[發明專利]一種基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器

有效

• 申請號: 201210382916.9
• 申請日: 2012-10-10
• 公開（公告）號: CN102916680A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 丁衛東;吳佳瑋;任航
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H03K3/017
• 分類號: H03K3/017;H03K3/64
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 汪人和

技術領域

本發明屬于脈沖方波發生器技術領域，涉及一種基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器。

背景技術

方波脈沖功率源由于民用工業、環保、醫學研究和國防軍事等領域的迫切應用需求而迎來發展高峰期，對功率水平、上升時間，特別是重復工作頻率都提出了更嚴格的要求。傳統以脈沖形成線作為脈沖形成元件的方波源，難以獲得高重復頻率，最多實現100H數量級重復頻率。

文獻1（Harjes?H,Reed?K,Buttram?M,et?al.The?Repetitive?High?Energy?Pulsed?PowerModule[C],19th?International?Power?Modulator?Symposium,1990.）提出了基于脈沖形成線的脈沖方波源。美國Sandia國家實驗室研制的RHEPP(Repetitive?High?Energy?Pulsed?Power)裝置，使用5級磁脈沖壓縮器獲得電壓脈沖向脈沖形成線充電，電壓疊加后產生電壓峰值2.5MV，寬度60ns的脈沖，脈沖能量為3kJ。其重復頻率可達120Hz。

文獻2（楊實，孟志鵬，鐘輝煌，楊漢武，錢寶良.超低阻抗、全固態化卷繞型帶狀脈沖形成線.應用物理，2010，1(2):195-200.）為中國國防科技大學研究生院的楊實博士所設計的基于磁開關和帶狀線的長脈沖、超低阻抗脈沖發生器，通過特性阻抗0.5Ω，電長度115ns，以DMD膜為絕緣介質的固態化帶狀脈沖形成線在匹配負載上獲得了電壓17.8kV，脈寬(FWHM)為270ns，上升沿約20ns的準方波脈沖，系統在10Hz重頻下可穩定運行。

上述以PFL（脈沖形成線）為關鍵部件的方波脈沖發生裝置，其脈沖形成開關多為氣體開關，重復工作頻率最高達到100Hz數量級，難以適應當前工業的發展需求。

發明內容

本發明提供一種基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器，該發生器可以在高重復頻率下運行，輸出倍壓、高重復頻率的方波脈沖。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種基于磁開關的重復頻率的倍壓方波發生器，包括可調脈沖源、磁脈沖壓縮電路、方波倍壓Marx發生器和匹配負載；磁脈沖壓縮電路經可調脈沖源充電后，對方波倍壓Marx發生器并聯充電，方波倍壓Marx發生器充電完成后串聯放電至匹配負載獲得輸出方波脈沖；

磁脈沖壓縮電路包括與可調脈沖源并聯的電容C和與方波倍壓Marx發生器串聯的磁開關MS，電容C被可調脈沖源充電至峰值u₀時，磁開關MS飽和導通，電容C通過磁開關MS的飽和電感向方波倍壓Marx發生器充電；

方波倍壓Marx發生器包括N級充放電單元，每級充放電單元包括一個PFL、一對耦合電感對和一個磁開關MS，PFL通過耦合電感對連入電路且耦合電感對呈同名端方式連接于PFL，磁開關MS連接相鄰級PFL的屏蔽層與芯，與耦合電感對連接于每級PFL的同端或異端；在充電時，耦合電感對對N級PFL進行并聯充電，充電至峰值后各級的磁開關MS飽和導通，N級PFL串聯放電至匹配負載。

所述的磁脈沖壓縮電路通過耦合電感對N級PFL進行并聯充電，每級PFL的等效阻抗Z₀、長度l、波傳播速度v參數均一致，PFL充電至峰值后各級磁開關MS同時飽和導通，N級PFL串聯對匹配負載放電；通過波過程每一級PFL在匹配負載上產生倍充電電壓、脈寬的方波脈沖，各級疊加獲得倍充電電壓、脈寬的重復頻率高壓方波脈沖。

所述的方波倍壓Marx發生器為形成線型Marx發生器，包括N級充放電單元，N級PFL并聯充電，每級的PFL同一端的屏蔽層、芯端口通過一對耦合電感連入電路，且此耦合電感對呈同名端方式連接于PFL；每級的PFL及耦合電感對的相關參數相同，N級PFL回路每一側的耦合電感同名端方向一致；

各級PFL通過磁開關MS關串聯放電，第n+1級PFL的充電電流流入端通過磁開關MS與n級PFL的充電電流流出端相連，各級磁開關MS具有相同參數且耦合于同一磁芯；第N級PFL的線皮連接至匹配負載。

所述的相鄰充放電單元的磁開關MS的充電電流流出端之并聯一個與充電電流流向相同的二極管。

所述的在最末級磁開關MS與首級磁開關MS的充電電流流出端之并聯一個二極管。