一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统

摘要

本发明公布了一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统，该系统包括Blumlein型脉冲形成网络、方波触发器、主开关和负载，通过主开关将Blumlein型脉冲形成网络和方波触发器连接在一起，负载连接在Blumlein型脉冲形成网络的输出端；所述Blumlein型脉冲形成网络中各级采用的电容为薄膜电容，薄膜电容的容值为0.8-2nF，所述薄膜电容的输出端采用宽电极连接三螺钉固定输出；所述方波触发器包括储能脉冲形成线、均压电路和低抖动开关；本发明采用了低容值的薄膜电容，使得脉冲形成系统具有抗冲击性好、电气性能优良、工作温度范围宽、本身性能受环境影响小、工作寿命长等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及脉冲形成领域，特别是涉及一种方波触发的薄膜电容 Blumlein型脉冲形成系统，采用改进设计的低容值薄膜电容代替陶瓷电容。

背景技术

随着脉冲功率技术的不断发展，小型化、长寿命和模块化是高功率脉冲功 率源发展的必然趋势。然而，作为高功率微波源关键部件的高功率脉冲源，目 前都存在体积较大的问题，其中脉冲形成系统体积过大是其中亟待解决的问 题；只有实现了脉冲形成系统的小型化，才能真正意义上实现高功率脉冲源的 小型化。通常，脉冲形成系统的小型化设计包括脉冲形成线和触发系统的小型 化。高功率脉冲功率源中所用的脉冲形成线多为金属结构，尺寸较大，由此产 生了许多将脉冲形成线小型化的思想；如：选用高介电常数的介质陶瓷作为储 能材料，可大大缩小脉冲成形装置的体积；但大块陶瓷的烧结、制备难度大， 工艺不成熟，寿命短，进而严重制约了其在小型化脉冲功率源中的应用。激光 触发具有低抖动、稳定工作的优点，但系统体积庞大，对工作环境有严格要求， 难以达到小型化、实用化设计目标。因此，寻求一种抖动低、体积小、寿命长 的脉冲形成系统对脉冲功率技术的紧凑型、模块化发展具有重要意义。

薄膜电容具有抗冲击性好、电气性能优良、工作温度范围宽、本身性能受 环境影响小、工作寿命长等优点，其可满足系统长期、可靠稳定运行要求，但 是现有薄膜电容的容值过大，要形成脉宽100-200ns的方波脉冲非常困难。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有Blumlein型脉冲形成系统中陶瓷电容的长 时间、重频工作条件下的寿命问题，同时因为现有薄膜电容的容值过大，要形 成脉宽100-200ns的方波脉冲非常困难，现在提出一种改进的薄膜电容，容值 为0.8-2nF，同时采用紫铜电极连接片代替传统的螺旋形电感，来降低级电感， 最后实现Blumlein型脉冲形成系统输出脉冲宽度为100-200ns。

本发明采用如下技术方案：一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成 系统，该系统包括Blumlein型脉冲形成网络、方波触发器、主开关和负载，通 过主开关将Blumlein型脉冲形成网络和方波触发器连接在一起，负载连接在 Blumlein型脉冲形成网络的输出端；所述Blumlein型脉冲形成网络中各级采用 的电容为薄膜电容，薄膜电容的容值为0.8-2nF，所述薄膜电容的输出端采用 宽电极连接三螺钉固定输出；所述方波触发器包括储能脉冲形成线、均压电路 和低抖动开关，储能脉冲形成线的一端与主开关触发极相连接，另一端连接到 低抖动开关的阳极；均压电路的高压端连接在主开关阳极，均压端连接到主开 关触发极，低压端与Blumlein型脉冲形成网络的接地端相连接；低抖动开关的 阳极与储能脉冲形成线相连接，阴极接地。

