TWI552182B - 低電感積體電容組件 - Google Patents

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TWI552182B TW099145184A TW99145184A TWI552182B TW I552182 B TWI552182 B TW I552182B TW 099145184 A TW099145184 A TW 099145184A TW 99145184 A TW99145184 A TW 99145184A TW I552182 B TWI552182 B TW I552182B
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Description

低電感積體電容組件
本發明係關於一種電容元件，尤指一種高電壓積體電容組件。
電容常被使用於脈波功率應用的電路配置上，例如氣體放電雷射的運作需要快速、高電壓、高電流的脈衝。在這些應用上，為了要得到某些倍壓的形式或低電感高電流的放電操作，習知之LC反轉與電容轉移電路配置為最常被使用的方法。以上將以圖1及圖2分別概略敘述上述二個電路配置。
在LC反轉放電電路中(如圖1所示)，兩相同的電容1，2係以並聯方式充電。當切換間隙被觸發而對電容放電後，將存在一電壓振盪導至電壓反轉。切換裝置兩端將存在一微小的電壓阻尼，切換裝置例如火花間隙切換裝置或軌道間隙切換裝置4，兩電容兩端的電壓可近似為一倍頻電壓，該倍頻電壓係供應至雷射通道裝置3，而引發氣體介質的電崩潰。在此係假設充電元件5為一具有高電阻值之電阻或一具有適當電感值之電感。
在電容轉移電路(圖2)中，係使用兩個不相同的電容。大電容值電容6先被充電至全電壓，接著被觸發以對火花間隙切換裝置9進行放電。部分的儲存電荷將被轉移至一般為小三到四倍之峰值電容7，而導致氣體雷射通道8兩端之電 壓近似倍增。為了能獲得低電路電感操作，較小的峰值電容的配置將盡可能靠近放電通道以對放電通道快速放電。如同LC反轉放電電路中，充電元件5亦為一電阻或電感。
常被使用於脈波功率應用電路配置上的三種不同種類的電容係為，平板平行電容、浸油式折疊聚酯樹脂/紙板薄膜電容(oil impregnated folded Mylar®/paper foil capacitors)、以及陶瓷高頻耦合電容。
平板平行電容在一般大氣環境下運作，且並未經過浸油，並使用相對厚的聚酯樹脂薄膜做為絕緣層。主要使用於需要低電壓操作的雷射，如10到20kv的低電壓操作雷射，其相對電容值在10到25nF，兩電容15係由三片鋁片夾置些許聚具適當厚度的酯樹脂薄片層所構成，以如圖3所示之方式一片一片堆疊而上。
雷射通道14直接與電容的上電極板15a與下電極板15c連接，而當火花間隙裝置16連接至極板15b與15c的對邊時形成一低電路電感。傳輸線式LC反轉電路(即公眾所知之Blumlein電路)的兩種電路配置或電容轉移電路配置，根據電容值的大小以及連接至雷射通道與火花間隙裝置的方式而輕易的獲得。
由於這類平板電容之緊密電路放電迴路的放電，可達成相對低之電路電感。然而，平板電容之相對低操作電壓及其小電容值最主要的缺點。如此限制了一0.5公分長之雷射放電通道之最大放電電流為數十千安培，不論其是否被連接以使用於LC反轉或電容轉移電路中。
另一方面，浸油式折疊聚酯樹脂/紙板薄膜電容係可用於從15至200nF之大範圍之電感值，且電壓於20至100kv之間。
美國專利號US 3,711,746特別於圖2中描述折疊這些電容的基本方法。兩鋁薄膜電極與兩介電材料組係依序以鋁、介電材料、鋁、及介電材料一一堆疊於另一之上。之後再被數次扁平折疊成矩形或方形之尺寸，以構成一電容部分。介電材料典型地由兩片聚酯樹脂所構成，且被二或三片牛皮紙片夾置於其中。成對之鋁薄膜突片係沿著折疊電容之側邊被置入以與電極電性連接。這些多樣單位之電容部分則再被堆疊及藉由適當捲曲之堆疊部分之相鄰突片串聯連接，以使其能在高電壓操作。這些完成的單位係在被浸入蓖麻油並封入容器中前，於真空中被徹底的烘烤並烘乾。
這些電容係被利用於商業上，不同尺寸以符合不同的電容值與電壓範圍。電容製造商宣稱這些獨立電容之微小自感值係介於15到25nH之間，近似12公分平方，3公分厚之折疊薄膜電容單元。由於此一相對大電容電感值及相對應之大放電迴路電感，這樣的商業用折疊薄膜電容並不適用於高峰值放電電流LC反轉電路或於電容轉移電路中做為峰值電容。這些折疊薄膜電容之獨立單元常被在電容轉移電路中做為儲存電容使用。
陶瓷門把狀電容(圖4)係以不同尺寸製造，其電容值係在0.1至10nF之間，電壓值在15至40kV之間。較大的單元 係常做為儲存電容使用，係將此種電並聯連接。較小的單元係做為峰值電容使用，且一般連接到兩沿著放電電極之兩側之陣列。陶瓷門把狀電容之示例揭露於美國專利號US 4,939,620及US 3,946,290。
