准方波高压脉冲产生模块及MARX发生器

摘要

准方波高压脉冲产生模块，包括n组并联的模块支路,所述的每组模块支路由多个子支路并联组成,每个子支路由电感和电容串联组成，第k个模块支路的各子支路的电感值为：

说明书

技术领域

本发明属于高压脉冲功率技术领域，涉及高压脉冲产生装置，具体是一种准方波高压脉冲产生模块及MARX发生器。

背景技术

脉冲功率技术又称高功率脉冲技术，它是一个研究在相对较长的时间里把能量储存起来，然后经过快速压缩、转换，最后有效释放给负载的新兴科技领域。脉冲功率技术研究的电参数范围一般是：电压1kV~10MV，电流1kA~100MA，脉冲宽度0.1ns~1ms，脉冲功率大于1MW。

高功率方波脉冲的产生方法是脉冲功率技术研究的一个重要方向。高功率方波脉冲在闪光照像、驱动高功率微波二极管、高能加速器等领域均有较多的应用。目前的方波脉冲产生主要采用水介质脉冲形成线的方式，采用Marx发生器或脉冲变压器对水介质脉冲形成线充电，水介质脉冲形成线放电产生方波脉冲，系统体积较大。

MARX发生器是一种对电容器并联充电串联放电产生高功率脉冲的电路，如图1所示给出一种典型的MARX装置，包括三级全控开关级，充电器件和隔离器件均为电阻，全控开关为功率开关器件，例如三极管或MOS管，当输入电压在IN端输入5V直流电压，在充电阶段，三个全控开关M1-M3全部关闭，三个电容均充电至5V。充电完成后，同时打开三个全控开关，由于电容两端电荷守恒，同时隔离器件阻抗较大，第一级全控开关级的电容电荷抬升B1点电压，进一步使O2点电压升高，在不计损耗的情况下，O2点电压升高至10V，同理O3点电压提升至15V，相对5V的输入电压，实现了在输出端得到3倍输入电压的输出电压。

发明内容

为克服现有高压脉冲设备体积庞大，效率较低的技术缺陷，本发明公开了一种准方波高压脉冲产生模块及MARX发生器。

本发明所述准方波高压脉冲产生模块，包括n组并联的模块支路, 每组模块支路由多个模块子支路并联组成, 所述模块子支路由电感和电容串联组成，各个模块子支路的电感值：

-----①

各个模块子支路的电容值

-----②

下标k表示第k个模块支路，m为该模块支路所并联的模块子支路数量,T为输出脉冲的脉宽周期，Z为模块阻抗，所述n为大于1的正整数, m为不小于1的正整数。

优选的，除第一个模块子支路电容取值外；第一个模块子支路的电感取值及其余各个模块支路中电感、电容的实际取值为①至②式所示数值的正负5%误差范围内任意值。

本发明还公开了一种MARX发生器，包括多个储能装置和位于储能装置之间的隔离器件和放电开关，其特征在于，所述储能装置为如上所述的准方波高压脉冲产生模块，所述隔离器件为电感。

采用本发明所述的准方波高压脉冲产生模块及MARX发生器，采用多个不同振荡周期放电支路并联构成准方波高压脉冲产生模块，可以由多个模块通过MARX发生器电路结构实现高电压准方波脉冲输出。该装置集储能与脉冲形成为一体，具有体积小、效率高的优点。

附图说明

图1为传统MARX发生器的一种具体实施方式示意图；

图2示出本发明所述准方波高压脉冲产生模块的电路示意图；

图3示出本发明所述准方波高压脉冲产生模块的一种具体实施方式结构示意图；图2虚线框内表示模块支路；

图4示出图3所示准方波高压脉冲产生模块在取不同模块支路数量时的输出波形图，图4中横坐标为时间，纵坐标为在负载电阻RL上的电压值； 

图5示出本发明所述MARX发生器的一种具体实施方式示意图，图5中虚线框内表示一个准方波高压脉冲产生模块；

图6示出图5所示MARX发生器的输出电压波形示意图，图6中横坐标为时间，纵坐标为在负载电阻RL上的电压值；

图中附图标记名称为：SW-放电开关，ISD-隔离器件，RL-负载，L1-第一模块支路的电感，L2-第二模块支路的电感，L3-第三模块支路的电感，C1-第一模块支路的电容，C2-第二模块支路的电容，C3-第三模块支路的电容。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。如图2所示，所述高压脉冲产生模块由n个模块支路并联组成，每个模块支路由多个子支路并联组成，所述模块子支路由电感和电容串联组成，各个模块子支路的电感值：

-----①

各个模块子支路的电容值：

-----②

下标k表示第k个模块支路，m为该模块支路所并联的子支路数量,T为输出脉冲的脉宽周期，Z为模块阻抗，所述n为大于1的正整数, m为不小于1的正整数。

每个电容器充电至相同的电压U₀，开关闭合时，电容对负载放电，由①②式可知，模块内的子支路可以简化至模块，此时每个模块支路电容，电感分别为

由叠加定理及诺顿定理，n个并联支路对负载放电可以等效为n个电流源并联放电，第k个电流源的电流为第k个模块的短路电流，可以求出第k个模块的电流值为

总电流为

ε（t）表示单位阶跃函数，复频域内

同时可以求出第k个模块的导纳为

n个模块的导纳之和为

由此可以求出当时负载R上的电压为

当R=mZ时

反变换得到

当负载匹配时即时 

实际使用中可以用较小的模块个数来实现近似方波输出，一般来说，模块个数越多，纹波越小，但考虑到高次谐波模块电容量远小于低次谐波，因此一般取n=2~5即可。由于采用有限个模块，各模块的电容及电感值存在一定偏差时（正负5%），对于输出波形的影响较小，当n=2~5，m=1时，电容电感由表1给出。

如图3所示为所述准方波高压脉冲产生模块的一种具体实施方式，图3中SW为开关，RL为负载，每个电容充电电压为1V。图3包括3个模块支路，则n=3，每个模块支路仅有1个模块子支路，即m=1，模块子支路由电感和电容串联组成，各个模块子支路的电感和电容取值应符合①②式或者按照表1中给出的电容及电感取值，此时设定Z=1Ω，T=100ns，进行电路模拟，图4给出了各个不同支路数的准方波高压脉冲产生模块模拟输出结果，输出电压幅值约为0.5V。随着支路数的增大，在脉冲的高压部分，纹波不断减小。

可以利用多个本发明所述准方波高压脉冲产生模块搭建MARX发生器，如图5所示为采用5个包括3条模块支路的准方波高压脉冲产生模块，各个准方波高压脉冲产生模块之间连接有隔离器件和放电开关，图5所示实施例中，采用电感作为隔离器件，放电开关可以选择继电器、二极管或三极管等。

如图6所示给出了对图5所示的MARX发生器的模拟波形，在充电电压为100KV时，匹配负载时输出电压可以达到250KV。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。