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CN108134593A - 一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器 - Google Patents

一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，目的是解决现有高压脉冲发生器产生的脉冲后期波形平顶下降以及能量浪费严重等问题。本发明由Marx发生器、MOV组件、电感L1、负载Z、放电开关S1、LC滤波支路组成，LC滤波支路由电感L2和电容C2并联而成，Marx发生器、L1以及LC滤波支路构成两节脉冲形成网络；LC滤波支路串联在Marx发生器和L1之间，L1串联在LC滤波支路和MOV组件间，Marx发生器与LC滤波支路间接有S1；Z、MOV组件、Marx发生器并联。本发明不需要脉冲形成线，能产生波形平顶稳定的高压脉冲方波，且能有效提高能量利用效率。

Description

一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器
技术领域
本发明涉及高功率脉冲驱动源技术领域的高压脉冲发生器，尤其涉及一种将压敏电阻和脉冲形成网络相结合而构成的高压脉冲发生器。
背景技术
高功率脉冲驱动源能够产生具有准确波形的纳秒高压脉冲，能将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，来获得在极短时间内的高功率脉冲输出。在高功率脉冲驱动源技术中，如何产生具有准确波形的瞬时脉冲至关重要。一种基本的方法是利用Marx发生器和脉冲形成线来产生脉冲。但由于Marx发生器和脉冲形成线体积巨大，使其在实际应用方面受到了限制。所以小型化一直是高功率脉冲驱动源技术追求的目标之一。目前的一个基本思路是减少能量转移环节，例如不用脉冲形成线直接从Marx发生器产生方波。传统的高功率脉冲驱动源主要基于火花隙开关和液体储能介质，它们的寿命、稳定性和可靠性都有一定的限制。实现脉冲功率系统的固态化是高功率脉冲驱动源技术研究的另一个关键问题。
金属氧化物压敏电阻(Metal-Oxide Varistor,MOV)是一种多晶陶瓷，具有电阻值对外加电压敏感变化的特性，主要用于限制电路中出现的瞬态过电压、吸收浪涌能量。基于MOV的稳压特性，可以将其应用于高功率脉冲驱动源领域中高压脉冲方波的产生。用MOV代替传统脉冲形成线来产生高压脉冲方波，一方面大幅减小了系统体积，有利于实现高功率脉冲驱动源系统的固态化和小型化；另一方面也将促进相关半导体材料领域的进步和发展，为半导体材料提供更广泛的应用空间。随着高功率脉冲驱动源系统应用场景的不断扩展，这种结构紧凑、全固态化的高压脉冲发生器具有广阔的应用前景。
美国研究人员M.C.Clark在其发表的学术论文“A New,Compact Pulsed PowerSystem Based on Surge Arrestor Technology”【IEEE Pulsed Power Conference,2009,pp:938-943】(《一种基于浪涌避雷器技术的新型紧凑化脉冲功率系统》【2009年国际脉冲功率会议论文集，第938-943页】)中介绍了一种利用MOV来产生脉冲方波的高压脉冲发生器，以下简称技术方案一。该高压脉冲发生器的原理图如图1所示。该高压脉冲发生器由Marx发生器、MOV组件、电感L1、负载Z、放电开关S1以及撬断开关S2组成。Marx发生器、MOV组件以及负载Z三者是并联关系；在Marx发生器和MOV组件之间接有放电开关S1和电感L1，在MOV组件和负载Z之间接有撬断开关S2。Marx发生器产生高压脉冲，经过MOV组件的电压钳制作用，在负载Z上得到脉冲方波输出。此高压脉冲发生器输出波形如图2(该图是《一种基于浪涌避雷器技术的新型紧凑化脉冲功率系统》论文中的原图)所示，其中横坐标表示时间(Time)，单位为微秒(usecs)，纵坐标表示电压(Volts)，单位为伏特；输出电压幅值Vmax约为-350kV，脉冲波形平顶(90％Vmax-90％Vmax对应的时间尺度)约0.2us(0.7us-0.9us)。