加拿大專利號1,287,890藉由以一(+V)及一(-V)對火花間隙之二端充電以描述二階LC反轉電路組件，而導致與輸入電壓有關之輸出電壓一近似四倍之提升。
此二階LC反轉電路係使用四個門把狀電容。藉由佈置兩列對稱門把狀電容於電極之兩側，可將電流加倍，因此名為雙邊二階LC反轉電路。然而，由於陶瓷電容的實體大小，一35公分長放電通道可獲得數十千安培數量級之相對低之放電電流。
因此，在過去已經做過許多嘗試多種不同的電路配置縮放放電電流以和可提高放電電流。然而，以現今可選擇利用的電容與可選擇的電路配置，橫向放電雷射的設計使電路具有相對高電感值及/或相對低之操作電壓。如此的設計僅可產生相對低峰值電流密度，此密度介於0.5至最高達為2至3千安培/單位公分長度，大約數十奈秒電流脈波。
本發明與其揭露係說明如何組合折疊薄膜電容以產生非常低之自感。並再說明如何將將這些複數折疊薄膜電容單元整合及組合以構成各式各樣的低電感電流及倍壓放電 系統，使其可利用在橫向放電雷射應用，亦可利用在其他脈波電力應用。
本發明之另一目的係在提供一種改良式積體電容組件，尤指一種適用於氣體放電雷射應用，但並不僅限於此應用。
於一實施態中，本發明提供一高電壓電容組件，包括：一第一電容；以及一第二電容；其中，每一電容係包括複數個串聯並堆疊之電容胞；每一電容胞包括一成對配置並以介電質隔開之延長薄膜電極，該電容胞係多次折疊成一本質上扁平且捲繞之形式；其中，該第一電容所包含之相鄰電容胞係藉由將它們所分別包括之薄膜電極於該薄膜電極之一縱向邊彼此連結的方式而互相串聯；其中，該第二電容所包含之相鄰電容胞係藉由將它們所分別包括之薄膜電極於該薄膜電極之兩縱向邊彼此連結的方式而互相串聯；以及其中該第一電容與該第二電容係以串聯方式連接並整合至一封閉體內。
此一配置係允許電容組件連結成LC反轉或電容轉移電路的結構。
在一實施例中，相鄰電容胞之薄膜電極係連結至該薄膜電極之側向邊或該薄膜電極之每一側向邊其中一種情形。
在另一實施例中，相鄰電容胞之薄膜電極係本質上於它們之縱向中心處彼此連接。當薄膜電極之折疊部分為基數時，電極的縱向中心處會存在有一截面，其係為形成必 要連結之處。而在折疊部分為偶數的情況下，另一方面，則會存在有兩中心截面，其係為形成必要連結之處。用語「本質上於它們之縱向中心處」係建立在包含這些可能下。
在又一實施例中，相鄰電容胞之薄膜電極係本質上於一折疊部分的長度上，藉由一橋接元件彼此連接。
橋接元件係為一片狀元件，片狀元件係被折疊以界定出一對用以連接相鄰電容胞之各該薄膜電極之折腳段。
在一實施例中，第一及第二電容係於縱向邊彼此連接，亦即於第一電容之互相串聯連接之電容胞之側邊。如此，可提供高效率及快速的電流放電。
在另一實施例中，薄膜電極之每一摺疊部分的形狀為矩形。
在又一實施例中，薄膜電極之每一摺疊部分的形狀為方形。
在一實施例中，每一成對延長電極所具有之薄膜的寬度係介於0.1到1公尺之間，且薄膜的長度則介於1到20公尺之間，以使放電電流脈波產生足夠大的電容值，但其所產生之傳輸時間延遲寬幅仍可被接受。折疊部分之最理想的數目係取決於特定應用的需求，且受限於相關參數像是薄膜電極的長度與寬度，以及折疊部分所需求的長度。
在另一實施例中，每一電容中之第一電容、第二電容及電容胞係相鄰地設置，且它們所具之薄膜電極的摺疊部分係互相平行。例如，第一電容與第二電容係可垂直堆疊，亦即一電容放置於另一電容上。此一配置促使電容的交互 作用近似於一種於每一電容之相鄰電容胞的交互作用的方式。
在又一實施例中，該組件包含一內連至第一電容與第二電容之外部電極，外部電極並具有一與薄膜電極之摺疊部分之長度本質上對應的長度。外部電極之長度本質上係適當的對應於欲連結於其上之裝置，例如一雷射放電通道。
在又一實施例中，外部電極包含一於第一及第二電容相互串聯連接之側邊上連接之第一外部電極對，及一僅跨越於相對側向邊之第二電容之第二外部電極對，該一對或該二對電極電極之垂直高度間隙係可本質上對應於欲連接於其上之裝置之高度，例如一雷射放電通道。
在另一態樣中，本發明提供一種積體高電壓電容組件，包括：一第一電容；一第二電容；一第三電容；以及一第四電容；每一電容係包括複數個串聯並堆疊之電容胞；每一電容胞包括一成對配置並以介電質隔開之延長薄膜電極，該電容胞係多次折疊成一本質上扁平且捲繞之形式；其中，該第一電容及該第四電容所包含之相鄰電容胞係藉由將它們所分別包括之薄膜電極於該薄膜電極之一縱向邊彼此連結的方式而互相串聯；其中，該第二電容及該第三電容所包含之相鄰電容胞係藉由將它們所分別包括之薄膜電極於該薄膜電極之兩縱向邊彼此連結的方式而互相串聯；以及其中該第一電容、該第二電容、該第三電容與該第四電容係以串聯方式連接並整合至一封閉體內。
