冲形成线模块PFL_i的电压脉冲叠加并无反射传输至连接传输线CL_n,n+1中，并进一步经短路开关S_n向负载释放，从而得到匹配型PFL-Marx发生器电路输出的高压脉冲。

本实施例1中匹配型PFL-Marx发生器电路的初始状态所有的短路开关S_i处于断开状态，外部电源通过高压隔离电感L_h对各级脉冲形成线模块PFL_i缓慢充电到电压U₀。之后短路开关S_i逐级导通实现脉冲叠加，其叠加过程如图2所示，以下对于脉冲叠加的过程进一步描述如下：

在t₁时刻，短路开关S₁触发闭合，由于阻抗匹配，第一级脉冲形成线模块PFL₁、连接传输线CL_1,2输出的幅值U₀/2、脉宽τ₀的脉冲无反射地进入连接传输线CL_2,1中并继续向右传输；

在t₁+τ_2,1时刻，向右传输的幅值U₀/2、脉宽τ₀的脉冲到达脉冲形成线模块PFL₂界面，同时脉冲形成线模块PFL₂开始向界面传输幅值为U₀/2、脉宽为τ₀的脉冲；在前述匹配阻抗条件下，此处由连接传输线CL_2,1透射进入脉冲形成线模块PFL₂、连接传输线CL_2,3的脉冲电压幅值分别为-U₀/4、U₀/2，反射回CL_2,1的脉冲电压幅值为U₀/4；由脉冲形成线模块PFL₂透射进入连接传输线CL_2,1、连接传输线CL_2,3的脉冲电压幅值分别为-U₀/4、U₀/2，反射回脉冲形成线模块PFL₂的脉冲为U₀/2；

因此，连接传输线CL_2,1透射进入脉冲形成线模块PFL₂的脉冲与脉冲形成线模块PFL₂反射回脉冲形成线模块PFL₂的脉冲相互抵消，连接传输线CL_2,1反射回连接传输线CL_2,1的脉冲与脉冲形成线模块PFL₂透射进入连接传输线CL_2,1的脉冲相互抵消，连接传输线CL_2,1透射进入连接传输线CL_2,3的脉冲与脉冲形成线模块PFL₂透射进入连接传输线CL_2,3的脉冲叠加为幅值U₀、脉宽τ₀的脉冲继续向右传输，即脉冲形成线模块PFL₂的能量完全叠加到主脉冲中并无反射地向右进入连接传输线CL_2,3继续传输。连接传输线CL_2,3输出的电压脉冲则无反射地向左传输进入连接传输线CL_2,1、脉冲形成线模块PFL₂，这部分脉冲达到脉冲形成线模块PFL_i末端反射再向右传输到负载处需要经历而此时主脉冲已经结束，因此其对输出波形影响不需考虑，类似的，后续各级连接传输线中的脉冲向左传输再反射回负载的时间更长，均不影响主脉冲。

在t₁+τ_2,1+τ_2,3时刻，开关短路S₂闭合，向右传输的幅值U₀、脉宽τ₀的脉冲到达短路开关S₂处并进入连接传输线CL_3,2继续无反射地向右传输。

在t₁+τ_2,1+τ_2,3+τ_3,2时刻，向右传输的幅值U₀、脉宽τ₀的脉冲到达PFL₃界面，同时脉冲形成线模块PFL₃开始向界面传输幅值为U₀/2、脉宽为τ₀的脉冲；在前述匹配阻抗条件下，此处由连接传输线CL_3,2透射进入脉冲形成线模块PFL₃、连接传输线CL_3,4的脉冲电压幅值分别为-U₀/3、U₀，反射回连接传输线CL_3,2的脉冲电压幅值为U₀/3；由脉冲形成线模块PFL₃透射进入连接传输线CL_3,2、连接传输线CL_3,4的脉冲电压幅值分别为-U₀/3、U₀/2，反射回脉冲形成线模块PFL₃的脉冲为U₀/3；

