一种产生快前沿高电压单脉冲矩形波的电脉冲发生装置

摘要

本发明涉及一种产生快前沿高电压单脉冲矩形波的电脉冲发生装置，包括主机和薄膜开关，采用三板传输线(即下板电极、中板电极、上板电极)，通过采垂直放置薄膜开关技术、将负载电阻安置在空气中，并且电阻长度与三板传输线上、下板电极的距离相等等方式减小了各部件的杂散电容，在负载电阻上获得前沿小于1ns，脉宽10±1ns的脉冲方波波形，并且降低了传输线耐压能力的设计要求，无需采用特制高电压电缆作为传输线。解决了非同轴结构应用中存在波形畸变的技术问题，本发明减小了磨损，在设计与加工方面不需高要求也可达到足够的定位精度，提高了可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种单脉冲矩形波发生装置，特别是涉及一种产生前沿≤0.8ns、 幅值15～50kV可调、宽度为10ns左右的高电压单脉冲矩形波发生装置。

背景技术

单脉冲矩形波发生装置用于产生具有一定宽度的单脉冲矩形波，由于发 生装置中开关及连接结构等非理想因素的限制，实际输出波形为具有一定前 后沿的近似梯形波。在不与GB/T 9317-1988中方波定义相混淆的情况下，为 与本领域通常称呼相一致，在本发明中称这种矩形波为方波。其发生装置称 为方波发生器。

方波发生器在高电压、脉冲功率技术和电磁脉冲效应研究等领域中有重 要的用途，例如校验测量系统、作为效应实验信号源等。随着技术的发展， 前沿为数纳秒的脉冲在上述领域中经常会遇到。在这种情况下，对于高电压、 大电流的测量而言，如果对分压器、分流器、罗可夫斯基(Rogowski)线圈等测 量系统进行方波响应校验，就要求方波脉冲信号不但有快的前沿，而且要有 高的幅值。如果使用幅值较低的方波作为方波响应实验的信号源，经测量系 统衰减后的输出信号就很微弱，易受电磁干扰的影响，不易给出正确的结果。 此外，电磁脉冲效应研究对快前沿、高幅值的脉冲信号源的需求越来越迫切， 对方波发生器同样提出了快前沿和高幅值的要求。因此，研制前沿≤1ns、幅 值50kV左右的高电压方波发生器是很必要和有实际意义的。

已经公开发表的方波脉冲发生器的研究有以下文献：

[1]毛志国,邹晓兵,刘锐等.一种10kV方波电压发生器[J].高电压技术. 2007，33(10)41～44

[2]刘锐,邹晓兵,王新新.用于标定分压器的高电压毫微秒脉冲发生器[J]. 电工电能新技术.200625(02)64～66

[3]张琦,石立华,邵志学.50Ω输出的四形成线纳秒级高电压方波发生器设 计[J].电波科学学报2011,26(5):938～943

[4]贺元吉,张亚洲,李传胪.一种高压ns级脉冲形成电路.高电压技术, 2000,26(4):13～15

[5]S.Katsuki,K.Moreira,F.Dobbs et al.Bacterial decontamination with  nanosecond pulsed electric fields.Power Modulator Symposium,2002and 2002 High-Voltage Workshop,July,2002:648-651

文献[1-4]采取同轴传输线配合气体火花开关或真空开关产生方波脉冲， 前沿最短做到2ns，幅值最高10kV。

文献[5]使用固态三板传输线配场畸变开关产生方波脉冲，生成前沿2ns、 幅值30kV的方波脉冲。

以上文献中所使用的开关均为气体开关，间隙电感较大，不易达到前沿 0.8ns的指标。目前，满足前沿小于2ns的方波发生器通常使用汞润开关作为 其中的闭合开关，虽然输出方波的前沿很快，但方波的幅值通常只有几百伏 到2kV左右。目前了解到国内外一些方波发生器的性能参数，这些方波发生 器尚不能同时满足幅值高和前沿快两个方面的要求，或者技术过于复杂。