此一配置係允許電容組件連結成任何一種電路配置：二階LC反轉、二階電容轉移電路、雙LC反轉、或雙電容轉移電路配置，係根據四個電容之串聯連接順序。在二階LC反轉或二階電容轉移電路的中，可依第一、第二、第三、以及第四電容的順序將電容進行排列；但在雙LC或雙電容轉移電路配置中，則可依第二、第一、第四、以及第三電容的順序將電容進行排列。
在一實施例中，相鄰電容胞之薄膜電極係連結至該薄膜電極之側向邊或該薄膜電極之每一側向邊其中一種情形。
在另一實施例中，相鄰電容胞之薄膜電極係本質上於它們之縱向中心處彼此連接。當薄膜電極之折疊部分為基數時，電極的縱向中心處會存在有一截面，其係為形成必要連結之處。而在折疊部分為偶數的情況下，另一方面，則會存在有兩中心截面，其係為形成必要連結之處。用語「本質上於它們之縱向中心處」係建立在包含這些可能下。
在又一實施例中，相鄰電容胞之薄膜電極係本質上於一折疊部分的長度上，藉由一橋接元件彼此連接。
橋接元件係為一片狀元件，片狀元件係被折疊以界定出一對用以連接相鄰電容胞之各該薄膜電極之折腳段。橋接元件係用以幫助產生非常低之自感值。
在一實施例中，第一、第二、第三、及第四電容係於該一縱向邊上互相連接，此縱向邊係為第一電容與第四電 容之電容胞串聯連接之縱向邊。如此，可提供高效率及快速的電流放電。
在另一實施例中，薄膜電極之每一摺疊部分的形狀為矩形。
在又一實施例中，薄膜電極之每一摺疊部分的形狀為方形。
在一實施例中，每一成對延長電極所具有之薄膜的寬度係介於0.1到1公尺之間，且薄膜的長度則介於1到20公尺之間，以使放電電流脈波產生足夠大的電容值，但其所產生之傳輸時延遲寬幅仍可被接受。折疊部分之最理想的數目係取決於特定應用的需求，且受限於相關參數像是薄膜電極的長度與寬度，以及折疊部分所需求的長度。
在另一實施例中，每一電容中之第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、及電容胞係相鄰地設置，且它們所具之薄膜電極的摺疊部分係互相平行。例如，第一電容、第二電容、第三電容、及第四電容係可垂直堆疊，亦即第一電容放置於第二電容上、第二電容放置於第三電容上、第三電容放置於第四電容上。此一配置促使電容的交互作用近似於一種於每一電容之相鄰電容胞的交互作用的方式。
在又一實施例中，該組件包含一內連至第一電容、第二電容、第三電容、及第四電容之外部電極。
在一雙LC或電容轉移配置之又一實施例中，於組件之一側上，所有電容係互相串聯連接，外部電極包括一連接 至第二電容之第一外部電極、一連接至第一及第四電容之第二外部電極、以及一連接至第三電容之第三外部電極。
於組件之另一側，外部電極包括一連接至第二電容之另一第一外部電極、一連接至第二電容及第三電容之另一第二外部電極、以及一連接至第三電容之另一第三外部電極。
三外部電極係可被架設於組件之各邊。外部電極之垂直高度間隙係可本質上對應於欲連接於其上之裝置之高度，例如一雷射放電通道。
在一二階LC或電容轉移配置之又一實施例中，於組件之一側，所有電容係互相串聯連接，外部電極包括一跨越第一及第四電容之第一外部電極對。
於組件之另一側，外部電極包括一跨越第二及第三電容之第二外部電極對。
每一外部電極對係可被架設於組件之各邊。外部電極之垂直高度間隙係可本質上對應於欲連接於其上之裝置之高度，例如一雷射放電通道。
本發明之實施例提供一積體高電壓電容組件，包括二或四以新方式連接的折疊薄膜電極，折疊薄膜電極具有低內部電路電感。此一方式係由數個步驟所完成，包含：於另一之頂部堆疊，扁平捲繞延長薄膜電極之電容胞係被介電質隔開以形成一電容單元，其再被堆疊以形成二或四電容組件；確保每一電容胞可只提供兩接觸面，以使另一鄰近之電容胞或一外部連接電極做連接使用之位置；將二或 四電容組件之某些電容之電容胞之一縱向邊或二縱向邊，以部分絕緣之片狀橋接元件結合，並將橋接元件置入於電容胞中已選定之接觸面積；同樣地用相同的橋接元件於特定之縱向邊將電容單元互相連接，以提供高速電流放電或轉換；提供外部連接電極四或六個電容組件之端點；將端點彎曲成一形態是供最低合適電感。
此一配置係允許組件可經由外部電極連接至一開關元件及一放電元件。如果使用兩個電容，將提供一LC反轉或電容轉移電路配置使放電元件上之電壓與電流倍增。如果使用四個電容，將提供二階LC反轉或電容轉移電路配置以加強放電元件上之電壓與電流。同樣地，在適當的連接下，四電容組件亦可提供一雙LC反轉或電容轉移電路配置。
一般而言，本發明係針對一種積體高電壓電容組件，其所產生之自感值相當低，且可提供電流及/或電壓之倍增。本發明之一實施例之高電壓電容組件之基本單元係由第一電容11、及第二電容12所構成，如圖9所示，該二電容係以串聯連接。
