一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器制造技术

本发明专利技术涉及一种准方波脉冲发生器，具体涉及一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，属于脉冲功率技术领域。所述脉冲发生器由脉冲形成模块、脉冲升压模块、负载三大部分组成。脉冲形成模块的输入端与初级储能系统的输出端相连接，脉冲形成模块的输出端与脉冲升压模块的输入端相连接，脉冲升压模块的输出端与负载相连接。本发明专利技术要解决的技术问题是克服现有脉冲形成模块所需网络节数过多、寿命短、输出波形平顶稳定性较差和脉冲升压模块波形畸变严重、脉冲升压比低等不足，提出了一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，具有成本较低、网络节数少、免维护、电压升压比高且脉冲波形无畸变等优势，实现了平顶稳定性好的高电压长脉宽准方波脉冲输出。

【技术实现步骤摘要】
一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器
本专利技术涉及一种准方波脉冲发生器，具体涉及一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，属于脉冲功率
，主要用于高电压准方波脉冲的产生，可以应用于高功率微波、消毒、食品和废水处理等领域。
技术介绍
脉冲功率技术起源于20世纪60年代初期，随着现代工业、农业、环保、医学、生物电子学和国防等众多领域的发展，研究和发展具有高功率、长脉宽、集成紧凑化和长使用寿命等特点的准方波脉冲发生器是一个亟待解决的重要问题。根据储能类型不同，脉冲发生器可分为电感储能型和电容储能型。电感储能型装置具有储能密度高的优点，易于实现系统小型化。然而此类脉冲功率发生器往往需要一个能提供大电流的电源，另外稳定的断路开关制造难度较大。电容储能型装置具有能量转换效率高、重频运行能力强、阻抗调节范围大等优点，实际上目前大多数发生器仍然采用电容储能方式。电容储能型脉冲发生系统通常可分为四大模块：初级储能模块、脉冲形成模块、升压模块和负载，其中，脉冲形成模块和升压模块是整个系统的核心部分。在脉冲形成模块中主要有两大类：脉冲形成线技术(PFL)和脉冲形成网络技术(PFN)。在输出超过200ns的长脉冲时，PFL由于成本高、体积巨大，较少被采用；而PFN具有储能密度高等优势，是产生长脉冲输出的主要技术途径。随着材料技术迅猛发展，陶瓷和云母等一系列新型高介电常数的材料已经逐渐进入实用化阶段。这类材料由于具有高介电常数和良好的耐压特性，能够使储能部件缩减到相当小的体积，同时还能保证一定功率容量；而其固态化的特性又有利于模块化组装和更好的环境适应性，为PFN的应用打下了良好的基础。脉冲形成网络可以分为等电容等电感网络和Guillemin网络。已有的关于等电容等电感网络的技术报道包括李志强，杨建华和张建德等2014年在《强激光与粒子束》上发表的论文《固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器》【李志强，杨建华，张建德，等，“固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器”，强激光与粒子束，2014，Vol.26，No.6，065004】(下文称
技术介绍
一)。该网络得益于脉冲电容器的商品化和较低的造价，目前仍是最常用的脉冲形成网络形式，但其输出准方波时所需网络节数较多且波形受寄生参数影响较大，波形平顶质量较差；而Guillemin网络可分为串联谐振式网络、反谐振式网络、链形网络、梯形网络和等电容网络，其中，由一节LC串联谐振网络和多节LC并联谐振网络构成的反谐振网络，由于其能将LC串联放电电路(比如Marx发生器)的正弦输出波形调制成方波波形且可降低对电容器内感和绝缘要求而具有非常现实的意义。由于Guillemin网络多采用特定值的电容和电感，制造和采购的难度较大，通常要设计五节或五节以上的网络才能输出波形质量较好的方波，网络节数多且易受结构尺寸限制以及寄生参数的影响，波形难以调节，而减少网络节数又无法获得理想的准方波脉冲输出，难以广泛应用。因此，寻求一种成本较低、网络节数少、免维护、长寿命、适合工业应用的准方波脉冲发生器对于实现高功率脉冲驱动源的紧凑化、固态化发展具有重要的意义。在脉冲发生器的升压模块中，升压技术主要分为两大类：一类是先升压、再成形技术，或称为逐级脉冲压缩技术，以Marx发生器-PFL、Tesla变压器-PFL为典型代表；另一类是先成形、再升压技术，或称为脉冲叠加型技术，以PFL-感应叠加器、PFN-传输线变压器(PFN-TLT)为典型代表。采用脉冲叠加型技术的脉冲发生器，其最终高压的承受时间较短，只有百ns量级，相对于逐级脉冲压缩技术系统的μs至10μs量级，时间得到了明显减少，提高了高压储能及传输器件的耐压程度，最重要的是采用先成形、再升压技术可以明显的降低其对于开关的耐压要求，对高功率脉冲驱动源的发展具有重要的意义。当前，在脉冲功率
，传统脉冲变压器上升时间和带宽受变压器的漏电感和绕组自电容的限制无法做到高频(ns)脉冲的无畸变传输；脉冲幅值下降也难以解决，一般传统变压器可通过增加初级绕组的电感来加以改善幅值下降，但这样做必然增加漏电感，从而使脉冲上升前沿变差。已有的关于传输线变压器(TLT)的技术报道包括JianQiu，KefuLiu2007年在美国电气和电子工程师协会(IEEE)主办的期刊《绝缘体与电绝缘汇刊》(IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation)上发表的论文《一种基于功率半导体开关和传输线变压器的脉冲功率源》(JianQiu，KefuLiu，“APulsedPowerSupplyBasedonPowerSemiconductorSwitchesandTransmissionLineTransformer”，IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation，2007，Vol.14，No.4，pp：927-930.)(下文称
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二)。和传统脉冲变压器相比，TLT在脉冲幅值下降度、脉冲频率响应能力和脉冲上升前沿方面具有很强的潜在优势。因此，应用TLT作为准方波脉冲发生器的升压装置前景光明，且TLT能够更好地满足高功率脉冲驱动源的紧凑化、固态化要求。在理想的情况下，TLT的输出升压比应该等于其级数，但实际中由于次级寄生线的存在，不仅限制了输入脉冲的宽度，还会引起输出波形的畸变和脉冲平顶的下降。因此，在脉冲功率
，用TLT来进行倍压的应用仍相对少见。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有脉冲形成模块所需网络节数过多、寿命短、输出波形平顶稳定性较差和脉冲升压模块波形畸变严重、脉冲幅值下降等不足，提出了一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，此装置具有成本较低、网络节数少、免维护、长寿命且脉冲波形无畸变等优势，实现了平顶稳定性好的高电压长脉宽准方波脉冲输出，可以应用于高功率微波、消毒、食品和废水处理等领域。本专利技术采用以下技术方案：一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，所述脉冲发生器由脉冲形成模块、脉冲升压模块、负载三大部分组成。脉冲形成模块的输入端与初级储能系统的输出端相连接，脉冲形成模块的输出端与脉冲升压模块的输入端相连接，脉冲升压模块的输出端与负载相连接。所述脉冲形成模块由三节反谐振网络构成，具体由高压开关S、一节串联谐振网络和两节并联谐振网络组成：串联谐振网络由主电容C1和主电感L1串联组成；第一节并联谐振网络由第一节调制电容C2和第一节调制电感L2并联组成；第二节并联谐振网络由第二节调制电容C3和第二节调制电感L3并联组成。所述串联谐振网络的主电容C1的一端与高压开关S的一端和初级储能系统的高压输出端连接，主电容C1的另一端与主电感L1的一端连接，高压开关S的另一端接地；主电感L1的另一端与第一节并联谐振网络的一端连接，第一节并联谐振网络的另一端与第二节并联谐振网络的一端连接，第二节并联谐振网络的另一端即为脉冲形成模块的输出端，与脉冲升压模块的输入端相连接。本专利技术所述脉冲形成模块只需对主电容C1进行充电，其他电容或电感只用于调整输出端的波形，无需对其进行充电，可大大降低对电容器的绝缘要求，实现平顶稳定性好的高电压准方波脉冲的输出。所述主电容C1、调制电容C2和C3的电容值以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，其特征在于：所述脉冲发生器由脉冲形成模块、脉冲升压模块、负载三大部分组成，脉冲形成模块的输入端与初级储能系统的输出端相连接，脉冲形成模块的输出端与脉冲升压模块的输入端相连接，脉冲升压模块的输出端与负载相连接；所述脉冲形成模块由三节反谐振网络构成，具体由高压开关S、一节串联谐振网络和两节并联谐振网络组成：串联谐振网络由主电容C