因此，CL_3,2透射进入脉冲形成线模块PFL₃的脉冲与脉冲形成线模块PFL₃反射回脉冲形成线模块PFL₃的脉冲相互抵消，连接传输线CL_3,2反射回连接传输线CL_3,2的脉冲与脉冲形成线模块PFL₃透射进入连接传输线CL_3,2的脉冲相互抵消，连接传输线CL_3,2透射进入连接传输线CL_3,4的脉冲与脉冲形成线模块PFL₃透射进入连接传输线CL_3,4的脉冲叠加为幅值3U₀/2、脉宽τ₀的脉冲继续向右传输，即脉冲形成线模块PFL₃的能量完全叠加到主脉冲中并无反射地向右进入连接传输线CL_3,4继续传输。

在时刻，短路开关S_i闭合导通，向右传输的幅值iU₀/2、脉宽τ₀的脉冲到达脉冲形成线模块PFL_i+1界面，同时脉冲形成线模块PFL_i+1开始向界面传输幅值为U₀/2、脉宽为τ₀的脉冲；在前述匹配阻抗条件下，此处由CL_i+1,i透射进入脉冲形成线模块PFL_i+1、连接传输线CL_i+1,i+2的脉冲电压幅值分别为-iU₀/2/(i+1)、iU₀/2，反射回连接传输线CL_i+1,i的脉冲电压幅值iU₀/2/(i+1)；由脉冲形成线模块PFL_i+1透射进入连接传输线CL_i+1,i、连接传输线CL_i+1,i+2的脉冲电压幅值分别为-iU₀/2/(i+1)、U₀/2，反射回脉冲形成线模块PFL_i+1的脉冲为iU₀/2/(i+1)；

因此，连接传输线CL_i+1,i透射进入脉冲形成线模块PFL_i+1的脉冲与脉冲形成线模块PFL_i+1反射回脉冲形成线模块PFL_i+1的脉冲相互抵消，连接传输线CL_i+1,i反射回连接传输线CL_i+1,i的脉冲与脉冲形成线模块PFL_i+1透射进入连接传输线CL_i+1,i的脉冲相互抵消，连接传输线CL_i+1,i透射进入连接传输线CL_i+1,i+2的脉冲与脉冲形成线模块PFL_i+1透射进入连接传输线CL_i+1,i+2的脉冲叠加为幅值(i+1)U₀/2、脉宽τ₀的脉冲继续向右传输，即脉冲形成线模块PFL_i+1的能量完全叠加到主脉冲中并无反射地进入连接传输线CL_i+1,i+2向右继续传输。

n个脉冲形成线模块PFL_i的电压脉冲叠加并向右传输的幅值nU₀/2、脉宽τ₀的脉冲到达短路开关S_n处并向负载释放，从而得到匹配型PFL-Marx发生器电路输出的高压脉冲。

实施例2：

本发明设计的匹配型PFL-Marx发生器电路，将匹配负载阻抗设置为45Ω，对外部负载输出脉冲宽度为45ns，设计的匹配型PFL-Marx发生器的脉冲形成线模块PFL_i的个数为15个。

根据阻抗匹配条件可以计算得到脉冲形成线模块PFL_i的阻抗Z_i、连接传输线CL_i,i+1的阻抗Z_i,i+1、连接传输线CL_i+1,i的阻抗Z_i+1,i分别为：