每一電容係包括複數個串聯並堆疊之電容胞40。每一電容胞40包括一成對配置並以介電質隔開之延長薄膜電極10。於本發明之一較佳實施例中，如圖5所示，係以鋁薄膜10係做為薄膜電極。鋁薄膜之厚度係為5nm至12nm。將薄膜電極隔開之介電質包括一例如浸油牛皮紙之吸收材質， 以及一例如聚乙烯對苯二酸鹽(習知之Mylar®)之不透水塑膠。較佳的是，居中的介電質層係為複合結構，其包括兩聚脂樹脂薄片層20之交換層，且被三牛皮紙片30夾置於其中。聚脂樹脂薄片之厚度係為12μm，而每一牛皮紙片30之厚度係為8.3μm。聚乙烯(PP)薄片具有一模糊表面，而其他介電質薄片亦可被使用為介電質層以取代聚脂樹脂及紙片。
電容在浸入蓖麻油或其他適合的介電油或流體之前先經過烘烤，再將其密封。較佳的是，組件係被封裝於一硬殼體內，例如聚胺酯。
在習知之折疊薄膜電容中，相當常見的是，係使用多於一對之側電極突片。採用此種計量係了要減少電磁波傳播自鋁薄膜之一端進入或離開電極突片之電容的傳播時間。藉由沿著折疊電容的側邊置入n對電極突片，沿著電容的電流被分割成2n個區段。沿著折疊縱向面的電流路徑長因此減少2n個因子。
然而，置入多個突片組的程序亦大大地影響電容的整體電感值。然而，計算電荷進入或/離開電容的流動模型是有可能的，因而導出有效感應磁通量與自感值，係可以下列過程估算自感值。
自感值可被概略分成兩組成份，一組成份起因於電荷沿著或逆沿薄膜的折疊邊，另一組成份起因於電荷沿著進入或離開薄膜突片13的側邊，如圖10所示之側邊置入之單一對薄膜突片。
一般而言，對於電荷沿著或逆沿薄膜的折疊邊之移動，如圖10中所示之成份A，除了兩最內側與兩最外側的所有的電極薄膜載有兩層電荷，一層位於前表面而另一層位於背表面由於薄膜電容的折疊。再者，兩電流路徑係形成於每一置入突片。對一具有n對置入電極突片之電容胞而言，其因而有總共2x(2n)條電流路徑，每一電流路徑之路徑長係減少2n個因子。總電感值而因此減少2x(2n)個因子，當與未折疊、電流從電極之一端流向另一端之等長電容薄膜的情況下相比時。此電感成份因而可給出如下： 其中l與w分別為電極薄膜的長度與寬度，而d為介電材料的厚度。對一近似方形佈置、具七折疊、七電容胞串聯堆疊與介電厚度2τ之電容而言，可得到0.42nH之低電感值。
另一方面，側邊置入之電極突片的使用係引出一重要的電感值來源，此電感值來源係由於電荷的移動橫向近似於電容於沿著側邊置入之薄膜突片進入或離開電容的折疊方向，如圖10中所示之成份B。
對每一側邊置入之單一對薄膜突片而言，其電感值係假設由電流沿著單一對輸出電極薄膜所產生且 其中l f 係為每一折疊薄膜之長度。因w及l f 之可比較值而可得到相對低的電感值。對一近似方形佈置、具七折疊、七電 容胞串聯堆疊與介電厚度2τ之電容而言，可得到0.44nH之相對低電感值。
另一方面，對一具有超過一側邊突片對之電容片段而言，有必要將突片設置在繞組之具相反極性之相對側邊上。其係由將兩相反極性之突片交錯置入於兩完成折疊之電容部分所達成。這些相反極性之突片將叉開並跨越折疊電容部分之中間點，且導致一大電流迴路橫截面，係對電容單元的電感值產生一重要的貢獻。
相對電感值可容易地近似於如下所示 其中t係為電容堆疊中折疊薄膜完成後之總厚度。
電感值係與電容堆疊之一半厚度成比例關係。對於商業上所利用之電容，其具有近似5英吋(12.7公分)之方形佈置且其厚度範圍在3至4公分之間，所計算出之電感值範圍在15至25nH之間，與電容製造商所宣稱之電感值範圍相近。
如前所述，本發明提供一種積體高電壓電容組件，其所產生之自感值相當低，且可提供電流及/或電壓之倍增。在第一電容的情形下，堆疊之相鄰電容胞係藉由將它們之薄膜電極於該薄膜電極之一縱向邊彼此連結的方式而互相串聯。連接可為僅將薄膜電極之一邊連接，或任意地將薄膜電極之兩邊連接。然而，後者之第二種替代連接方法並無任何優勢。應用相同的並做了適當修正的選擇，將達到其他的實施例並於此說明。在第二電容中，相鄰電容胞係 藉由將它們之薄膜電極於該薄膜電極之兩縱向邊彼此連結的方式而互相串聯。
圖6、圖7、及圖8係說明如何以橋接元件將相鄰電容胞之薄膜電極於一或每一薄膜電極之側向邊連接之單一情形之概略示意圖。橋接元件(可視為等效於使用一對側邊突片)係本質上將相鄰電容胞之薄膜電極之縱向中心處彼此連接。橋接元件係本質上連接每一薄膜電極之一折疊部分的長度。如圖6所示，較佳的是，橋接元件係為一片狀元件18，係被折疊以界定出一對用以連接相鄰電容胞之各薄膜電極之折腳段。片狀元件18可為金屬薄膜連接器。除了置入金屬薄膜連接器以外，一外部防護器19，亦被折疊以界定出一對做為絕緣體的折腳段。絕緣體本質上提高電容的電壓保持效能，但本質上並不提高其電感值。
較佳的是，每一電容胞之鋁薄膜與聚脂樹脂紙片組之厚度的範圍在1至20公尺之間，如此導致放電電流脈波產生低電感，且其所產生之傳輸時間延遲寬幅仍可被接受。
