[发明专利]一种组合脉冲形成网络及方法

说明书

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体地说涉及了一种组合脉冲形成网络。

背景技术

高功率脉冲技术是通过把“慢”存储起来的具有较高密度的能量从空间和时间上进行快速的压缩，转换或直接输出给负载来实现的。近50年来，高功率脉冲技术迅速发展引人注目。目前，已经能够在很短的时间内生成数十兆电子伏，高达数兆安培量级的强流电子束和离子束。目前使用的规模较大的脉冲功率系统，其基本原理是首先生成电压上升时间为微秒量级的高压慢脉冲，再由功率形成系统转化为高压大功率的快脉冲(电压的上升时间一般在纳秒级)。

高功率脉冲技术在日益广泛应用的同时，一些新的应用技术对高功率脉冲电源提出了新的要求。以脉冲等离子体岩石破碎技术为例，该技术要求的脉冲电源在岩石击穿前后提供特性阻抗完全不同的电压脉冲。具体的说，在岩石击穿前，负载需要电压上升时间很短的高压短脉冲来实现对岩石的电击穿(脉冲上升时间＜100ns，电压上升速率＞3kV/ns)；在岩石击穿后，需要一段后续的长脉冲对电击穿形成的等离子体通道进行加热(脉宽需要在200～500ns)，进而实现岩石的破碎。简单的说，第一个阶段需要电源提供高的电压(小的电流)，第二个阶段需要电源提供大的电流(低的电压)。然而，现有应用于这些领域的高压脉冲电源，如Marx发生器，L-C倍压器等，都是同是同时提供高的电压和大的电流装置，当负载的阻抗急剧变小时，大量的电功率都消耗在限流电阻上，不但浪费大量的电能，而且发热会引起电子器件的烧蚀，降低了电源的使用寿命。

发明内容

本发明目的是提供一种与变阻抗的负载相匹配的组合脉冲形成网络及方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该组合脉冲形成网络主要包括脉冲形成线、储能电容器、开关和脉冲传输线，所述脉冲形成线的输出端分别与储能电容器的高压端和开关的阳极相连，储能电容器的低压端接地，开关的阴极与脉冲传输线的输入端连接。

进一步地，本发明还包括初级高压脉冲充电电源，该初级高压脉冲充电电源与脉冲形成线的输入端相连。

本发明形成组合脉冲的方法主要包括以下的步骤：

(1)利用初级高压脉冲充电电源对脉冲形成线和储能电容器进行充电；

(2)脉冲形成线和储能电容器充电到预定值后，导通开关，生成与储能电容器上电压幅值相等的高压短脉冲，该高压短脉冲由脉冲传输线传输到负载上；

(3)当所述高压短脉冲衰减到一半时，脉冲形成线生成后续的长脉冲，该长脉冲经脉冲传输线传输到负载上，由此形成所述组合脉冲。

与现有技术相比，本发明的主要优点是：该脉冲形成线网络能够实现在负载阻抗高时提供高电压使其击穿，负载阻抗变低后提供后续的长脉冲实现对其特定的物理加工或化学反应。与现有的高压脉冲电源相比，本发明不需要在电路中加入大的限流电阻(该限流电阻在现有的高压脉冲电源中是为了减弱大电流对电源内部器件的冲击)，因而大大提高了能量利用效率，电源的寿命也得到了极大的提高。该组合脉冲形成网络可以广泛应用在等离子岩石破碎、材料的电加工等领域。

附图说明

图1是本发明一种组合脉冲形成网络的工作电路图；

图2是本发明一种组合脉冲形成网络应用于脉冲等离子体钻井技术时的工作电路图。

具体实施方式

在图1中，初级高压脉冲充电电源1的输出端连接到脉冲形成线2的输入端；脉冲形成线2的输出端分别与储能电容器4的高压端和开关3的阳极相连，储能电容器4的低压端可靠接地，开关3的阴极与脉冲传输线5的输入端相连；脉冲传输线5的输出端与负载6的工作电极相连。

本发明组合脉冲形成网络中的脉冲形成线2可以采用同轴电缆、平板脉冲形成线、人工形成线或其它任何形式的脉冲成形系统；储能电容器3为低电感、可重复充放电的高压陶瓷电容或其它形成的电容；开关4为低电感、耐高压和长寿命的大电流开关。