CN206698197U

CN206698197U - 一种脉冲形成电路及ltd模块

Info

Publication number: CN206698197U
Application number: CN201720441324.8U
Authority: CN
Inventors: 周良骥; 王勐; 刘宏伟; 陈林; 邹文康
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2027-04-25

Abstract

本实用新型公开了一种脉冲形成电路及LTD模块，所述电路包括：两个基波电容、两个谐波电容、一个开关，其中，每个基波电容和对应的一个谐波电容并联构成一组电容器，第一组电容器一端接地，第一组电容器另一端与开关的一端连接，开关的另一端与第二组电容器一端连接，第二组电容器另一端接地，解决了现有的方波LTD空间设计不合理，开关数量较多，规模大成本高的技术问题，实现了简化了脉冲形成电路及LTD模块，使得LTD模块结构简单紧凑，开关数量较少，成本较低，保障运行可靠性的技术效果。

Description

一种脉冲形成电路及LTD模块

技术领域

本实用新型涉及脉冲功率技术研究领域，具体地，涉及一种脉冲形成电路及LTD模块。

背景技术

脉冲功率技术是通过将能量在时间和空间上的压缩，产生极高功率电脉冲的技术。直线变压驱动源(Linear Transformer Driver,LTD)是俄罗斯强流电子学研究所(HighCurrent Electronics Institute，HCEI)实用新型的一种新型脉冲功率技术，其技术的核心是：通过将容量较大的储能电容“化整为零”，分为很多容量较小的电容器并联，每个电容器配置独立的开关，构成很多并联的基本放电单元，每个基本放电单元的放电周期很短，可以直接产生快前沿的脉冲，不需要传统脉冲功率技术庞大复杂的脉冲压缩网络。通过多个基本放电单元的并联组成一个模块输出大电流，再通过多个模块的串联输出高电压。

LTD的电路本质上是一RLC振荡电路，电流上升时间τ～(LC)^1/2。要缩短电流上升时间，必须减小LC之积。通过优化开关、电容器及回路设计来减小电感已近极限且潜力甚小；而要保证一定的储能，在不提高充电电压的前提下，电容C不能太小。为解决这个问题做如下考虑：电容器C在充电电压为U时，储能为：

电容器通过开关放电，设电容器的内电感为L_c，开关电感为L_s，则电流上升时间为：

将C均分为n等份，每个小电容器电容量为C/n，每个小电容器通过独立的开关放电。由于电容器内部采用无感绕法，其内电感主要取决于引出电极的结构，不会因电容量减小而增大，姑且设其仍为L_c；忽略开关火花通道电感随电流大小的变化，设其仍为L_s，则电流上升时间为：

此时总的储能为

可见，总储能未变，而电流上升时间减小为原来的n^-1/2。将电容“化整为零”，电流通过多个开关多路并联汇流，本质上减小了单位电容量对应的电感，这就是LTD的快脉冲输出原理。

在脉冲功率技术的很多重要应用领域，需要方波脉冲。LTD技术虽然能够直接产生快前沿脉冲，且装置体积较小，但其基于电容器放电的技术只能产生类似正弦的波形(图2)，无法产生近似方波脉冲。近年来，俄罗斯HCEI的Kim提出一种能够产生近似方波的LTD技术，其原理是将LTD模块中的多个基本放电单元分成两类，一类为基波单元，提供输出脉冲的主要能量，一类为谐波支路，能够产生更快振荡周期的脉冲，通过合理设计两类基本放电单元的电参数，并合理配置两类基本放电单元的个数，按照傅里叶理论，两类基本放电单元输出的脉冲可以叠加为近似的方波脉冲。

现有的方波LTD技术需要独立的谐波单元，该放电单元电容器很小，对输出脉冲贡献的能量很小，却占据同样的空间，且需要独立的开关。这样的配置不利于空间的利用，且很大程度是增加了开关的数量。开关数量的增加使装置规模和造价增加，同时，使得系统复杂程度增加，运行可靠性下降。由于LTD中所有开关均需要外触发，开关数量的增加直接导致对触发系统技术要求的提高，增加了触发系统的技术难度和复杂程度。

实用新型内容

本实用新型提供了一种脉冲形成电路及LTD模块，解决了现有的方波LTD空间设计不合理，开关数量较多，规模大成本高的技术问题，实现了简化了脉冲形成电路及LTD模块，使得LTD模块结构简单紧凑，开关数量较少，成本较低，保障运行可靠性的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种简化脉冲形成电路，所述电路包括：

两个基波电容、两个谐波电容、一个开关，其中，每个基波电容和对应的一个谐波电容并联构成一组电容器，第一组电容器一端接地，第一组电容器另一端与开关的一端连接，开关的另一端与第二组电容器一端连接，第二组电容器另一端接地。

简化的脉冲形成电路，其基本原理基于傅里叶谐波叠加，该脉冲形成电路仅包含基波支路和一次谐波支路，省略了所有高次谐波支路，在基于基波和一次谐波叠加的框架下，通过调整基波和一次谐波的细微参数，实现在一定负载条件下输出近似方波的目的。

本申请中的技术方案以简化的脉冲形成电路为基本单元，产生初级方波脉冲，采用传统直线变压驱动源的电路框架进行功率叠加，产生近似方波的高功率电脉冲；优势是电路简单，所需开关个数少，能够提高运行可靠性。