根據折疊部分的寬度與長度，每一薄膜電極(電容胞)之折疊部分之形狀通常可為矩形或方形。具有由堆疊之電容折疊電容胞所構成之第一及第二電容11，12係串聯連接。第一及第二電容11，12係相鄰地設置，其所具之薄膜電極的摺疊部分係互相平行。在一較的實施例中，第一及第二電容11，12係垂直堆疊，亦即一電容放置於另一電容上。此一配置促使電容的交互作用近似於一種於每一電容之相鄰電容胞的交互作用的方式。
圖9係本發明之一實施例之電容組件之一橫截面佈局圖。電容組件係被封裝於一殼體70內，並具有端點以使組件透過殼體與外部做電性連接。較佳的是，第一及第二電容係透過橋接元件13b於該一側向邊上互相連接。橋接元件13b可僅被提供於電容之一側向邊，或電容之二側向邊。然而，後者之第二種替代方法並無任何優勢。應用相同的並做了適當修正的選擇，將達到其他的實施例並於此說明。
在如圖9所示之實施例中，橋接元件13b僅於左側向邊與第一及第二電容互相連接。較佳的是，這些電容11，12係被封裝於一硬殼體70內。意欲與外部電路構件做連接之突片係連接至條狀電極17，條狀電極17係連接至具有以O型環將硬殼體70的內側邊密封之外部條狀電極。
於此一特定實施例中，雷射通道60與觸發開關50係為連接到電容組件之外部電路構件。在使用觸發開關的情形中，觸發開關較佳為一低電感設計之軌道間隙開關，且開關間的放電路徑電感值係保持在一最低值。
一第一成對外部電極係串聯連接至第一及第二電容11、12，而一第二成對外部電極係連接至第二電容。
第一成對外部電極係僅可能靠向薄膜電極的左側向邊連接，而第二成對外部電極係僅可能靠向薄膜電極的右側向邊連接。放電電流路徑電感值係保持在一最低值。
貼近第一及第二電容11、12之橋接元件13b係位於已連接之第一成對外部電極之同側。如此可將由進出堆疊之電容部分之電流所產生之放電路徑橫截面最小化。
位於左側向邊之外部電極的長度係本質上適當的對應於雷射放電通道60的長度，而位於右側向邊之外部電極的長度係本質上適當的對應於觸發間隙開關50的長度。
較佳的是，基本電容部分的尺寸與相鄰之第一及第二電容之長度相同，相鄰之第一及第二電容之長度之製作係本質上相等於外部電極的長度。例如使用雷射通道60為例，對一典型18英吋(46公分)長之雷射放電電極，係使用18英吋(46公分)寬之鋁薄膜、20英吋(51公分)寬之聚脂樹脂、及紙薄片。薄片係以20英吋(51公分)之間隔折疊以形成一近似20英吋(51公分)之方形電容部分。側向置入之橋接元件13係為18英吋(46公分)寬，且恰好比折疊電容部分之兩邊緣短1英吋(2.5公分)。
現在，我們將注意到本發明之電容組件如何被使用於LC反轉與電容轉移放電電路配置上，電容組件係預計與雷射通道60及觸發間隙開關50連接。
在LC反轉配置(如圖11，亦被建構如圖9)中，係選用幾乎相同之C1及C2。
有所的電容部分皆透過橋接元件13於雷射通道60之同一側而毗鄰。如此可確保由電流進出堆疊之電容部分所引起之最小電路迴路橫截面。如此亦可確保感應磁通漏磁只存在於電容薄膜電極對之間及小迴路橫截面中，小迴路橫截面係由電容部分與雷射通道60之間之連接所導致。因此，於C1及C2(13a)中，橋接元件13係貼近電容胞，也位於電容C1及C2(13b)之間，並位於雷射通道之同一側。為了透 過觸發間隙關開獲得高速電流放電，橋接元件13亦於位在觸發間隙關開側邊之C2中連接電容胞。因此，在LC反轉配置的情形中，於第二電容C2中之電容胞之相鄰之橋接元件13a係位於兩邊，以獲得對觸發間隙開關及雷射通道的快速放電。
在電容轉移電路配置中(圖12)，觸發間隙開關及雷射通道之位置係互相交換，且C1之選擇係為C2之三到四倍。
於第二電容C2中之電容胞之相鄰之橋接元件13a亦提供於兩邊，以以獲得對觸發間隙開關50及雷射通道60的快速放電。另一方面，C1中之電容胞僅需貼近觸發間隙開關50連接之一側，以達成快速放電轉移運作。
對LC反轉電路而言，使用前先所述之相同尺寸之雷射通道，係使用46公分長之電極長度，兩近似方形且具七折疊及2τ聚酯樹脂/紙板介電質之相同電容。使用七基本電容胞堆疊為了能獲得50kV的電壓級，兩電容之每一可獲得一約略為190nF之電容值及小於1nH之電感值。此後，一近乎於零之1nH之數值係被假設為每一電容之電感值，且對照於商業上所使用之數十到數百奈米亨利電感值之電容。
雷射通道橫截面之設計係僅可能的緊密且僅可能的靠近兩電容之邊緣連接，以將放電迴路電感值維持在最小。假設一4 x 5平方公分之放電迴路橫截面，係得到一5.5nH之放電迴路電感值。
在50kV充電運作下，可預期一高達90kV的電壓擺幅出自兩串聯之電容，跨越一7.5nH之總電路電感。並獲得一320kA之峰值放電電流及一7kA/cm高峰放電電流。
