一種基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器制造技術

本發明專利技術公開了一種基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器，包括可調脈沖源、磁脈沖壓縮電路、方波倍壓Marx發生器和匹配負載；該方波發生器級聯在主電容或脈沖變壓器之后，對各級脈沖形成線并聯充電后，串聯放電至匹配負載獲得輸出方波脈沖，以達到倍壓、高重復頻率、壓縮上升沿的目的。本發明專利技術的脈沖形成開關為磁開關，取代了傳統的氣體開關，鑒于磁開關沒有電極燒蝕與絕緣恢復的問題，從而使得本電路可以在高重復頻率下運行，后述實例中本方波源可達到20kHz以上的重復工作頻率，遠遠高于傳統基于脈沖形成線方波源的100Hz量級重復工作頻率。磁開關的使用亦產生了陡化方波上升沿的作用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于脈沖方波發生器
，涉及一種基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器。
技術介紹
方波脈沖功率源由于民用工業、環保、醫學研究和國防軍事等領域的迫切應用需求而迎來發展高峰期，對功率水平、上升時 間，特別是重復工作頻率都提出了更嚴格的要求。傳統以脈沖形成線作為脈沖形成元件的方波源，難以獲得高重復頻率，最多實現100H數量級重復頻率。文獻KHarjes H, Reed K, Buttram M, et al. The Repetitive High Energy PulsedPowerModule , 19th International Power Modulator Symposium, 1990.)提出了基于脈沖形成線的脈沖方波源。美國Sandia國家實驗室研制的RHEPP(Repetitive High EnergyPulsed Power)裝置，使用5級磁脈沖壓縮器獲得電壓脈沖向脈沖形成線充電，電壓疊加后產生電壓峰值2. 5MV，寬度60ns的脈沖，脈沖能量為3kJ。其重復頻率可達120Hz。文獻2 (楊實，孟志鵬，鐘輝煌，楊漢武，錢寶良.超低阻抗、全固態化卷繞型帶狀脈沖形成線.應用物理，2010，I (2) :195-200.)為中國國防科技大學研究生院的楊實博士所設計的基于磁開關和帶狀線的長脈沖、超低阻抗脈沖發生器，通過特性阻抗0. 5Ω，電長度115ns,以DMD膜為絕緣介質的固態化帶狀脈沖形成線在匹配負載上獲得了電壓17. 8kV，脈寬(FWHM)為270ns，上升沿約20ns的準方波脈沖，系統在IOHz重頻下可穩定運行。上述以PFL (脈沖形成線)為關鍵部件的方波脈沖發生裝置，其脈沖形成開關多為氣體開關，重復工作頻率最高達到IOOHz數量級，難以適應當前工業的發展需求。
技術實現思路
本專利技術提供一種基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器，該發生器可以在高重復頻率下運行，輸出倍壓、高重復頻率的方波脈沖。本專利技術是通過以下技術方案來實現一種基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器，包括可調脈沖源、磁脈沖壓縮電路、方波倍壓Marx發生器和匹配負載；磁脈沖壓縮電路經可調脈沖源充電后，對方波倍壓Marx發生器并聯充電，方波倍壓Marx發生器充電完成后串聯放電至匹配負載獲得輸出方波脈沖；磁脈沖壓縮電路包括與可調脈沖源并聯的電容C和與方波倍壓Marx發生器串聯的磁開關MS，電容C被可調脈沖源充電至峰值Uci時，磁開關MS飽和導通，電容C通過磁開關MS的飽和電感向方波倍壓Marx發生器充電；方波倍壓Marx發生器包括N級充放電單元，每級充放電單元包括一個PFL、一對耦合電感對和一個磁開關MS，PFL通過耦合電感對連入電路且耦合電感對呈同名端方式連接于PFL，磁開關MS連接相鄰級PFL的屏蔽層與芯，與耦合電感對連接于每級PFL的同端或異端；在充電時，耦合電感對對N級PFL進行并聯充電，充電至峰值后各級的磁開關MS飽和導通，N級PFL串聯放電至匹配負載。所述的磁脈沖壓縮電路通過耦合電感對N級PFL進行并聯充電，每級PFL的等效阻抗Ztl、長度I、波傳播速度V參數均一致，PFL充電至峰值后各級磁開關MS同時飽和導通，N級PFL串聯對匹配負載放電；通過波過程每一級PFL在匹配負載上產生$倍充電電壓、2!2V脈寬的方波脈沖，各級疊加獲得$倍充電電壓、2&3水寬的重復頻率高壓方波脈沖。 2V 所述的方波倍壓Marx發生器為形成線型Marx發生器，包括N級充放電單元，N級PFL并聯充電，每級的PFL同一端的屏蔽層、芯端口通過一對耦合電感連入電路，且此耦合電感對呈同名端方式連接于PFL ;每級的PFL及耦合電感對的相關參數相同，N級PFL回路每一側的I禹合電感同名端方向一致；各級PFL通過磁開關MS關串聯放電，第n+1級PFL的充電電流流入端通過磁開關MS與η級PFL的充電電流流出端相連，各級磁開關MS具有相同參數且耦合于同一磁芯；第N級PFL的線皮連接至匹配負載。