一种基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器，包括可调脉冲源、磁脉冲压缩电路、方波倍压Marx发生器和匹配负载；该方波发生器级联在主电容或脉冲变压器之后，对各级脉冲形成线并联充电后，串联放电至匹配负载获得输出方波脉冲，以达到倍压、高重复频率、压缩上升沿的目的。本发明专利技术的脉冲形成开关为磁开关，取代了传统的气体开关，鉴于磁开关没有电极烧蚀与绝缘恢复的问题，从而使得本电路可以在高重复频率下运行，后述实例中本方波源可达到20kHz以上的重复工作频率，远远高于传统基于脉冲形成线方波源的100Hz量级重复工作频率。磁开关的使用亦产生了陡化方波上升沿的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于脉冲方波发生器
，涉及一种基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器。
技术介绍
方波脉冲功率源由于民用工业、环保、医学研究和国防军事等领域的迫切应用需求而迎来发展高峰期，对功率水平、上升时 间，特别是重复工作频率都提出了更严格的要求。传统以脉冲形成线作为脉冲形成元件的方波源，难以获得高重复频率，最多实现100H数量级重复频率。文献KHarjes H, Reed K, Buttram M, et al. The Repetitive High Energy PulsedPowerModule , 19th International Power Modulator Symposium, 1990.)提出了基于脉冲形成线的脉冲方波源。美国Sandia国家实验室研制的RHEPP(Repetitive High EnergyPulsed Power)装置，使用5级磁脉冲压缩器获得电压脉冲向脉冲形成线充电，电压叠加后产生电压峰值2. 5MV，宽度60ns的脉冲，脉冲能量为3kJ。其重复频率可达120Hz。文献2 (杨实，孟志鹏，钟辉煌，杨汉武，钱宝良.超低阻抗、全固态化卷绕型带状脉冲形成线.应用物理，2010，I (2) :195-200.)为中国国防科技大学研究生院的杨实博士所设计的基于磁开关和带状线的长脉冲、超低阻抗脉冲发生器，通过特性阻抗0. 5Ω，电长度115ns,以DMD膜为绝缘介质的固态化带状脉冲形成线在匹配负载上获得了电压17. 8kV，脉宽(FWHM)为270ns，上升沿约20ns的准方波脉冲，系统在IOHz重频下可稳定运行。上述以PFL (脉冲形成线)为关键部件的方波脉冲发生装置，其脉冲形成开关多为气体开关，重复工作频率最高达到IOOHz数量级，难以适应当前工业的发展需求。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器，该发生器可以在高重复频率下运行，输出倍压、高重复频率的方波脉冲。本专利技术是通过以下技术方案来实现一种基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器，包括可调脉冲源、磁脉冲压缩电路、方波倍压Marx发生器和匹配负载；磁脉冲压缩电路经可调脉冲源充电后，对方波倍压Marx发生器并联充电，方波倍压Marx发生器充电完成后串联放电至匹配负载获得输出方波脉冲；磁脉冲压缩电路包括与可调脉冲源并联的电容C和与方波倍压Marx发生器串联的磁开关MS，电容C被可调脉冲源充电至峰值Uci时，磁开关MS饱和导通，电容C通过磁开关MS的饱和电感向方波倍压Marx发生器充电；方波倍压Marx发生器包括N级充放电单元，每级充放电单元包括一个PFL、一对耦合电感对和一个磁开关MS，PFL通过耦合电感对连入电路且耦合电感对呈同名端方式连接于PFL，磁开关MS连接相邻级PFL的屏蔽层与芯，与耦合电感对连接于每级PFL的同端或异端；在充电时，耦合电感对对N级PFL进行并联充电，充电至峰值后各级的磁开关MS饱和导通，N级PFL串联放电至匹配负载。所述的磁脉冲压缩电路通过耦合电感对N级PFL进行并联充电，每级PFL的等效阻抗Ztl、长度I、波传播速度V参数均一致，PFL充电至峰值后各级磁开关MS同时饱和导通，N级PFL串联对匹配负载放电；通过波过程每一级PFL在匹配负载上产生$倍充电电压、2!2V脉宽的方波脉冲，各级叠加获得$倍充电电压、2&3水宽的重复频率高压方波脉冲。 2V 所述的方波倍压Marx发生器为形成线型Marx发生器，包括N级充放电单元，N级PFL并联充电，每级的PFL同一端的屏蔽层、芯端口通过一对耦合电感连入电路，且此耦合电感对呈同名端方式连接于PFL ;每级的PFL及耦合电感对的相关参数相同，N级PFL回路每一侧的I禹合电感同名端方向一致；各级PFL通过磁开关MS关串联放电，第n+1级PFL的充电电流流入端通过磁开关MS与η级PFL的充电电流流出端相连，各级磁开关MS具有相同参数且耦合于同一磁芯；第N级PFL的线皮连接至匹配负载。所述的相邻充放电单元的磁开关MS的充电电流流出端之并联一个与充电电流流向相同的二极管。