在上述技术方案中，所述储能脉冲形成线的电长度可调。

在上述技术方案中，所述均压电路的电路参数可调。

在上述技术方案中，增加所述薄膜电容的内部子模块的数量，降低电容的 容值。

在上述技术方案中，增加所述子模块两个电极之间的距离，降低子模块的 容值。

脉冲形成网络形成波形脉宽由级电容、级电感以及级数综合确定；此处， 以均匀型脉冲形成网络加以说明。如：当采用n节均匀网络时，每节级电感 L₀（即紫铜电极连接片与电容内感之和）一般在几十～百nH，电容内感在20nH 左右，紫铜电极连接片电感由矩形截面导线电感计算公式 确定，l为电极连接片长度，b、c分别为矩形电 极连接片截面边长。级电容为C₀，大小0.8～2nF。每级网络对脉宽 的贡献约为10～30ns，具体数值由选择的电容容值及设计的 紫铜电极连接片电感确定；阻抗一般为几欧～十几欧。n节脉冲形 成网络的脉冲宽度τ与阻抗Z分别由公式确定。

方波触发器基于脉冲形成线储能与均压技术，均压电路选用对直流信号和 脉冲信号都有较好响应的阻容均压。当薄膜电容Blumlein型脉冲形成网络充电 至设定电压V₀，方波触发器储能脉冲形成线充电电压为V₀/2。此时，方波触 发器中低抖动开关对地导通，一个幅值为-V₀/2，脉宽为的2τ₀（τ₀为方波触发 器储能脉冲形成线电长度）方波信号向主开关触发极传播。当触发信号到达触 发极时，主开关电场强烈畸变，开关导通。

本发明的优点在于：通过本发明中的脉冲形成系统，采用了低容值的薄膜 电容，使得脉冲形成系统具有抗冲击性好、电气性能优良、工作温度范围宽、 本身性能受环境影响小、工作寿命长，可长时间重频工作而不影响系统；方波 触发器中采用了均压电路和低抖动开关，使得其能稳定触发脉冲形成网路，实 现最终输出的脉冲方波抖动更低、波形幅度更平稳。

附图说明

本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明Blumlein型脉冲形成网络具体连接图；

图3是Blumlein型脉冲形成网络放电曲线图；

图4是本发明的一个脉冲波形图；

其中：1是薄膜电容、2是紫铜连接片、3是薄膜电容输出端、4是储能脉 冲形成线、5是均压电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，整个脉冲形成系统包括Blumlein型脉冲网络、方波触发器、 主开关和连接在Blumlein型脉冲网络输出端的负载，本方案中的Blumlein型 脉冲形成网络采用改进后的薄膜电容1，薄膜电容1的容值为0.8-2nF，最终输 出的脉冲波形脉宽为100-200ns；采用方波触发器对Blumlein型脉冲网络进行 触发，方波触发器包括储能脉冲形成线4、均匀电路5和低抖动开关，该触发 器具有触发电压维持时间长、触发抖动低的优点。储能脉冲形成线4的一端与 主开关触发极相连接，另一端连接到低抖动开关的阳极；均压电路5的高压端 连接Blumlein型脉冲形成网络的主开关阳极，均压端连接到主开关触发极， 低压端与脉冲形成网络的接地端相连接；低抖动开关的阳极与储能脉冲形成线 相连接，阴极接地。储能脉冲形成线4的电长度是可调的，均匀电路5的各项 电路参数也能根据实际需要进行调动，采用低抖动开关为Blumlein型脉冲网 络的低抖动、稳定工作奠定基础。

在本方案中，为了实现0.8-2nF的薄膜电容1，将传统的薄膜电容进行改 进，优化薄膜电容1内部子模块，增加子模块的数量，并将子模块依次串联起 来，由C₀=C/n（C₀为整体电容，C为子模块的电容，n为子模块的个数）可知， 整体电容的容值和串联的子模块数量成反比；同时优化子模块内部结构，增加 两个电极之间的相互距离，使得两个电极间的介质厚度增加，子模块的容值也 就相应的降低。由C₀=C/n可以得到，C减小n增加，那么整个薄膜电容1的 容值也就必然降低。

