[发明专利]一种全固态方波脉冲发生器

摘要

本发明涉及一种方波脉冲发生器，具体涉及一种基于分数比可饱和脉冲变压器和Marx发生器的全固态方波脉冲发生器，属于脉冲功率领域。所述脉冲发生器由充电模块、脉冲升压模块、脉冲形成模块、负载模块组成；本发明不仅可以降低脉冲变压器原边工作电压和副边饱和电感，实现脉冲变压器和磁开关的紧凑集成；而且使用磁开关取代传统Marx发生器中的气体开关，使得整个系统的寿命和重复频率大大提升；利用高压硅堆取代传统Marx发生器中的隔离电感，有效消除了预脉冲问题；同时通过反谐振网络能够输出质量较高，平顶度好的准方波脉冲，做到系统的完全固态化、小型化，体积小，重量轻，便于运输和实用，且避免了高压脉冲发生器的多开关串联结构，可提高使用寿命。

主权项

1.一种全固态方波脉冲发生器，其特征在于：所述脉冲发生器由充电模块、脉冲升压模块、脉冲形成模块、负载模块组成；所述充电模块作为脉冲发生器的能量供应模块，其通过脉冲升压模块给脉冲形成模块充电，并为脉冲升压模块中的分数比可饱和变压器磁芯提供自动复位的电流；所述脉冲升压模块为FRSPT与Marx发生器级联，一方面，FRSPT作为脉冲变压器对Marx发生器进行谐振充电，另一方面，FRSPT作为Marx发生器串联放电回路的控制开关；所述脉冲形成模块用于形成波形前后沿时间合理、平顶度好的准方波脉冲；所述负载模块由金属氧化物压敏电阻与电阻性负载并联构成，MOV由于其良好的非线性伏安特性用于对波形的进一步整形，刚化准方波脉冲的平顶；所述充电模块由直流稳压电源、隔离电感L01、L02、…、L0N、原边电容C01、C02、…、C0N和开关S01、S02、…、S0N以及FRSPT初级绕组构成，N≥1；所述直流稳压电源为原边电容C01、C02、…、C0N提供能量，根据原边电容C01、C02、…、C0N的充电电压确定直流稳压电源的工作电压、工作电流；隔离电感L01、L02、…、L0N用来起保护作用，在一路原边电容C0n发生故障时，可以保护其它支路中原边电容的安全，n＝1,2,…,N；原边电容C01、C02、…、C0N用作FRSPT的原边储能电容；开关S01、S02、…、S0N用于控制原边电容对FRSPT放电的时间；所述充电模块的工作过程为：直流稳压电源通过隔离电感L01、L02、…、L0N对原边电容C01、C02、…、C0N充电，当需要对FRSPT充电时，开关S01、S02、…、S0N同步导通，使原边电容放电；所述脉冲升压模块由FRSPT与m级Marx发生器构成，m为正整数；所述FRSPT由变压器内芯、初级绕组和次级绕组构成；所述变压器内芯由N块磁芯和相应的绝缘套筒构成，关于变压器中心轴旋转对称；N块磁芯均为相同尺寸的磁环，每块磁环采用由铁基非晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装而成；由于磁芯具有一定的导电性，故采用圆环形聚丙烯材料加工成绝缘套筒，套在磁芯外部进行绝缘；磁芯和套在其外部的绝缘套筒共同构成变压器内芯，N块变压器内芯沿变压器中心对称轴方向堆叠，从上至下依次为第一块、第二块、…、第N块；为保证励磁均匀，本发明中FRSPT初级绕组部分由两组完全相同的初级子绕组构成，且两组初级子绕组关于变压器的中心轴具有轴对称性，每组初级子绕组由第1路初级子绕组、第2路初级子绕组、……、第N路初级子绕组组成，N路初级子绕组均采用耐压大于10kV的高压线绕制，匝数均为Np匝；第1路初级子绕组从第1块变压器内芯顶部穿入，从里面包围第1块内芯后，从第1块内芯底部和第2块内芯顶部间隙中穿出；第2路初级子绕组从第2块变压器内芯顶部与第1块变压器内芯底部的间隙中穿入，从里面包围第2块内芯后，从第2块内芯底部与第3块内芯顶部间隙中穿出，……，按照相同的规律，直到第N路初级子绕组从第N块变压器内芯顶部与第N‑1块变压