【技术特征摘要】
1.一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，其特征在于：所述脉冲发生器由脉冲形成模块、脉冲升压模块、负载三大部分组成，脉冲形成模块的输入端与初级储能系统的输出端相连接，脉冲形成模块的输出端与脉冲升压模块的输入端相连接，脉冲升压模块的输出端与负载相连接；所述脉冲形成模块由三节反谐振网络构成，具体由高压开关S、一节串联谐振网络和两节并联谐振网络组成：串联谐振网络由主电容C1和主电感L1串联组成，第一节并联谐振网络由第一节调制电容C2和第一节调制电感L2并联组成，第二节并联谐振网络由第二节调制电容C3和第二节调制电感L3并联组成；所述串联谐振网络的主电容C1的一端与高压开关S的一端和初级储能系统的高压输出端连接，主电容C1的另一端与主电感L1的一端连接，高压开关S的另一端接地；主电感L1的另一端与第一节并联谐振网络的一端连接，第一节并联谐振网络的另一端与第二节并联谐振网络的一端连接，第二节并联谐振网络的另一端即为脉冲形成模块的输出端，与脉冲升压模块的输入端相连接；所述主电容C1、调制电容C2和C3的电容值以及主电感L1、调制电感L2和L3的电感值根据所需输出的脉冲宽度和特性阻抗确定，具体参数根据以下公式计算：其中：τ为输出准方波的脉冲宽度，ρ为脉冲形成网络的特性阻抗；所述脉冲升压模块由第1级TLT、第2级TLT、…、第N级TLT组成，N≥1；TLT采用同轴传输线，所述同轴传输线的内芯采用的是同轴电缆，并以同轴电缆的铜芯作为内导体，同轴电缆的绝缘层作为同轴传输线的绝缘介质，同轴电缆外包一层铜皮作为同轴传输线的外导体，此同轴传输线的阻抗可以表示为：式中，D为同轴电缆外包铜皮的内径，d为同轴电缆铜内芯的外径，εr为同轴电缆绝缘层的相对介电常数；同轴传输线的长度l可以表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：程新兵，潘子龙，杨建华，陈绒，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43