中国国家发明专利00113814.6(一种快前沿高电压方波脉冲发生器)介 绍了一种高电压方波发生器，该发生器使用单个放电间隙薄膜介质开关，绝 缘薄膜一侧的开关电极为杯盖形，内部安装针状金属细杆，利用电磁铁驱动 撞击薄膜进行触发。绝缘薄膜另一侧的开关电极采取套筒状变直径同轴结构， 与单根或多根并联的工业标准同轴电缆相连，传输线与开关结构相应，采用 单根或多根并联的工业标准同轴电缆，布置为双传输线形式，中间接阻抗为 传输线阻抗2倍的负载。工作时给传输线加高电压，驱动电磁铁触发薄膜开 关使之快速闭合，在传输线中引起电磁波折、反射过程，在负载上形成方波 脉冲。该方波脉冲由标准同轴电缆引出。对按该发明设计的原理样机的测试 结果表明，该发生器输出方波脉冲的前沿可达1至2ns，电压幅值可达12kV， 波形规则。根据该专利技术内容形成一篇文献如下：

[6]马连英，曾正中，费国强，等.基于绝缘薄膜开关的快前沿高压方波 发生器[J].电工电能新技术，2001(3)：38-40

相关专利00113814.6，所存在的问题有：

a、输出端为同轴型输出，对部分应用不方便，例如对于非同轴结构的分 压器、分流器等，在同轴型输出的方波发生器上标定并不方便，虽然可以采 用转换输出结构，但转换中将带来波形畸变，影响标定等应用。

b、由于采用标准同轴电缆作为高电压脉冲形成部件，为了配合同轴电缆 而设计的同轴型薄膜开关的工作电压偏低，难以满足幅值在12kV以上的应用 需求。

c、薄膜开关横向放置，容易磨损，对开关设计与加工精度的要求高，结 构复杂，降低了可靠性。

专利201420058247(一种基于薄膜开关的全自动方波发生器)是在专利 00113814.6基础上增加了自动换膜装置，并未解决以上问题。

发明内容

针对现有技术中所存在的问题，本发明的目的是获得一种前沿≤0.8ns、电 压幅值15～50kV可调的针对非同轴结构应用的方波发生器。本发明采用三板 传输线结构，解决了专利00113814.6在非同轴结构应用中波形畸变的问题； 该结构更方便非同轴结构测量探头的安装测试，也容易将电压提升至50kV。 另外，本发明通过采用垂直放置薄膜开关的方式，减小了磨损，在设计与加 工方面不需高要求也可达到足够的定位精度，提高了可靠性。

本发明的技术解决方案：

一种产生快前沿高电压单脉冲矩形波的电脉冲发生装置，包括主机和薄 膜开关，其特殊之处在于：所述主机包括主机外壳1、下板电极2、中板电极 3、上板电极4、中板引出电极5、上板引出电极6、至少三个下板支撑绝缘子 10、至少三个第一通用支撑绝缘子11、至少三个第二通用支撑绝缘子32、下 脉冲输出电极12、上脉冲输出电极13，主机盖板18和负载电阻15；

所述下板支撑绝缘子10固定在主机外壳1底部，所述下板电极2固定在 下板支撑绝缘子10上，所述下脉冲输出电极12穿过主机外壳1的侧壁且与 下板电极2固定连接，所述下脉冲输出电极12与主机外壳1的侧壁密封连接；

所述第一通用支撑绝缘子11固定在下板支撑绝缘子10上方，所述中板 电极3固定在第一通用支撑绝缘子11上，所述中板引出电极5的一端与中板 电极3固定连接，所述中板引出电极5的另一端穿过主机外壳1的侧壁且与 主机外壳1接触处密封连接；

所述第二通用支撑绝缘子32固定在第一通用支撑绝缘子11上，所述上 板电极4固定在第二通用支撑绝缘子32上，所述上脉冲输出电极13穿过主 机外壳1的侧壁且与上板电极4固定连接，所述上脉冲输出电极13与主机外 壳1的侧壁密封连接；所述上板引出电极6穿过主机外壳1的侧壁且与上板 电极4固定连接，所述上板引出电极6与主机外壳1的侧壁密封连接；所述 主机盖板18位于主机壳体1上方；

所述负载电阻15固定在下脉冲输出电极12和上脉冲输出电极13之间， 所述薄膜开关19固定在中板引出电极5和上板引出电极6之间。

上述薄膜开关19包括下电极20、上电极21、触发针22、触发针拉杆23、 连接座24、触发电磁铁25、触发针复位弹簧26、电磁铁吸盘27、换膜电磁 铁28、换膜复位弹簧29、电磁铁固定板30和绝缘薄膜31；

