[發明專利]一種全固態方波脈沖發生器

有效

• 申請號: 201810245917.6
• 申請日: 2018-03-23
• 公開（公告）號: CN108390665B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 程新兵;陳絨;楊建華
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: H03K3/02
• 分類號: H03K3/02
• 代理公司: 長沙中科啟明知識產權代理事務所(普通合伙) 43226
• 代理人: 任合明

1.一種全固態方波脈沖發生器，其特征在于：所述脈沖發生器由充電模塊、脈沖升壓模塊、脈沖形成模塊、負載模塊組成；所述充電模塊作為脈沖發生器的能量供應模塊，其通過脈沖升壓模塊給脈沖形成模塊充電，并為脈沖升壓模塊中的分數比可飽和變壓器磁芯提供自動復位的電流；所述脈沖升壓模塊為FRSPT與Marx發生器級聯，一方面，FRSPT作為脈沖變壓器對Marx發生器進行諧振充電，另一方面，FRSPT作為Marx發生器串聯放電回路的控制開關；所述脈沖形成模塊用于形成準方波脈沖；所述負載模塊由金屬氧化物壓敏電阻與電阻性負載并聯構成，MOV由于其良好的非線性伏安特性用于對波形的進一步整形，剛化準方波脈沖的平頂；

所述充電模塊由直流穩壓電源、隔離電感L₀₁、L₀₂、…、L_0N、原邊電容C₀₁、C₀₂、…、C_0N和開關S₀₁、S₀₂、…、S_0N以及FRSPT初級繞組構成，N≥1；所述直流穩壓電源為原邊電容C₀₁、C₀₂、…、C_0N提供能量，根據原邊電容C₀₁、C₀₂、…、C_0N的充電電壓確定直流穩壓電源的工作電壓、工作電流；隔離電感L₀₁、L₀₂、…、L_0N用來起保護作用，在一路原邊電容C_0n發生故障時，可以保護其它支路中原邊電容的安全，n＝1,2,…,N；原邊電容C₀₁、C₀₂、…、C_0N用作FRSPT的原邊儲能電容；開關S₀₁、S₀₂、…、S_0N用于控制原邊電容對FRSPT放電的時間；所述充電模塊的工作過程為：直流穩壓電源通過隔離電感L₀₁、L₀₂、…、L_0N對原邊電容C₀₁、C₀₂、…、C_0N充電，當需要對FRSPT充電時，開關S₀₁、S₀₂、…、S_0N同步導通，使原邊電容放電；

所述脈沖升壓模塊由FRSPT與m級Marx發生器構成，m為正整數；所述FRSPT由變壓器內芯、初級繞組和次級繞組構成；所述變壓器內芯由N塊磁芯和相應的絕緣套筒構成，關于變壓器中心軸旋轉對稱；N塊磁芯均為相同尺寸的磁環，每塊磁環采用由鐵基非晶材料制成的薄帶卷繞成圓環狀，再用玻璃鋼材料澆灌封裝而成；由于磁芯具有一定的導電性，故采用圓環形聚丙烯材料加工成絕緣套筒，套在磁芯外部進行絕緣；磁芯和套在其外部的絕緣套筒共同構成變壓器內芯，N塊變壓器內芯沿變壓器中心對稱軸方向堆疊，從上至下依次為第一塊、第二塊、…、第N塊；為保證勵磁均勻，本發明中FRSPT初級繞組部分由兩組完全相同的初級子繞組構成，且兩組初級子繞組關于變壓器的中心軸具有軸對稱性，每組初級子繞組由第1路初級子繞組、第2路初級子繞組、……、第N路初級子繞組組成，N路初級子繞組均采用耐壓大于10kV的高壓線繞制，匝數均為N_p匝；第1路初級子繞組從第1塊變壓器內芯頂部穿入，從里面包圍第1塊內芯后，從第1塊內芯底部和第2塊內芯頂部間隙中穿出；第2路初級子繞組從第2塊變壓器內芯頂部與第1塊變壓器內芯底部的間隙中穿入，從里面包圍第2塊內芯后，從第2塊內芯底部與第3塊內芯頂部間隙中穿出，……，按照相同的規律，直到第N路初級子繞組從第N塊變壓器內芯頂部與第N-1塊變壓器內芯底部的間隙中穿入，從里面包圍第N塊內芯后，從第N塊內芯底部穿出；第1路初級子繞組的輸入端與第1路控制開關S₀₁相連，第2路初級子繞組的輸入端與第2路控制開關S₀₂相連，……，第N路初級子繞組的輸入端與第N路控制開關S_0N相連，N路初級子繞組的輸出端全部并聯在一起作為總的輸出端接地；本發明中FRSPT的次級繞組由第1組次級繞組、第2組次級繞組、……、第m組次級繞組構成，每一組次級繞組均包含j路并聯的線繞式次級子繞組，j為正整數，這j路次級子繞組共磁芯，沿圓周方向依次排列，均采用耐壓大于10kV的高壓線繞制，每一路次級子繞組的繞線匝數均為N_s匝；第1組次級繞組的第1路次級子繞組從第1塊變壓器內芯頂部穿入，包圍所有N塊變壓器內芯后從第N塊變壓器內芯底部穿出，第1組次級繞組的第2路次級子繞組從第1塊變壓器內芯頂部穿入，包圍所有N塊內芯后從第N塊變壓器內芯底部穿出，……，第1組次級繞組的第j路次級子繞組從第1塊變壓器內芯頂部穿入，包圍所有N塊內芯后從第N塊變壓器內芯底部穿出，……，按照這樣的規律，直到第m組次級繞組的第j路次級子繞組從第1塊變壓器內芯頂部穿入，包圍所有N塊內芯后從第N塊變壓器內芯底部穿出，次級共完成m×j路次級子繞組的布線；