如图2所示，本发明中薄膜电容1之间的连接采用紫铜连接片2固定在薄 膜电容输出端3上，将数个电容连接在一起，薄膜电容输出端3采用宽电极连 接三螺钉固定输出。为了增加连接接触面，采用双螺钉将紫铜连接片2固定在 薄膜电容输出端3上。紫铜连接片2相隔较远，距离一般在几十～百毫米，利 用毕奥-萨伐尔定律可推导出两电极连接片之间的互感为：

$M=\frac{{\mu }_0}{4\pi }[(a+b+d)\ln (a+b+d)+d\ln d-(a+d)\ln (a+d)-(b+d)\ln (b+d)],$其中a、b分别 为相邻两连接片长度，d为两连接片间距离。通过计算，可知两电极连接片间 的互感可基本忽略。

本系统的工作过程为，当电源给Blumlein型脉冲形成网络充电至电压V₀时，方波触发器中低抖动开关对地导通，一个幅值-V₀/2、脉宽2τ₀的方波信号 向主开关的触发极传播。延时τ₀后，主开关中电场强烈畸变，进而发展导通， Blumlein型脉冲形成网络通过其对负载放电。当负载与Blumlein型脉冲形成网 络阻抗匹配时，可在匹配负载上获得幅值为V₀，脉宽为τ高压脉冲。近负载的 电容C₁通过电感L₁、L₁₁（L₁为电极连接片电感，L₁₁为电容内感）向负载放 电；经过第一级网络的放电延迟时间后，C₂经过L₁，L₁₁，L₂， L₂₂向负载开始放电，依次类推。得到每级电容通过电感对负载放电的曲线如 图3中实线所示。每级电容的充电电压相同，而由于电容、电感的不同使得放 电时间常数不同，因此每级电容对负载放电的电压幅度也不同。通过对每级电 容放电波形进行叠加，获得整个脉冲形成网络的脉冲形成波形，如图3中虚线 所示。

具体实施例：

制一个输出电压20kV、脉宽160ns的方波触发的薄膜电容Blumlein型脉 冲形成系统，Blumlein系统特征阻抗14Ω。

低容值、低电感薄膜电容容量为1.5nF，电极连接片长60mm、宽48mm、 厚2mm。紫铜电极连接片上通孔孔径为7mm，固定到同一电容上的两孔间距 为30mm，通孔距离电极连接片边缘9mm。

根据计算，得到每级电极连接片电感为52nH，考虑电容内感20nH；计算 得到脉冲形成网络阻抗z～7Ω，每级脉冲形成网络对脉宽的贡献为20ns，160ns 脉宽需要的脉冲形成网络级数为8。

方波触发器储能脉冲形成线电长度为50ns，即触发脉冲宽度为100ns。均 压电路为对直流信号与脉冲信号都有较好响应的阻容均压；均压电阻不仅要起 均压作用，而且不能让初级储能通过其较快漏掉，此处选为10MΩ；初级充电 电源通过均压电阻放电的同时也对均压电容充电，为保证均压电容对能量的传 输效率没有大的影响，均压电容需远小于Blumlein型脉冲形成网络电容24nF， 此处选定为525pF。低抖动开关为辉光放电触发赝火花开关。

薄膜电容Blumlein型脉冲形成网络充电20kV，在方波触发器触发下；8 级Blumlein型脉冲形成网络在匹配负载14Ω上可输出电压20kV，脉宽160ns 的脉冲。所设计的准方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统模块尺寸 为：600mm×100mm×320mm，体积约0.019m³。

为验证发明的方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统的脉冲形成 特性，对其进行了仿真分析。结果表明其能够形成较好的脉冲方波，脉冲宽度 约160ns，如图4所示。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方 式组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。