所述下电极20固定在中板引出电极5上，所述上电极21固定在上板引 出电极6上，所述触发针拉杆23和触发针22固定连接，所述触发针22位于 上电极21内，所述触发针拉杆23的另一端穿过触发电磁铁25与触发针复位 弹簧26后同触发针复位弹簧26另一端紧固。所述触发电磁铁25和上电极21 固定连接，所述触发电磁铁25另一端和电磁铁吸盘27紧固。所述连接座24 固定在上板引出电极6上，所述触发针拉杆23、触发电磁铁25、触发针复位 弹簧26和电磁铁吸盘27均位于连接座24内，所述连接座24的顶部固定有 电磁铁固定板30，所述电磁铁吸盘27和电磁铁固定板30之间设置有换膜复 位弹簧29，所述电磁铁固定板30上固定有换膜电磁铁28，所述换膜电磁铁 28位于连接座24内，所述换膜复位弹簧29套装在换膜电磁铁28上；

所述上电极21、下电极20为圆柱形，顶部为平面，与侧面通过通过1/4 圆弧平滑连接；

所述下电极20的顶部设置有下小孔，所述上电极21的顶部设置有上小 孔，所述下小孔与上小孔针对。

上述下脉冲输出电极12与主机外壳1的侧壁通过密封圈、密封盖板以及 螺钉固定密封连接；所述上脉冲输出电极13与主机外壳1的侧壁通过密封圈、 密封盖板以及螺钉固定密封连接。

上述负载电阻15由多根放置在空气中并联的陶瓷电阻组成。

上述上板电极4与上板引出电极6之间通过上板连接电极7连接。

上述下脉冲输出电极10与下板电极2之间设置有调节垫片且通过螺钉固 定连接；所述上脉冲输出电极13与上板电极4之间设置有调节垫片且通过螺 钉固定连接。

本发明技术解决方案的优点：

1、采用三板传输线代替同轴线作为Blumlein线，电极间绝缘介质采用变 压器油等液体绝缘介质，从而增强传输线的绝缘能力，提高了工作电压。由 于变压器油的介电常数大于空气，因此在相同脉宽的要求下，大大缩小了发 生器体积。同时，通过更换不同介电常数的非极性液态绝缘介质并匹配相应 的电阻，可改变输出方波脉冲的脉宽。

2、在高电压(±50kV)工作状态下，通过采用①前述的垂直放置薄膜开 关技术；②将负载电阻安置在空气中，并且电阻长度与三板传输线上、下电 极的距离相等等方式减小了各部件的杂散电容，在负载电阻上获得前沿小于 1ns，脉宽10±1ns的脉冲方波波形，并且降低了传输线耐压能力的设计要求， 无需采用特制高电压电缆作为传输线。

3、总体结构紧凑，可靠性高。薄膜开关、传输线和负载之间采用的连接 方式既牢固紧凑，又方便操作。

4、本发明通过采用垂直放置非同轴薄膜开关的方式，减小了磨损，在满 足足够的定位精度的前提下，降低了设计与加工方面的要求，提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明方波脉冲发生器结构示意图；

图2为本发明薄膜开关结构示意图；

其中附图标记：1-方波发生器主机外壳，2-下板电极，3-中板电极，4-上 板电极，5-中板引出电极，6-上板引出电极，7-上板连接电极，8-密封盖板I， 9-密封盖板II，10-下板支撑绝缘子，11-第一通用支撑绝缘子，12-下脉冲输出 电极，13-上脉冲输出电极，14-调节垫片，15-负载电阻，16-绝缘子紧固螺母， 17-绝缘拉杆，18-主机盖板，19-薄膜开关，20-下电极，21-上电极，22-触发 针，23-触发针拉杆，24-连接座，25-触发电磁铁，26-触发针复位弹簧，27- 电磁铁吸盘，28-换膜电磁铁，29-换膜复位弹簧，30-电磁铁固定板，31-绝缘 薄膜，32-第二通用支撑绝缘子，33-高压充电电源，34-电磁铁触发装置。

具体实施方式

本发明设计了一种垂直放置的快前沿固体薄膜开关19，并与阻抗为25Ω 的三板传输线(包含下板电极2、中板电极3、上板电极4)以及阻值为50Ω 的负载电阻15连接，组合成可产生前沿0.8ns，电压幅值50kV的方波脉冲发 生器。薄膜开关19和负载电阻15工作在空气中，薄膜开关19通过上板引出 电极6、中板引出电极5分别和上板电极4、中板电极3相连，负载电阻15 通过上脉冲输出电极13、下脉冲输出电极12分别和上板电极4、下板电极2 相连。三板传输线工作在变压器油中。上板引出电极6、中板引出电极5、上 脉冲输出电极13、下脉冲输出电极12穿过在主机外壳1表面上的孔道以保证 电连接，并采用耐油密封圈对油介质进行密封。为保证主机外壳1不变形， 采用绝缘拉杆17以固定主机外壳。