在上述系統的運作中，係假設雷射通道僅於電壓超過最大擺幅或電荷完全被轉移至第二迴路時發生故障。此係嚴格地依據雷射電極與運作氣體壓力的狀態。使用一快速例如軌道間隙開關之切換裝置於確保較快之電壓擺幅與快速電荷轉移過程亦為不可或缺的。當這些狀態不為最佳時，雷射通道會過早發射而峰值放電電流會大大地減少。
上述較佳實施例建構出一具有最低合適電路電感之配置。熟悉此項技藝之人士可組合兩分離單元之傳統折疊薄膜電容，來構成相應之放電電路。然而，該人士會發現，使用商業用之具有兩電極之折疊薄膜電容，無論是單一端型或雙端型，都會產生本質上高的電路電感。
該人士亦可以具有電容C1’及C2’之電容轉移電路的情形實施類似的分析。考慮在LC反轉中，C1’為C1的兩倍而C2’為C2的二分之一的情形。藉由將電容轉移電路充電至與LC反轉電路相同的電壓，於C2’之兩端會發展出一高電壓脈波，而導致高峰放電電流。此高峰放電電流一般會稍微小於具相同輸入電荷能量之LC反轉電路之高峰放電電流。
為了更提高放電電流，將詳細說明雙LC反轉與雙電容轉移放電配置之實施例(圖13)。本發明之一實施例係使用兩單位之背對背堆疊於另一之上之電容組件。藉由將上堆疊 物46之底部外部電極45連接至下堆疊物48之頂部外部電極47，構成三外部電極。
然而，本發明之一較佳實施例為如圖14所示之將四個電容(49a至49d)整合至一單一盒體。四電容組件80具有三外部電極位於兩側，以連接至雷射通道及軌道間隙，根據如圖15所示之雙LC反轉電路及如圖16所示之雙電容轉移電路。對此三電極之四電容組件而言，外側之二電極係普遍且便於連接至如圖15所示之雷射通道及如圖16所示之觸發間隙。
實際上，由於兩電容之電壓反轉，雙LC反轉操作於一縮放近似為兩個因子之電壓。電容值與自感值維持近乎相等於單一電容時，最大放電電流因此提高至約488kA或放電為10.6kA/cm。
類似的分析可實行於雙電容轉移電路。其做為結果的電壓約略為相對應之電容轉移電壓的兩倍，其值係由峰值電容的存量的比率所決定。一般而言，可獲得較小之峰值放電電流。
在其他實施例中，取代將放電電流加倍，二階LC反轉或二階電容轉移電路實現幾乎兩倍之LC反轉或電容轉移電路個自之電壓。
一較佳實施例係如圖17所示之將四個電容(56a至56d)整合至一單一盒體。四電容組件90具有二電極位於兩側，以連接至雷射通道及軌道間隙，根據如圖18所示之二階LC反轉及如圖19所示之二階電容轉移電路。
藉由分別將兩單元之雙胞胎電容充電至+V與-V，二階LC反轉電路之情形中之做為結果的電壓約略為單一電容放電之四倍。電壓會被縮放四倍，電容值係減少四個因子而電容之自感值係增加四個因子。於180kV、47.8nF、及9.5nH下，峰值放電電流可傳送一高達406kA之峰值電流，然而，做為結果的放電電壓係為充電電壓的四倍。
類似的分析可實行於二階電容轉移電路。其做為結果的電壓約略為相對應之電容轉移電路的兩倍，其值係由峰值電容的存量的比率所決定。
在四電極電容組件的情形中，如圖9或圖17中所示，其中，兩對外部電極係位於組件之相對的側向邊，可以更精細的改進以減少放電及開關迴路電感。此係可將一對片狀導電元件21縱向彎曲形成兩倒L型，以連接至電容組件之外部電極條17，如圖20所示之橫截面圖。假如盒體壁足夠靠近電容組件，絕緣之片狀導電元件對22在離開電容組件之薄膜電極後即於反方向上被縱向彎曲，並連接至外部電極條17，如圖21所示。假如片狀導電元件對23與電容組件具有一相對大的間隙，由於以電容胞構成之組件係厚或為數眾多，元件係被縱向彎曲兩倒U型，如圖22所示。絕緣薄膜24係被置入，且被相似的彎曲以保護兩元件21、22、23於盒體內發生短路。
相似之更精細的改進可用於六電極電容組件中，如圖14所示，其中，兩個三電極組17a、17b、及17c與17d、17e、及17f，係位於組件之相對側向邊。此係可將頂部及底部之 片狀導電元件31縱向彎曲形成兩倒L型，以連接至外部電極條17a、17b、及17c，如圖23所示之橫截面圖。假如盒體壁足夠靠近電容組件，絕緣之片狀導電元件對32在離開電容組件之薄膜電極後即於反方向上被縱向彎曲，並連接至外部電極條，如圖24所示。假如頂部及底部之片狀導電元件對33與電容組件具有一相對大的間隙，由於以電容胞構成之組件係厚或為數眾多，元件係被縱向彎曲兩倒U型，如圖25所示。如圖23、圖24、圖25中所示之所有示例，中間元件35係直接與中間電極條17b、17e連接。絕緣薄膜34係被置入，且被相似的彎曲以保護兩元件31、32、33於盒體內發生短路。
於上述之組件中，無論使用L型或U型之元件折疊，都會增電流行進的距離，但由於較小的電路迴路，可降低電路電感值。
必需注意要確保於圖20至圖25中之外部電極條之間之空間，提供足夠的絕緣，如此，放電或切換存在於各元件內，且不會沿著外盒壁。
