一种基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明属于脉冲方波发生器技术领域，涉及一种基于磁开关的重复频率 的倍压方波发生器。

背景技术

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1（Harjes H,Reed K,Buttram M,et al.The Repetitive High Energy  Pulsed PowerModule[C],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 Energy Pulsed 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，2010，1(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10Hz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100Hz数量级，难以适应当前 工业的发展需求。

发明内容

本发明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。

本发明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Z₀、长度l、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、脉宽的方波脉冲，各级叠加 获得倍充电电压、脉宽的重复频率高压方波脉冲。

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的充电电流流入 端通过磁开关MS与n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n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NZ₀，N为级数，Z₀为 PFL的特征阻抗。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明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Z₀、l、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NZ0放电，通过波过程每一级PFL在匹配负 载上产生倍充电电压、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方波脉冲。

本发明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。

本发明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。

本发明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1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。

图7-1～7-2为二级基于磁开关并联充电二极管限流的形成线型Marx发 生器电路拓扑图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。

本发明提供一种基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器，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。

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（脉冲形成线）、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。

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NZ₀，N为级数，Z₀为 PFL的特征阻抗。

基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器的倍压方波产生如下：

通过耦合电感对N级PFL进行并联充电，要求每级PFL的等效阻抗Z₀、 长度l、波传播速度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NZ₀放电，通过波过程每一级PFL在匹配负载上产 生倍充电电压、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方波脉冲。

具体的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。由于耦合电感、磁 开关与形成线连接方法的不同，该Marx发生器有多种拓扑结构，列举若干 典型电路拓扑结构如下。

实施例1

参见图1、图2，基于磁开关的形成线型典型Marx发生器，包括频率脉 宽可调脉冲源；磁脉冲压缩电路；基于磁开关的形成线型Marx发生器；匹 配负载四个部分，其中线型Marx发生器的结构为：

N级PFL并联充电，每一级PFL一端的屏蔽层（皮）、芯端口均通过一 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，N级PFL 及其耦合电感对的相关参数应完全相同，N级PFL回路每一侧的耦合电感同 名端方向应一致。各级PFL通过磁开关串联放电的连接方法为：第n+1级 PFL的充电电流流入端通过可饱和电感(磁开关)与n级PFL的充电电流流出 端相连，各级可饱和电感应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。

当C₁被前级电路充电至峰值u₀时，磁开关MS₁饱和导通，随后C₁通过 MS₁的饱和电感开始向Marx发生器谐振充电。在此充电阶段，Marx发生器 的耦合电感的电流总和为0，从而保证其可视为短路。因此，Marx发生器相 当于两个PFL并联，获得良好的充电一致性。

当PFL₁与PFL₂并联谐振充电至峰值u₀时，磁开关MS₂与MS₃饱和导通， PFL₁与PFL₂迅速串联放电至匹配负载Z_L(Z_L等于2Z₀)，此时耦合电感起到级 间隔离作用。每一级PFL通过波过程在匹配负载上形成幅值倍充电电压 u₀、脉宽的方波脉冲，两级叠加从而获得幅值u₀、脉宽的重复频率高 压方波脉冲，从而实现倍压、高重复频率、方波脉冲输出的目标。

实验选取的脉冲形成线PFL₁-PFL₂为SYV系列射频同轴电缆，型号为 5-3-1，波阻抗为75Ω，长度为95米，频率脉宽可调脉冲源产生幅值300V、 脉宽4μs的脉冲输出，匹配负载为150Ω电阻。

图3所示为实验波形，可见PFL₁-PFL₂充电一致性保持较好，PFL₁-PFL₂充电至峰值320V时，磁开关MS₂-MS₃饱和导通，PFL串联放电至匹配负载 形成方波产生了380V、脉冲半高宽800ns、上升沿330ns的方波波形，实现 良好的倍压。

图4为Pspice软件仿真所得波形，PFL充电至峰值440V，磁开关饱和 导通，匹配负载上产生幅值480V，上升沿约170ns，脉冲宽度约950ns的方 波，验证了良好的倍压及其方波发生特性。

实施例2

图5所示为二级形成线充放电端口隔离型Marx发生器电路拓扑图，与 二级基于磁开关的形成线型Marx发生器的电路拓扑结构相比，改变磁开关 的连接方法：PFL₅与PFL₆首端通过耦合电感连入电路，尾端通过磁开关的 连接串联放电至匹配负载。

尾端磁开关的接法为：首级PFL尾端的线芯通过MS7接地，n级PFL 尾端线皮通过磁开关连接至n+1级PFL尾端线芯。充电过程耦合电感呈现小 电感相当于短路，磁开关呈现大电感相当于断路，Marx发生器相当于PFL 并联，获得良好的充电一致性。

二级形成线充放电端口隔离型Marx发生器的优点在于，串联放电瞬间 PFL首端的电压波动需经过一个传输时间的波过程才传输至放电的尾端， 可以改善在匹配负载上输出方波的上升沿，从而获得更高质量的方波脉冲。

实施例3

图6所示为二级磁开关并联充电型Marx发生器电路拓扑图，与二级基 于磁开关的形成线型Marx发生器的电路拓扑结构相比，对调了磁开关与PFL 的位置。通过耦合电感对磁开关MS₁₀-MS₁₂进行并联充电。

二级磁开关并联充电型Marx发生器的优点在于，原有电路拓扑结构当 磁开关MS₁₀-MS₁₂阻抗与PFL₉-PFL₁₀阻抗相比较小时，充电过程中MS₁₀-MS₁₂会流过较大电流，造成流过各个耦合电感的电流不同，从而磁通不平衡， PFL₉-PFL₁₀充电一致性变差。图6所述拓扑结构在磁开关上流过较大电流时， 将改善耦合电感的磁通平衡情况，从而陡化输出方波的上升沿。

图6所示二级磁开关并联充电二极管限流型Marx发生器会在串联放电 时，在匹配负载上出现预充电现象，可以通过二极管限制反向流通的特性以 改善波形，从而形成如附图7-1、图7-2所示的二级磁开关并联充电二极管 限流的形成线型Marx发生器，二极管将减少预脉冲获得更高质量方波脉冲。