Z_i＝3Ω,i＝1,2,...,15

Z_i,i+1＝Z_i+1,i＝3i,i＝1,2,...,14

Z_15,16＝45Ω；

设计连接传输线CL_i,i+1、连接传输线CL_i+1,i的传输时间分别为0.12ns、0.18ns，

外部充电高压极通过脉冲形成线模块PFL₁上连接的高压隔离电感L_h进行充电的充电电压为U0；

短路开关S₁闭合时刻为0，则根据传输时间匹配条件计算得到脉冲形成线模块PFL_i的传输时间τ_i、S_i的闭合时刻t_i分别为：

τ₁＝22.38ns；

τ_i＝22.5ns,i＝2,3,...,14

t_i＝0.3(i-1)ns,i＝2,3,...,14；

由图3可以看出，短路开关S₁₅闭合导通的时刻为4.2ns,脉冲形成线模块PFL₁₅的传输时间τ₁₅＝22.5ns,从而得到匹配型PFL-Marx发生器电路对外部匹配负载输出电压幅值为7.5U0、脉冲宽度为45ns的快前沿准方波高压脉冲。

Claims (9)

1.一种匹配型PFL-Marx发生器电路，包括n个脉冲形成线模块PFL_i和短路开关S_i，其中i＝1，2，…，n，n≥2；其特征在于:

当i＝1时，脉冲形成线模块PFL₁的高压极与外部电源的高压极连接，低压极与外部电源的接地端连接；所述脉冲形成线模块PFL₁上连接的连接传输线CL_1,2的低压极与外部电源的接地端以及接传输线CL_2,1的低压极连接；

当1＜i＜n时，脉冲形成线模块PFL_i的高压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的低压极之间依次串联有连接传输线CL_i,i+1的高压极、短路开关S_i和连接传输线CL_i+1,i的高压极；所述连接传输线CL_i,i-1的低压极、连接传输线CL_i,i+1的低压极、连接传输线CL_i+1,i的低压极、连接传输线CL_i+1,i+2的低压极依次连接；

所述脉冲形成线模块PFL_i的高压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的高压极之间连接有高压隔离电感L_h，脉冲形成线模块PFL_i的低压极和脉冲形成线模块PFL_i+1的低压极之间连接有低压隔离电感L_e；

当i＝n时,短路开关S_n的一端与连接传输线CL_n,n+1的高压极连接，另一端与外部负载的一端连接，外部负载的另一端与地连接；所述连接传输线CL_n,n+1的低压极与外部负载的低压极连接。

2.根据权利要求1所述一种匹配型PFL-Marx发生器电路，其特征在于：

所述脉冲形成线模块PFL_i的阻抗为Z_i，Z_i满足下述阻抗匹配条件：

Z_i＝Z₀/n,i＝1,2,...,n

所述连接传输线CL_i,i+1的阻抗为Z_i,i+1，连接传输线CL_i+1,i的阻抗为Z_i+1,i；

Z_i,i+1与Z_i+1,i满足下述阻抗匹配条件：

Z_i,i+1＝Z_i+1,i＝iZ₀/n,i＝1,2,...,n-1

Z_i,i+1＝Z₀，i＝n

其中：Z₀为PFL-Marx发生器的匹配负载阻抗。

3.根据权利要求1或2任一所述一种匹配型PFL-Marx发生器电路，其特征在于：所述脉冲形成线模块PFL_i的传输时间为τ_i，S_i的闭合时刻为t_i，连接传输线CL_i,i+1的传输时间为τ_i,i+1，连接传输线CL_i+1,i的传输时间为τ_i+1,i，且τ_i、t_i、τ_i，i+1与τ_i+1，i满足下述传输时间匹配条件：