本發明可在不悖離其範圍下用多種不同於此討論的方法實施，如下列申請專利範圍所定義。經由示例，本發明之電容胞中所使用之介電材料，係可用新的科技等效產物取代之，例如包含模糊聚乙烯薄片之塑膠樹脂薄膜。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
3‧‧‧雷射通道裝置
24、34‧‧‧絕緣薄膜
4‧‧‧軌道間隙切換裝置
5‧‧‧充電元件
6‧‧‧大電容值電容
7‧‧‧峰值電容
8‧‧‧氣體雷射通道
14‧‧‧雷射通道
15a、15b、15c‧‧‧上電極板
16‧‧‧火花間隙裝置
10‧‧‧鋁薄膜
20、30‧‧‧介電質
40‧‧‧電容胞
13、13a、13b‧‧‧橋接元件
18‧‧‧片狀元件
11‧‧‧第一電容
12‧‧‧第二電容
17‧‧‧外部電極條
50‧‧‧觸發開關
70‧‧‧殼體
60‧‧‧雷射通道
45‧‧‧底部外部電極
47‧‧‧頂部外部電極
48‧‧‧下堆疊物
46‧‧‧上堆疊物
80、90‧‧‧四電容組件
(17a、17b、17c)、(17d、17e、17f)‧‧‧三電極組
1、2、15、49a-49d、56a-56d‧‧‧電容
21、22、23、31、32、33‧‧‧導電元件
35‧‧‧中間元件
圖1係習知之LC反轉放電電路之電路配置。
圖2係習知之電容轉移電路之電路配置。
圖3係習知之扁平平行板電容之概略示意圖，係顯示習知如何將雷射通道連接至電容板之兩邊緣。
圖4係門把狀電容之概略示意圖。
圖5係本發明之一實施例之包括電極與介電質組件之部分捲繞之電容胞之概略示意圖。
圖6、圖7、及圖8係本發明之一實施例之置入一橋接元件以將鄰近電容胞之薄膜電極互相連接之概略示意圖。
圖9係本發明之一實施例之電容組件之一橫截面佈局圖，係額外顯示連接至電容組件之外部電極與元件。
圖10係用以理解折疊薄膜電極之自感之組成之示意圖。
圖11係本發明之一實施例之LC反轉放電電路之電路配置。
圖12係本發明之一實施例之電容轉移電路之電路配置。
圖13係一使用兩電容組件單元之雙電容之概略示意圖。
圖14係本發明之一實施例之一使用四個電容之四電容組件之概略示意圖。
圖15係一使用四個電容組件之電容之雙LC反轉放電電路之概略示意圖。
圖16係一使用四個電容組件之電容之雙電容轉移電路之概略示意圖。
圖17係本發明之一實施例之一使用四個電容之四電容組件之概略示意圖。
圖18係一使用四個電容之二階LC反轉放電電路之概略示意圖。
圖19係一使用四個電容之二階電容轉移電路之概略示意圖。
圖20至圖22係說明一四電極電容組件之實施例，以及於外部電極之端點連接之特定細節。
圖23至圖25係說明一六電極電容組件之實施例，以及於外部電極之端點連接之特定細節。
11‧‧‧第一電容
12‧‧‧第二電容
50‧‧‧觸發開關
17‧‧‧外部電極條
60‧‧‧雷射通道
70‧‧‧殼體
13a、13b‧‧‧橋接元件

Claims (22)

  1. 一種高電壓電容組件，包括：一第一電容(11)；以及一第二電容(12)；每一電容係包括複數個串聯並堆疊之電容胞(40)；每一電容胞(40)包括一成對配置並以介電質(20，30)隔開之延長薄膜電極(10)，該電容胞係多次折疊成一本質上扁平且捲繞之形式；其中，該第一電容所包含之相鄰電容胞係藉由將它們所分別包括之薄膜電極於該薄膜電極之單一縱向邊彼此連結的方式而互相串聯；其中，該第二電容所包含之相鄰電容胞係藉由將它們所分別包括之薄膜電極於該薄膜電極之兩縱向邊彼此連結的方式而互相串聯；以及其中該第一電容與該第二電容係以串聯方式連接並整合至一封閉體(70)內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高電壓電容組件，其中，該組件包含一內連至該第一電容(11)與該第二電容(12)之外部電極(17)，該外部電極並具有一與該薄膜電極之摺疊部分之長度本質上對應的長度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之高電壓電容組件，其中，該外部電極(17)於其一縱向邊包括一第一成對外部電極，該第一成對外部電極串聯連接至該第一電容與該第二電容，而於該外部電極之另一縱向邊，一第二成對外部電極則連接至該第二電容。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之高電壓電容組件，其中，該第一成對外部電極(17)係設置於該組件之鄰近於該薄膜電極之縱向邊的一側，該第二成對外部電極(17)則設置於該組件之鄰近於該薄膜電極之另一縱向邊的另一側。
  5. 如申請專利範圍第3項或第4項所述之高電壓電容組件，其中，該成對之外部電極係經由部分絕緣之片狀導電元件連接至個別電容薄膜電極，且該片狀導電元件係被縱向彎曲以形成兩倒L型(21，22)或兩U型(23)之外形。