方波脉冲发生器整体结构为长方体，分为主机与薄膜开关两部分。方波 脉冲发生器主机外壳1材料使用聚苯乙烯，采用机床加工并焊接而成；主机 盖板18材料可使用聚苯乙烯、尼龙、聚乙烯等绝缘材料，通过机床加工而成； 下板支撑绝缘子10、第一通用支撑绝缘子11和第二通用绝缘子32采用聚四 氟乙烯材料，可通过机床加工获得；绝缘子紧固螺母16可使用尼龙、聚四氟 乙烯等绝缘材料，通过机床加工获得；密封盖板I、II(8、9)采用尼龙材料， 通过机床加工获得，并采用陶瓷螺钉固定；绝缘拉杆17材料可选用尼龙、聚 四氟乙烯等，通过机床加工获得；脉冲发生器主机的金属部件(上中下三板 电极(4，3，2)，上、中板引出电极(6，5)，上板连接电极7，上、下脉冲 输出电极(13，12)，调节垫片14等)均采用铝合金材料，目的是减轻重量， 可通过机床加工获得。负载电阻15选用低电感的陶瓷体电阻。薄膜开关19 的上下电极(21，20)、触发针22、连接座24均使用不锈钢材料并经机床加 工获得；触发针拉杆23及电磁铁固定板30使用尼龙材料，通过机床加工获 得；电磁铁吸盘27采用普通钢或磁钢材料，通过机床加工获得；触发针复位 弹簧26、换膜复位弹簧29、触发电磁铁25、换膜电磁铁28则直接购买成品。

薄膜开关19采用非同轴结构，其电极形状为圆柱形，主要包括上电极21、 下电极20、触发针22、连接座24以及由电磁铁构成的触发机构。上、下电 极(21、20)主体为圆柱形，其电极顶端中间部位为平面结构，通过1/4圆弧 与柱形侧面平滑连接。平面区域很小，以至于电极顶端整体看来类似纯粹的 半球形，尽量减小了该区域的杂散电容，有利于最终方波的良好输出。下电 极20顶端中心有一个半径0.5mm的孔，以避免触发针22的直接撞击，可延 长触发针22的使用寿命。下电极20依靠螺钉与中板引出电极5紧密连接。 上电极21内部镂空，顶端开有通孔，方便触发针22的安装和运动。触发针 22的结构为圆柱形基座上带一个圆锥形针尖。触发针基座与上电极21内部为 紧密配合，限制触发针22仅能在轴向上运动。连接座24成同轴圆筒状，依 靠法兰、螺钉与上板引出电极6紧密连接。连接座24内部安装放置电磁铁、 上电极和触发针。连接座24与上电极21之间为紧密配合安装，限制上电极 21仅能在轴向上移动。

薄膜开关安装时首先将触发针22与触发针拉杆23组装成一体，触发针 拉杆23另一端穿过触发电磁铁25与触发针复位弹簧26后同触发针复位弹簧 26另一端紧固。触发电磁铁25底端与上电极21固定连接，另一端再与电磁 铁吸盘27紧固，整体装入连接座24内部。将换膜电磁铁28与电磁铁固定板 30紧固，套上换膜复位弹簧29，装到连接座24上并用螺钉固定。再将这一 整套安装到方波发生器上板引出电极6上。将薄膜开关19的下电极20安装 在中板引出电极5上，调整下电极20位置，使下电极20顶端的下小孔对准 上电极21顶端的上小孔，然后固定下电极20。

方波脉冲发生器的主机主要包括三板传输线、主机外壳1、上板引出电极 6、中板引出电极5、上下脉冲输出电极(13、12)、负载电阻15、各种支撑 绝缘子以及密封结构等。