所述的相鄰充放電單元的磁開關MS的充電電流流出端之并聯一個與充電電流流向相同的二極管。所述的在最末級磁開關MS與首級磁開關MS的充電電流流出端之并聯一個二極管。所述的方波倍壓Marx發生器為形成線充放電端口隔離型Marx發生器，包括N級充放電單元，N級PFL并聯充電，每級PFL首端的屏蔽層、芯端口通過一對耦合電感連入電路，且此耦合電感對呈同名端方式連接于PFL，每級的PFL及耦合電感對的相關參數相同，N級PFL回路每一側的耦合電感同名端方向一致；各級PFL通過磁開關MS關串聯放電，第n+1級PFL的尾端線芯通過磁開關MS與η級PFL的尾端線皮相連,第一級的PFL的線芯通過磁開關MS連接至地,各級磁開關MS具有相同參數且耦合于同一磁芯；第N級PFL的線皮連接至匹配負載。所述的可調脈沖源為頻率、脈寬可調的脈沖源。所述的磁開關MS采用多個磁芯疊置并纏繞導線的方式構成，通過改變繞線匝數以及磁開關個數調節磁開關的參數伏秒積α，即磁芯從負向飽和到正向飽和過程中磁通鏈的增加值，從而控制一定電壓下磁開關的飽和時間。由于磁開關飽和前后其等效電感值發生突變，可將磁開關兩個端子在飽和前視為斷開，在飽和后視為接通，產生類似開關的工作特性，從而磁開關飽和后使各級PFL串聯放電。基于PFL的方波脈沖發生器所接負載為匹配負載NZtl, N為級數，Z0為PFL的特征阻抗。與現有技術相比，本專利技術具有以下有益的技術效果本專利技術提供的基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器，利用耦合電感充電與隔離，磁開關為脈沖形成開關，脈沖形成線為方波發生元件的高重復頻率的方波倍壓Marx發生器。通過耦合電感對N級PFL進行并聯充電，要求每級PFL的Zp I、V參數均一致，充電至峰值后各級磁開關同時飽和導通；N級PFL串聯對匹配負載NZO放電，通過波過程每一級PFL在匹配負載上產生-倍充電電壓2!脈寬的方波脈沖，各級疊加從而獲得#倍充電電壓、脈寬的重復頻率高壓 V2V方波脈沖。本專利技術提供的基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器，脈沖形成開關為磁開關(可飽和電感)，取代了傳統的氣體開關，鑒于磁開關沒有電極燒蝕與絕緣恢復的問題，從而使得本電路可以在高重復頻率下運行，后述實例中本方波源可達到20kHz以上的重復工作頻率，遠遠高于傳統基于脈沖形成線方波源的IOOHz量級重復工作頻率。磁開關的使用亦產生了陡化方波上升沿的作用。本專利技術提供的基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器，采用了耦合電感隔離型Marx發生器的結構，保證了快速充電，降低了對可飽和電感的伏秒積要求。 本專利技術提供的基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器，實現了可倍壓的方波脈沖發生功能。只要輸入電源是重復頻率，就可以讓倍壓方波發生器工作于重復頻率狀態。附圖說明圖I為基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器(二級)的電路結構圖。圖2為二級基于磁開關的形成線型典型Marx發生器的電路拓撲圖。圖3為基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器(二級)的實驗電壓波形圖。圖4為基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器(二級)的的仿真電壓波形圖。圖5為二級基于磁開關形成線充放電端口隔離型Marx發生器電路拓撲圖。圖6為二級基于磁開關并聯充電的形成線型Marx發生器電路拓撲圖。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器，其特征在于，包括可調脈沖源、磁脈沖壓縮電路、方波倍壓Marx發生器和匹配負載；磁脈沖壓縮電路經可調脈沖源充電后，對方波倍壓Marx發生器并聯充電，方波倍壓Marx發生器充電完成后串聯放電至匹配負載獲得輸出方波脈沖；磁脈沖壓縮電路包括與可調脈沖源并聯的電容C和與方波倍壓Marx發生器串聯的磁開關MS，電容C被可調脈沖源充電至峰值u0時，磁開關MS飽和導通，電容C通過磁開關MS的飽和電感向方波倍壓Marx發生器充電；方波倍壓Marx發生器包括N級充放電單元，每級充放電單元包括一個PFL、一對耦合電感對和一個磁開關，PFL通過耦合電感對連入電路且耦合電感對呈同名端方式連接于PFL，磁開關MS連接相鄰級PFL的屏蔽層與芯，與耦合電感對連接于每級PFL的同端或異端；在充電時，耦合電感對對N級PFL進行并聯充電，充電至峰值后各級的磁開關MS飽和導通，N級PFL串聯放電至匹配負載。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁衛東，吳佳瑋，任航，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：