进一步的，基波电容和对应的谐波电容并联与负载连接后接地。

进一步的，本申请还提供了一种LTD模块，所述LTD模块由多个权利要求1所述的脉冲形成电路并联组成，所有脉冲形成电路的输出端正极连接LTD模块的输出端正极，所有脉冲形成电路的输出端负极连接LTD模块的输出端负极。

进一步的，多个脉冲形成电路的排列呈轮辐状，且按照圆周均匀排列。主要是由于次级需采用同轴结构的传输线，初级只有如此排列才能使各个支路的结构参数相同，同时使结构电感最小。

本申请提供了基于简化脉冲形成电路的方波LTD，利用一种新型的简化的脉冲形成电路取代前述传统LTD中的基本放电单元，这种新型的简化的脉冲形成电路基波电容和谐波电容直接并联，且共用同一个开关放电，能够直接输出近似方波脉冲。每个基本放电单元仅包含一个开关，不增加开关个数和系统复杂程度。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

解决了现有的方波LTD空间设计不合理，开关数量较多，规模大成本高的技术问题，实现了简化了脉冲形成电路及LTD模块，使得LTD模块结构简单紧凑，开关数量较少，成本较低，保障运行可靠性的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；

图1a-b是本申请中LTD电路原理示意图；

图2是传统LTD输出的类正弦波形示意图；

图3是本申请中基于简化的脉冲形成电路的基本放电单元电路图；

图4a-b是本申请中LTD模块构成示意图；

图5是本申请中LTD模块模拟输出波形示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1a-b，本实用新型的核心是利用一种新型的简化的脉冲形成电路取代前述传统LTD中的基本放电单元，这种新型的简化的脉冲形成电路包含两个基波电容和两个谐波电容，其中每个基波电容和谐波电容并联构成一组，两组电容器与一个开关串联构成放电回路，能够直接输出近似方波脉冲。通过多个基本放电单元并联构建LTD模块，由于每个基本放电单元仅包含一个开关，这种LTD模块能够输出方波却不增加开关个数和系统复杂程度。基于简化的脉冲形成电路的基本放电单元电路图如图3所示，图中C、R_c和L_c依次串联表示基波电容，其中C为基波电容的电容量，R_c为基波电容的内阻，L_c为基波电容的内部寄生电感；C₁、 R_c1和L_c1依次串联表示谐波电容，其中C₁为谐波电容的电容量，R_c1为谐波电容的内阻，L_c1为谐波电容的内部寄生电感；S和两个L_s串联表示开关，其中S为开关的导通控制，L_s为开关的电感；L_load为负载的寄生电感。连接方式为：基波电容(C、R_c和L_c依次串联)与谐波电容(C₁、R_c1和L_c1依次串联)并联；L_e为基波电容和谐波电容之间的连接电感。L_b为基波电容和谐波电容并联后与负载和地之间的连接电感；两组电容器(分别由一个基波电容和一个谐波电容并联而成)与开关(L_s、S和L_s依次串联表示)串联构成一个完整的基波放电单元。

LTD模块内部构成如图4所示，为一个开关对应了2个基波电容和2个谐波电容，图4a是侧视剖面图，可见左右两侧各一个基波电容和一个谐波电容；图4b为俯视图，只能看到一侧的基波电容和谐波电容，另一侧的级别电容和谐波电容在正下方，不可见；图4a左为剖面图，显示LTD模块内部开关和电容器等元器件的连接方式，一个基波电容器和一个谐波电容器并联为一组，然后一组电容器+开关+一组电容器依次串联，构成一个基本放电支路；图4b为LTD模块俯视图，显示多个(本例为10个)基本放电支路并联组成一个LTD模块的方式，多个基本放电支路呈轮辐状圆周排列，所有基本放电支路的输出端正极连接LTD模块的输出端正极，所有基本放电支路的输出端负极连接LTD模块的输出端负极。模拟输出波形如图5所示。

模拟输出波形如图5所示，可以输出明显具有方波特征的电压波形，区别于单纯RLC放电的类正弦波形。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种脉冲形成电路，其特征在于，所述电路包括：

两个基波电容、两个谐波电容、一个开关，其中，每个基波电容和对应的一个谐波电容并联构成一组电容器，第一组电容器一端连接电路正输出端，第一组电容器另一端与开关的一端连接，开关的另一端与第二组电容器一端连接，第二组电容器另一端连接电路负输出端。

2.根据权利要求1所述的脉冲形成电路，其特征在于，基波电容和对应的谐波电容并联与负载连接后接地。

3.根据权利要求1所述的脉冲形成电路，其特征在于，C、R_c和L_c依次串联组成基波电容，其中，C为基波电容的电容量，R_c为基波电容的内阻，L_c为基波电容的内部寄生电感；C₁、R_c1和L_c1依次串联组成谐波电容，其中，C₁为谐波电容的电容量，R_c1为谐波电容的内阻，L_c1为谐波电容的内部寄生电感。

4.一种LTD模块，其特征在于，所述LTD模块由多个权利要求1所述的脉冲形成电路并联组成，所有脉冲形成电路的输出端正极连接LTD模块的输出端正极，所有脉冲形成电路的输出端负极连接LTD模块的输出端负极。

5.根据权利要求4所述的LTD模块，其特征在于，多个脉冲形成电路的排列呈轮辐状，且按照圆周均匀排列。