三板传输线由下板电极2、中板电极3、上板电极4组成，传输线宽400mm， 相邻两板电极间距为56.6mm，整体浸泡于变压器油中。三板传输线分为上下 两层，单层波阻抗为25Ω，采用聚四氟乙烯作为绝缘支撑。中板电极3为高 电压电极，上、下板电极(4、2)为地电极(直流充电时)。三板传输线一端， 即上板电极4和中板电极3之间，连接薄膜开关19；另一端，即上板电极4 和下板电极2之间，连接负载电阻15。负载电阻15安置在空气中并选择适当 的长度，有利于减小该处的杂散电容和适当增加该处的杂散电感。负载电阻 15为多根同轴电阻并联而成，等效电阻值为50Ω。负载电阻15选用陶瓷电阻 并采用多根并联的方式，以保证负载的额定功率能够承受满足方波发生器的 高功率(～50×10⁶W)输出。同时，负载电阻15的拆卸安装方便，可另外储存， 以避免运输途中由于颠簸振动而导致负载电阻15的损坏。

方波脉冲发生器主机安装时首先将下板支撑绝缘子10固定到外壳1上， 放置好下板电极2。插入下脉冲输出电极12，对好孔位，取出下板电极2，在 下脉冲输出电极12处于外壳外部的部分套上密封圈与密封盖板Ⅱ9，用套有 密封圈的陶瓷螺钉上紧。螺钉通孔处均开有六角沉孔，可将螺钉头部包裹在 内，同时起到角向固定作用。将下板电极2盖上，同时在下板电极2与下脉 冲输出电极12之间夹入调节垫片14，使用螺钉紧固。在每个下板支撑绝缘子 10上各安装一个第一通用支撑绝缘子11，固定下板电极2并起支撑中板电极 3作用。放置好中板电极3，插入中板引出电极5与之相抵。取出中板电极3， 将中板引出电极5套上密封圈及密封盖板Ⅰ8并用陶瓷螺钉固定好，重新放入 中板电极3并与中板引出电极5紧固。再用第二通用支撑绝缘子32固定中板 电极3并支撑上板电极4。插入上板引出电极6，定位后取出上板电极4，将 上板引出电极6套上密封圈及密封盖板Ⅱ9并上紧，重新放入上板电极4，使 用上板连接电极7将上板电极4与上板引出电极6紧固。插入套好密封圈及 密封盖板Ⅱ9的上脉冲输出电极13，插入过程中先用陶瓷螺钉连接却先不上 紧，待上脉冲输出电极13到位后上紧陶瓷螺钉，之后在上脉冲输出电极13 与上板电极4之间插入调节垫片14再紧固。利用绝缘子紧固螺母16将上板 电极4与第二通用支撑绝缘子32紧固。之后安装绝缘拉杆17并盖上主机盖 板18。最后在两脉冲输出电极之间安装负载电阻15。

使用前首先使用高压电缆连接高压充电电源33输出端与中板引出电极5 并固定，将地线接到下脉冲输出电极12上。将换膜电磁铁28、触发电磁铁 25的触发线缆接到电磁铁触发装置34上。

工作时首先启动换膜电磁铁28抬起薄膜开关的上电极21，在上电极21、 下电极20间取出旧绝缘薄膜，插入一片新绝缘薄膜，再放下上电极21，将绝 缘薄膜31压紧。启动高压充电电源33对中板电极3充电，待达到预设电压 后启动触发电磁铁25使触发针22破坏绝缘薄膜31引发击穿，此时在两脉冲 输出电极之间产生高电压方波脉冲，方波幅值与预设电压相当。之后自动退 压、接地，一次实验结束。

本发明设计的工作组合模式，充分利用了薄膜开关19击穿距离短，放电 前沿快的特点以及三板传输线和负载电阻15耐高压的特点，基于单脉冲方波 形成的原理，可实现产生快前沿、高电压的单脉冲方波信号。薄膜开关19的 上、下电极(21、20)采用球头形，可减小电极间的电容，抑制方波信号过 冲。薄膜开关下电极20顶端的小孔，可延长触发针22的使用寿命。通过改 变绝缘介质的种类和匹配负载的电阻值，本发明还可产生不同脉宽的快前沿、 高电压方波信号。

方波脉冲发生器检测：通过10、20、30、40和50kV的实验测试，产生 的方波信号前沿为0.8ns、脉宽为11ns、顶部平直度为7.5％，无明显过冲。实 验结果表明，方波发生器关键部件：固体薄膜开关、三板传输线和负载电阻 的结构简单，安装操作方便，易于维护。所产生方波信号的前沿达到同类产 品一流水平，而幅值远高于现有产品。极大拓展了同类产品的应用领域。