CN207518492U

CN207518492U - 一种基于Marx电路的重频高压纳秒脉冲源

Info

Publication number: CN207518492U
Application number: CN201721721082.4U
Authority: CN
Inventors: 戴文峰; 冯传均; 何泱; 伍友成; 耿力东; 王敏华; 曹龙博
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2018-06-19
Anticipated expiration: 2027-12-12

Abstract

本实用新型涉及脉冲功率源技术领域，特别是一种基于Marx电路的重频高压纳秒脉冲源。本实用新型中高压充电电源的一电压依次通过第i隔离电感L_i分别对应连接第i高压脉冲储能电容C_i的右端，为该高压脉冲储能电容进行充电；高压充电电源输出的另一电压通过第j隔离电感L_j分别对应连接第j个高压脉冲储能电容C_j的左端，为该高压脉冲储能电容进行充电；触发源输出单极性脉冲电压分别对应连接到X个三电极陶瓷气体放电管的中间触发极；第k隔离电感L_k分别为第i高压脉冲储能电容C_i、第j高压脉冲储能电容C_j的对地隔离电感，C_2N的右端连接脉冲源的高压插头。

Description

一种基于Marx电路的重频高压纳秒脉冲源

技术领域

本实用新型涉及脉冲功率源技术领域，特别是一种基于Marx电路的重频高压纳秒脉冲源。

背景技术

脉冲功率是由慢储能快释放而形成的高功率，脉冲功率的应用包括国防、能源、空间科学等方面，同时也通过等离子体技术和放电技术在工业上得到广泛的应用。小型化、重复频率运行是脉冲功率技术实用化的一个发展方向，高功率重复频率开关作为关键部件之一，目前高功率脉冲功率源主开关多采用三电极气体开关，为了使三电极气体开关重频触发导通，需要具备性能良好的重频高压纳秒脉冲源，同时要求脉冲源满足小型化、轻量化、一体化、便携要求。

Marx发生器是一种普遍采用的高压脉冲源，Marx发生器以高储能密度和低电感的电器组为其主体构架，利用电容充放电的方式来产生指数衰减形高压脉冲。

传统的Marx发生器的工作原理是将若干电容器组进行并联，对其充电后，电容器通过球间隙触发开关和火花隙开关串联放电，输出幅度倍增的脉冲电压。但是球间隙触发开关和火花隙开关作为触发控制和自击穿开关，存在体积大、重复频率低，稳定性差；同时Marx发生器存在体积大、重量重、不便携等特点。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于Marx电路的重频高压纳秒脉冲源。用于三电极气体开关重频触发控制，能够实现重频高压纳秒脉冲输出，脉冲幅度30～80KV可调，脉冲频率、脉冲个数可调，脉冲上升沿小于10ns，脉冲宽度大于50ns。同时满足小型化、轻量化、一体化、便携要求。

本实用新型采用的技术方案是这样的：

一种基于Marx电路的重频高压纳秒脉冲源包括集成在矩形金属箱内设置在PCB板上并进行整体灌封的高压充电电源、触发源、2N个高压脉冲储能电容、3N个隔离电感、p个三电极陶瓷气体放电管、N-p个两电极陶瓷气体放电管以及高压插头；p范围是1到N-1；

2N个高压脉冲储能电容依次串联；第i高压脉冲储能电容C_i与第j个高压脉冲储能电容C_j之间N个连接节点，分别依次对应设置p个三电极陶瓷气体放电管以及N-p个两电极陶瓷气体放电管共N个陶瓷气体放电管；i范围为1到N；j范围是N+i到2N；

高压充电电源的一电压依次通过第i隔离电感L_i分别对应连接第i高压脉冲储能电容C_i的右端，为该高压脉冲储能电容进行充电，第1隔离电感L₁到第i隔离电感L_i依次串联；

高压充电电源输出的另一电压通过第j隔离电感L_j分别对应连接第j个高压脉冲储能电容C_j的左端，为该高压脉冲储能电容进行充电，第N+1隔离电感L_N+1到第j隔离电感L_j隔离电感依次串联；触发源输出单极性脉冲电压分别对应连接到X个三电极陶瓷气体放电管的中间触发极；

第k隔离电感L_k分别为第i高压脉冲储能电容C_i、第j高压脉冲储能电容C_j的对地隔离电感，C_2N的右端连接脉冲源的高压插头；x范围是1到N；k范围是2N+1到3N。

进一步的，重频高压纳秒脉冲源还包括高压二极管组，高压充电电源输出的两电压分别通过高压二极管的第一二极管、第二二极管后输出；触发源输出的电压通过高压二极管组的第三二极管。