  6. 一種高電壓電容組件(80；90)，包括：一第一電容(49b；56a)；一第二電容(49a；56b)；一第三電容(49d；56c)；以及一第四電容(49c；56d)；每一電容係包括複數個串聯並堆疊之電容胞(40)；每一電容胞(40)包括一成對配置並以介電質(20，30)隔開之延長薄膜電極(10)，該電容胞係多次折疊成一本質上扁平且捲繞之形式；其中，該第一電容及該第四電容(49b；49c；56a；56d)所包含之相鄰電容胞係藉由將它們所分別包括之薄膜電極於該薄膜電極之單一縱向邊彼此連結的方式而互相串聯；其中，該第二電容及該第三電容(49a；49d；56b；56c)所包含之相鄰電容胞係藉由將它們所分別包括之薄膜電 極於該薄膜電極之兩縱向邊彼此連結的方式而互相串聯；以及其中該第一電容、該第二電容、該第三電容與該第四電容係以串聯方式連接並整合至一封閉體(70)內。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之高電壓電容組件，其中，該組件包含一內連至該第一電容、該第二電容、該第三電容、及該第四電容(49a至49d，56a至56d)之外部電極(17)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之高電壓電容組件，其中，該外部電極包括三外部電極，該三外部電極係互相平行並設置於該組件之一側，一外側成對之該三外部電極係經由部分絕緣之片狀導電元件連接至個別電容薄膜電極，且該片狀導電元件係被縱向彎曲以形成兩倒L型(31，32)或兩U型(33)之外形。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之高電壓電容組件，其中，該組件之一側係對應於該縱向邊，該外部電極包括一連接至該第二電容(49a)之一第一外部電極(17d)、一連接至該第一電容及該第四電容(49b，49c)之一第二外部電極(17e)、以及一連接至該第三電容(49d)之一第三外部電極(17f)。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之高電壓電容組件，其中，該組件之另一側係對應於該另一縱向邊，該外部電極包括一連接至該第二電容(49a)之另一第一外部電極(17a)、一連接至該第二電容及該第三電容(49a，49d)之另 一第二外部電極(17b)、以及一連接至該第三電容(49d)之另一第三外部電極(17c)。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之高電壓電容組件，其中，該組件之一側係對應於該縱向邊，該外部電極包括一連接至該第一電容及該第四電容(56a，56d)之第一成對外部電極(17i，17j)。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之高電壓電容組件，其中，該組件之另一側係對應於該另一縱向邊，該外部電極包括一連接至該第二電容及該第三電容(56b，56c)之第二成對外部電極(17g，17h)。
  13. 如申請專利範圍第6項所述之高電壓電容組件，其中，相鄰電容胞之該薄膜電極(10)係連結至該薄膜電極之側向邊或該薄膜電極之每一側向邊其中一種情形。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之高電壓電容組件，其中，相鄰電容胞之該薄膜電極(10)係本質上於它們之縱向中心處彼此連接。
  15. 如申請專利範圍第6項所述之高電壓電容組件，其中，相鄰電容胞之該薄膜電極係本質上於一折疊部分的長度上，藉由一橋接元件(13)彼此連接。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之高電壓電容組件，其中，該橋接元件(13)係為一片狀元件(18)，該片狀元件係被折疊以界定出一對用以連接相鄰電容胞之各該薄膜電極之折腳段。
  17. 如申請專利範圍第6項所述之高電壓電容組件，其中，該等電容係於該縱向邊彼此連接。
  18. 如申請專利範圍第6項所述之高電壓電容組件，其中，該薄膜電極之每一摺疊部分的形狀一般為矩形或方形。
  19. 如申請專利範圍第6項所述之高電壓電容組件，其中，每一成對延長電極所具有之薄膜的寬度係介於0.2至1公尺之間，且薄膜的長度則介於1至10公尺之間。
  20. 如申請專利範圍第6項所述之高電壓電容組件，其中，該等電容係相鄰地設置，且它們所具之該薄膜電極的該摺疊部分係互相平行。
  21. 如申請專利範圍第6項所述之高電壓電容組件，其中，該組件係被注入一介電流質。
  22. 如申請專利範圍第6項所述之高電壓電容組件，其中，該封閉體(70)係包括封膠。
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