所述的在最末级磁开关MS与首级磁开关MS的充电电流流出端之并联一个二极管。所述的方波倍压Marx发生器为形成线充放电端口隔离型Marx发生器，包括N级充放电单元，N级PFL并联充电，每级PFL首端的屏蔽层、芯端口通过一对耦合电感连入电路，且此耦合电感对呈同名端方式连接于PFL，每级的PFL及耦合电感对的相关参数相同，N级PFL回路每一侧的耦合电感同名端方向一致；各级PFL通过磁开关MS关串联放电，第n+1级PFL的尾端线芯通过磁开关MS与η级PFL的尾端线皮相连,第一级的PFL的线芯通过磁开关MS连接至地,各级磁开关MS具有相同参数且耦合于同一磁芯；第N级PFL的线皮连接至匹配负载。所述的可调脉冲源为频率、脉宽可调的脉冲源。所述的磁开关MS采用多个磁芯叠置并缠绕导线的方式构成，通过改变绕线匝数以及磁开关个数调节磁开关的参数伏秒积α，即磁芯从负向饱和到正向饱和过程中磁通链的增加值，从而控制一定电压下磁开关的饱和时间。由于磁开关饱和前后其等效电感值发生突变，可将磁开关两个端子在饱和前视为断开，在饱和后视为接通，产生类似开关的工作特性，从而磁开关饱和后使各级PFL串联放电。基于PFL的方波脉冲发生器所接负载为匹配负载NZtl, N为级数，Z0为PFL的特征阻抗。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果本专利技术提供的基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器，利用耦合电感充电与隔离，磁开关为脉冲形成开关，脉冲形成线为方波发生元件的高重复频率的方波倍压Marx发生器。通过耦合电感对N级PFL进行并联充电，要求每级PFL的Zp I、V参数均一致，充电至峰值后各级磁开关同时饱和导通；N级PFL串联对匹配负载NZO放电，通过波过程每一级PFL在匹配负载上产生-倍充电电压2!脉宽的方波脉冲，各级叠加从而获得#倍充电电压、脉宽的重复频率高压 V2V方波脉冲。本专利技术提供的基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器，脉冲形成开关为磁开关(可饱和电感)，取代了传统的气体开关，鉴于磁开关没有电极烧蚀与绝缘恢复的问题，从而使得本电路可以在高重复频率下运行，后述实例中本方波源可达到20kHz以上的重复工作频率，远远高于传统基于脉冲形成线方波源的IOOHz量级重复工作频率。磁开关的使用亦产生了陡化方波上升沿的作用。本专利技术提供的基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器，采用了耦合电感隔离型Marx发生器的结构，保证了快速充电，降低了对可饱和电感的伏秒积要求。 本专利技术提供的基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器，实现了可倍压的方波脉冲发生功能。只要输入电源是重复频率，就可以让倍压方波发生器工作于重复频率状态。附图说明图I为基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器(二级)的电路结构图。图2为二级基于磁开关的形成线型典型Marx发生器的电路拓扑图。图3为基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器(二级)的实验电压波形图。图4为基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器(二级)的的仿真电压波形图。图5为二级基于磁开关形成线充放电端口隔离型Marx发生器电路拓扑图。图6为二级基于磁开关并联充电的形成线型Marx发生器电路拓扑图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器，其特征在于，包括可调脉冲源、磁脉冲压缩电路、方波倍压Marx发生器和匹配负载；磁脉冲压缩电路经可调脉冲源充电后，对方波倍压Marx发生器并联充电，方波倍压Marx发生器充电完成后串联放电至匹配负载获得输出方波脉冲；磁脉冲压缩电路包括与可调脉冲源并联的电容C和与方波倍压Marx发生器串联的磁开关MS，电容C被可调脉冲源充电至峰值u0时，磁开关MS饱和导通，电容C通过磁开关MS的饱和电感向方波倍压Marx发生器充电；方波倍压Marx发生器包括N级充放电单元，每级充放电单元包括一个PFL、一对耦合电感对和一个磁开关，PFL通过耦合电感对连入电路且耦合电感对呈同名端方式连接于PFL，磁开关MS连接相邻级PFL的屏蔽层与芯，与耦合电感对连接于每级PFL的同端或异端；在充电时，耦合电感对对N级PFL进行并联充电，充电至峰值后各级的磁开关MS饱和导通，N级PFL串联放电至匹配负载。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁卫东，吴佳玮，任航，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：