m級Marx發生器由第1組Marx發生器級電容C₁₁和隔離硅堆單元D₁₁、第2組Marx發生器級電容C₂₂和隔離硅堆單元D₂₂、……、第m組Marx發生器級電容C_1m和隔離硅堆單元D_1m構成，每一組級電容由多個單體耐壓50kV/2nF的陶瓷電容并聯而成，并聯的陶瓷電容器數量由級電容C_1m的電容量決定；每組隔離硅堆采用單體50kV/3kA的圓柱形高壓硅堆；第1組級電容C₁₁一端與FRSPT第1組次級繞組輸出高壓端相連，另一端與第1組隔離硅堆D₁₁正極相連，第1組隔離硅堆D₁₁的負極與FRSPT第1組次級繞組的輸出低壓端共同接地；第2組級電容C₁₂一端與FRSPT第2組次級繞組輸出高壓端相連，另一端與第2組隔離硅堆D₁₂正極相連，第2組隔離硅堆D₁₂的負極與FRSPT第2組次級繞組的輸出低壓端共同連接第1組隔離硅堆D₁₁的正極；第3組級電容C₁₃一端與FRSPT第3組次級繞組輸出高壓端相連，另一端與第3組隔離硅堆D₁₃正極相連，第3組隔離硅堆D₁₃的負極與FRSPT第3組次級繞組的輸出低壓端共同連接第2組隔離硅堆D₁₂的正極，……，按照這樣的規律，直到第m組級電容C_1m的一端與FRSPT第m組次級繞組的輸出高壓端相連，另一端與第m組隔離硅堆D_1m正極相連，第m組隔離硅堆D_1m的負極與FRSPT第m組的輸出低壓端共同連接第(m-1)組隔離硅堆D_1(m-1)的正極，第m組隔離硅堆D_1m的正極作為m級Marx發生器的高壓輸出端通過高壓線與脈沖形成模塊相連；

所述脈沖形成模塊由一個主電容C₁、一個主電感L₁和(Q-1)節整形網絡組成的Q節反諧振網絡構成，整形網絡由并聯的整形電容C₂與整形電感L₂、并聯的整形電容C₃與整形電感L₃、…、并聯的整形電容C_Q與整形電感L_Q串聯組成；第一節整形網絡的一端連接m級Marx發生器高壓輸出端，另一端連接第二節整形網絡的一端；第二節整形網絡的另一端連接第三節整形網絡，……，按照這樣的規律，直到第(Q-1)節整形網絡的一端與第Q節整形網絡的一端連接，第Q節整形網絡的另一端與負載模塊相連；主電感L₁與(Q-1)節整形網絡串聯，主電容C₁可以用m級Marx發生器中的級電容C_1q放電時的串聯電容代替，q＝1,2,…,m，主電感L₁可以用電路中的回路電感代替；

所述負載模塊由MOV并聯電阻性負載組成，所述MOV由多個圓柱形氧化鋅電阻片單體串聯而成，利用其電阻值隨外電壓敏感變化這種特殊的非線性伏安特性感知、限制電路中的異常過電壓，從而起到剛化平頂的作用，串聯的氧化鋅電阻片的數量由負載上的輸出電壓決定。