进一步的，所述高压插头输出到第i隔离电感L_i电压值的N倍；高压充电电源输出的一电压与高压充电电源输出的另一电压是极性相反的电压值。

进一步的，所述2N个高压脉冲储能电容成一字形排列在PCB板上。

进一步的，所述隔离电感采用高压漆包线绕制，将高压漆包线绕在有机玻璃骨架上。

进一步的，所述三电极陶瓷气体放电管包括三极气体放电管以及两个均压电阻；三级气体放电管输入电极与触发电极之间、三级气体放电管输出电极与触发电极之间分别对应设置均压电阻，使得三级气体放电管触发保存在零电位。

进一步的，所述高压充电电源、触发源采用外部光纤信号控制，能够实现远程控制。

进一步的，所述高压充电电源、触发源与2N个高压脉冲储能电容、3N个隔离电感、p个三电极陶瓷气体放电管、N-p个两电极陶瓷气体放电管以及高压插头分区设置。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、通过本装置与现有技术Marx发生器电路结构进行对比，本实用新型专利中采用全电感隔离型双边充电结构。充电电源对高压脉冲储能电容的均匀性、充电时间得到改善，有利于提高输出频率；在输出电压相同时，其级数减少一半，触发开关和自击穿开关的总数也相应减少一半，系统稳定性提高，结构更加紧凑。

2、采用三电极陶瓷气体放电管为触发开关替代球间隙触发开关、两电极陶瓷气体放电管为自击穿开关替代火花隙开关。减小了开关体积，提高了开关工作频率和稳定性，并且陶瓷气体放电管在印制电路板上固定方便。

3、高压脉冲储能电容、隔离电感、三电极陶瓷气体放电管、两电极陶瓷气体放电管，采用印制电路板(PCB)进行电路连接和元件固定，输出连接高压插头，并且采用有机硅凝胶进行整体灌封，提高元件之间的绝缘强度，减小元件绝缘距离，使其结构紧凑、体积小、性能稳定，同时不受外界温度、湿度、气压等干扰因素的影响；

4、所述正负充电电源、触发源、高压脉冲储能电容、隔离电感、三电极陶瓷气体放电管、两电极陶瓷气体放电管、高压插头均放置金属箱体內，提高抗电磁干扰能力，实现一体化设计。

5、高压充电电源、触发源采用外部光纤信号控制，能够实现远程控制。

附图说明

图1是一实施例(N为5)的电路结构示意图。

1-区域1 2-区域2

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型包括：

1、集成在矩形金属箱内设置在PCB板上并进行整体灌封的高压充电电源、触发源、2N个高压脉冲储能电容、3N个隔离电感、p个三电极陶瓷气体放电管、N-p个两电极陶瓷气体放电管以及高压插头；p范围是1到N-1；

更具体的，2N个高压脉冲储能电容依次串联；第i高压脉冲储能电容C_i与第j个高压脉冲储能电容C_j之间N个连接节点，分别依次对应设置p个三电极陶瓷气体放电管以及N-p个两电极陶瓷气体放电管共N个陶瓷气体放电管；i范围为1到N；j范围是N+i到2N；

更具体的，高压充电电源的一电压依次通过第i隔离电感L_i分别对应连接第i高压脉冲储能电容C_i的右端，为该高压脉冲储能电容进行充电，第1隔离电感L₁到第i隔离电感L_i依次串联；

更具体的，高压充电电源输出的另一电压通过第j隔离电感L_j分别对应连接第j个高压脉冲储能电容C_j的左端，为该高压脉冲储能电容进行充电，第N+1隔离电感L_N+1到第j隔离电感L_j隔离电感依次串联；触发源输出单极性脉冲电压分别对应连接到X个三电极陶瓷气体放电管的中间触发极；

更具体的，第k隔离电感L_k分别为第i高压脉冲储能电容C_i、第j高压脉冲储能电容C_j的对地隔离电感，C_2N的右端连接脉冲源的高压插头；x范围是1到N；k范围是2N+1到3N。

其中第1隔离电感L₁到第i隔离电感L_i依次串联指的是高压充电电源一电压通过隔离电感L1连接高压脉冲储能电容C1右端，为C1充电；高压充电电源一电压通过隔离电感L1以及隔离电感L2连接高压脉冲储能电容C2右端，为C2充电；高压充电电源一电压通过隔离电感L1、隔离电感L2……以及隔离电感Li连接高压脉冲储能电容C_i右端，为C_i充电；i范围为1到N；