τ_i＝τ₀/2-τ_i，i+1，i＝1

τ_i＝τ₀/2，i＝2,3,…,n

其中:τ₀为PFL-Marx发生器的输出脉宽，t₁为短路开关S₁的闭合时刻。

4.根据权利要求3所述的一种匹配型PFL-Marx发生器电路，其特征在于：

所述脉冲形成线模块PFL_i内设置有传输线组件。

5.根据权利要求4所述的一种匹配型PFL-Marx发生器电路，其特征在于：

所述传输线组件为以薄膜或陶瓷材料作为储能介质的传输线；或者传输线组件为由脉冲形成网络构成的人工线。

6.根据权利要求5所述的一种匹配型PFL-Marx发生器电路，其特征在于：

所述短路开关S_i为气体开关或半导体开关。

7.根据权利要求6所述的一种匹配型PFL-Marx发生器电路，其特征在于：

所述高压隔离电感L_h和低压隔离电感L_e均采用导线螺旋绕制而成。

8.一种匹配型PFL-Marx发生器电路的高压脉冲的产生方法，基于权利要求1-7任一所述的一种匹配型PFL-Marx发生器电路，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、外部充电高压极与脉冲形成线模块PFL₁高压极连接，并通过各个脉冲形成线模块PFL_i高压极之间连接的高压隔离电感L_h对各个脉冲形成线模块PFL_i并联充电；

步骤二、当短路开关S₁闭合导通时，脉冲形成线模块PFL₁和连接传输线CL_1,2输出的脉冲无反射地进入连接传输线CL_2,1中，并进一步的传输至连接传输线CL_2,1、脉冲形成线模块PFL₂和连接传输线CL_2,3三者的界面处，连接传输线CL_2,1与脉冲形成线模块PFL₂输出的脉冲叠加并无反射的进入连接传输线CL_2,3中继续传输；CL_2,3输出的电压脉冲反向无反射地进入连接传输线CL_2,1和脉冲形成线模块PFL₂中；

步骤三、当短路开关S_i闭合导通时，脉冲形成线模块PFL_i无反射叠加并传输至CL_i,i+1的脉冲继续无反射地进入连接传输线Cl_i+1,i中，并进一步传输至连接传输线CL_i+1,i、脉冲形成线模块PFL_i+1和连接传输线CL_i+1,i+2三者的界面处，连接传输线CL_i+1,i与脉冲形成线模块PFL_i+1输出的脉冲叠加并无反射地进入连接传输线Cl_i+1,i+2中继续传输；连接传输线CL_i+1,i+2输出的电压脉冲反向无反射地进入连接传输线CL_i+1,i和脉冲形成线模块PFL_i+1中；

步骤四、当短路开关S_n闭合导通时，n个脉冲形成线模块PFL_i的电压脉冲叠加并无反射传输至连接传输线CL_n,n+1中，并进一步经短路开关S_n向负载释放，从而得到匹配型PFL-Marx发生器电路输出的高压脉冲。

9.根据权利要求8所述的一种匹配型PFL-Marx发生器电路的高压脉冲的产生方法，其特征在于：

所述n＝15；

脉冲形成线模块PFL_i的阻抗Z_i＝3Ω,i＝1,2,...,15；

所述连接传输线CL_i,i+1的阻抗Z_i,i+1和连接传输线CL_i+1,i的阻抗Z_i+1,i为

Z_i,i+1＝Z_i+1,i＝3i,i＝1,2,...,14

Z_15,16＝45Ω；

设定连接传输线CL_i,i+1的传输时间为0.12ns，连接传输线CL_i+1,i的传输时间为0.18ns时，

所述步骤一中，外部充电高压极通过脉冲形成线模块PFL₁上连接的高压隔离电感L_h进行充电的充电电压为U0；

所述步骤二中，短路开关S₁闭合导通的时刻为0，则脉冲形成线模块PFL₁的传输时间τ₁＝22.38ns；

所述步骤三中，短路开关S_i闭合导通的时刻t_i＝0.3(i-1)ns,i＝2,3,…,14，则脉冲形成线模块PFL_i的传输时间τ_i＝22.5ns,i＝2,3,…,14；

所述步骤四中，短路开关S₁₅闭合导通的时刻为4.2ns,脉冲形成线模块PFL₁₅的传输时间τ₁₅＝22.5ns,从而得到匹配型PFL-Marx发生器电路对外部匹配负载输出电压幅值为7.5U0、脉冲宽度为45ns的快前沿准方波高压脉冲。