器内芯底部的间隙中穿入，从里面包围第N块内芯后，从第N块内芯底部穿出；第1路初级子绕组的输入端与第1路控制开关S01相连，第2路初级子绕组的输入端与第2路控制开关S02相连，……，第N路初级子绕组的输入端与第N路控制开关S0N相连，N路初级子绕组的输出端全部并联在一起作为总的输出端接地；本发明中FRSPT的次级绕组由第1组次级绕组、第2组次级绕组、……、第m组次级绕组构成，每一组次级绕组均包含j路并联的线绕式次级子绕组，j为正整数，这j路次级子绕组共磁芯，沿圆周方向依次排列，均采用耐压大于10kV的高压线绕制，每一路次级子绕组的绕线匝数均为Ns匝；第1组次级绕组的第1路次级子绕组从第1块变压器内芯顶部穿入，包围所有N块变压器内芯后从第N块变压器内芯底部穿出，第1组次级绕组的第2路次级子绕组从第1块变压器内芯顶部穿入，包围所有N块内芯后从第N块变压器内芯底部穿出，……，第1组次级绕组的第j路次级子绕组从第1块变压器内芯顶部穿入，包围所有N块内芯后从第N块变压器内芯底部穿出，……，按照这样的规律，直到第m组次级绕组的第j路次级子绕组从第1块变压器内芯顶部穿入，包围所有N块内芯后从第N块变压器内芯底部穿出，次级共完成m×j路次级子绕组的布线；m级Marx发生器由第1组Marx发生器级电容C11和隔离硅堆单元D11、第2组Marx发生器级电容C22和隔离硅堆单元D22、……、第m组Marx发生器级电容C1m和隔离硅堆单元D1m构成，每一组级电容由多个单体耐压50kV/2nF的陶瓷电容并联而成，并联的陶瓷电容器数量由级电容C1m的电容量决定；每组隔离硅堆采用单体50kV/3kA的圆柱形高压硅堆；第1组级电容C11一端与FRSPT第1组次级绕组输出高压端相连，另一端与第1组隔离硅堆D11正极相连，第1组隔离硅堆D11的负极与FRSPT第1组次级绕组的输出低压端共同接地；第2组级电容C12一端与FRSPT第2组次级绕组输出高压端相连，另一端与第2组隔离硅堆D12正极相连，第2组隔离硅堆D12的负极与FRSPT第2组次级绕组的输出低压端共同连接第1组隔离硅堆D11的正极；第3组级电容C13一端与FRSPT第3组次级绕组输出高压端相连，另一端与第3组隔离硅堆D13正极相连，第3组隔离硅堆D13的负极与FRSPT第3组次级绕组的输出低压端共同连接第2组隔离硅堆D12的正极，……，按照这样的规律，直到第m组级电容C1m的一端与FRSPT第m组次级绕组的输出高压端相连，另一端与第m组隔离硅堆D1m正极相连，第m组隔离硅堆D1m的负极与FRSPT第m组的输出低压端共同连接第(m‑1)组隔离硅堆D1(m‑1)的正极，第m组隔离硅堆D1m的正极作为m级Marx发生器的高压输出端通过高压线与脉冲形成模块相连；所述脉冲形成模块由一个主电容C1、一个主电感L1和(Q‑1)节整形网络组成的Q节反谐振网络构成，整形网络由并联的整形电容C2与整形电感L2、并联的整形电容C3与整形电感L3、…、并联的整形电容CQ与整形电感LQ串联组成；第一节整形网络的一端连接m级Marx发生器高压输出端，另一端连接第二节整形网络的一端；第二节整形网络的另一端连接第三节整形网络，……，按照这样的规律，直到第(Q‑1)节整形网络的一端与第Q节整形网络的一端连接，第Q节整形网络的另一端与负载模块相连；主电感L1与(Q‑1)节整形网络串联，在实际工程中，一般不需要实际连接主电容C1和主电感L1，主电容C1可以用m级Marx发生器中的级电容C1q放电时的串联电容代替，q＝1,2,…,m，主电感L1可以用电路中的回路电感代替；所述负载模块由金属氧化物压敏电阻并联电阻性负载组成，所述MOV由多个圆柱形氧化锌电阻片单体串联而成，利用其电阻值随外电压敏感变化这种特殊的非线性伏安特性感知、限制电路中的异常过电压，从而起到刚化平顶的作用，串联的氧化锌电阻片的数量由负载上的输出电压决定。