高压充电电源输出的另一电压通过第j隔离电感L_j分别对应连接第j个高压脉冲储能电容C_j的左端，为该高压脉冲储能电容进行充电，第N+1隔离电感L_N+1到第j隔离电感L_j隔离电感依次串联；其中，第N+1隔离电感L_N+1到第j隔离电感L_j隔离电感依次串联指的是高压充电电源另一电压通过隔离电感L_N+1连接高压脉冲储能电容C_N+1，为C_N+1左端充电；高压充电电源一电压通过隔离电感L_N+1以及隔离电感L_N+2连接高压脉冲储能电容_N+2，为C_N+2左端充电；高压充电电源一电压通过隔离电感L_N+1、隔离电感L_N+2……以及隔离电感Lj连接高压脉冲储能电容Cj，为Cj左端充电；触发源输出单极性脉冲电压分别对应连接到X个三电极陶瓷气体放电管的中间触发极；j范围是N+1到2N。

其中，左端指的是电流流向中相比右端更加远离高压插头的一端；右端指的是电流流向中相比左端更加接近高压插头的一端。

工作过程是：

步骤1:高压充电电源输出正极电压(或负极电压)通过Li分别对应与Ci右端连接，为Ci充电；高压充电电源输出负极电压(或正极电压)通过Lj分别对应与Cj左端连接，为Cj充电；高压充电电源输出电压极性可以正负极相互变化；

步骤2：触发源输出触发信号，三电极陶瓷气体放电管的中间触发极触发后，前端所有三电极陶瓷气体放电管导通后，后端二电极陶瓷气体放电管过电压击穿，二电极陶瓷气体放电管导通；高压插头输出电压为N倍的正极电压(或负极电压)。

实施例一：如图1所示，本装置包括1个高压充电电源、1个触发源、10个高压脉冲储能电容、15个隔离电感、2个三电极陶瓷气体放电管、3个两电极陶瓷气体放电管、1个高压插头。正负充电电源V1输出±10KV电压，+10KV电压连接二极管V2，通过隔离电感L6～L10连接C6、C7、C8、C9、C10的左端进行充电，-10KV电压连接二极管D1，通过隔离电感L1～L5连接C1、C2、C3、C4、C5的右端为其进行充电。触发源V2输出10KV单极性脉冲电压，通过二极管D3连接到三电极陶瓷气体放电管K1、K2的中间触发极；三电极陶瓷气体放电管K1、K2分别串联在C1和C6、C2和C7中间；两电极陶瓷气体放电管K3、K4、K5分别串联在C3和C8、C4和C9、C5和C10的中间；L11～L15为C1和C6、C2和C7、C3和C8、C4和C9、C5和C10的对地隔离电感，C10的右端连接脉冲源的高压插头；高压脉冲储能电容、隔离电感、三电极陶瓷气体放电管、两电极陶瓷气体放电管，采用印制电路板(PCB)进行电路连接和元件固定，输出连接高压插头，并且采用有机硅凝胶进行整体灌封，放置在区域2；正负充电电源、脉冲源采用外部光纤信号控制，放置在区域1；所述正负充电电源、触发源、高压脉冲储能电容、隔离电感、三电极陶瓷气体放电管、两电极陶瓷气体放电管、高压插头均放置金属箱体內。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于Marx电路的重频高压纳秒脉冲源，其特征在于包括集成在矩形金属箱内设置在PCB板上并进行整体灌封的高压充电电源、触发源、2N个高压脉冲储能电容、3N个隔离电感、p个三电极陶瓷气体放电管、N-p个两电极陶瓷气体放电管以及高压插头；p范围是1到N-1；N为大于等于1的正整数；

2.根据权利要求1所述的重频高压纳秒脉冲源，其特征在于还包括高压二极管组，高压充电电源输出的两电压分别通过高压二极管的第一二极管、第二二极管后输出；触发源输出的电压通过高压二极管组的第三二极管。

3.根据权利要求1所述的重频高压纳秒脉冲源，其特征在于所述高压插头输出到第i隔离电感L_i电压值的N倍；高压充电电源输出的一电压与高压充电电源输出的另一电压是极性相反的电压值。

4.根据权利要求1所述的重频高压纳秒脉冲源，其特征在于所述2N个高压脉冲储能电容成一字形排列在PCB板上。

5.根据权利要求1所述的重频高压纳秒脉冲源，其特征在于所述隔离电感采用高压漆包线绕制，将高压漆包线绕在有机玻璃骨架上。

6.根据权利要求1所述的重频高压纳秒脉冲源，其特征在于所述三电极陶瓷气体放电管包括三极气体放电管以及两个均压电阻；三级气体放电管输入电极与触发电极之间、三级气体放电管输出电极与触发电极之间分别对应设置均压电阻，使得三级气体放电管触发保存在零电位。

7.根据权利要求1所述的重频高压纳秒脉冲源，其特征在于所述高压充电电源、触发源采用外部光纤信号控制，能够实现远程控制。

8.根据权利要求1所述的重频高压纳秒脉冲源，其特征在于所述高压充电电源、触发源与2N个高压脉冲储能电容、3N个隔离电感、p个三电极陶瓷气体放电管、N-p个两电极陶瓷气体放电管以及高压插头分区设置。