上述高压脉冲发生器采用Marx发生器直接对负载放电的方式，虽然产生了高压脉冲方波，但是存在以下缺点：第一，由于MOV支路电感的原因，会造成脉冲波形后期平顶下降，而MOV支路电感是由MOV固有电感以及接线电感带来的，在实验中很难将其减小。第二，该高压脉冲发生器的设计者在其论文中提到，Marx发生器的输出电压要达到MOV组件总压敏电压的两倍才能得到较好的输出波形，由此带来了严重的能量浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对技术方案一中存在的脉冲后期波形平顶下降以及能量浪费严重等问题，提出一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器。此种高压脉冲发生器能够产生波形平顶稳定的高压脉冲方波，并且不需要Marx发生器输出电压达到MOV组件总压敏电压的两倍，能够有效提高能量利用效率。
本发明的技术方案：
图3为本发明整体电路结构图。本发明由Marx发生器、MOV组件、LC滤波支路、电感L1、负载Z以及放电开关S1组成。LC滤波支路由电感L2和电容C2并联而成，Marx发生器、电感L1以及LC滤波支路构成一个两节脉冲形成网络，Marx发生器的电容与电感L1组成脉冲形成网络的第一节，LC滤波支路组成脉冲形成网络的第二节。LC滤波支路串联接在Marx发生器输出端和电感L1之间，电感L1串联接在LC滤波支路和MOV组件高压端之间，Marx发生器与LC滤波支路高压端之间接有放电开关S1。负载Z、MOV组件、Marx发生器三者为并联关系。
负载Z应为电阻性负载，其阻值R的范围为10Ω-100Ω。
Marx发生器的实现形式无特殊要求，要求其输出波形满足图4所示的形式即可。即峰值电压V0满足1.2N·VN＜|V0|＜1.5N·VN，VN是MOV单元的标称压敏电压，N是MOV单元的个数；上升沿tr(10％V0-90％V0对应的时间尺度)满足tr<100ns，下降沿td(90％V0-10％V0对应的时间尺度)满足td<2us，脉宽τ(50％V0-50％V0对应的时间尺度)满足100ns<τ<2us。Marx发生器的总电容应该满足：
LC滤波支路由电感L2和电容C2并联而成。电感L2和电容C2的实现形式无特殊要求，但是需要满足以下条件：电感值电容值
放电开关S1是由铜电极构成的火花隙开关，其机械结构无特殊要求，其在常温下且在空气中的击穿电压应在50kV-100kV之间。
电感L1的电感值应该满足：
MOV组件由两个MOV柱(包含第一MOV柱和第二MOV柱)组成，每个MOV柱包含N/2个MOV单元。每个MOV柱中的N/2个MOV单元同轴叠放整齐，相邻的两个MOV单元接触面涂抹导电银胶以避免发生相互错位且能够保证良好的电气连接。第一MOV柱的高压端A1与电感L1的低压端通过导线连接，第一MOV柱的低压端A2和第二MOV柱的高压端B2之间通过导线保证良好的电气连接，第二MOV柱的接地端B1接地电位。两个MOV柱轴线之间的距离为l1，MOV组件工作温度为室温且在空气中时，l1满足：VN是MOV单元的标称压敏电压，D1是MOV单元的底面直径。应当采用夹具在两个MOV柱的端面施加压力将各个MOV单元压紧固定，夹具只需保证各MOV单元不发生错位且保证良好的电气连接即可。
MOV单元采用商用MOV(标准件)，形状为圆柱状，底面直径D1满足2cm<D1，高度h1满足2cm<h1，其标称压敏电压VN的选择范围在5kV-20kV。MOV的个数N和VN之间应该满足：
本发明中各连接导线需要保证良好的电气连接且连接导线应该尽可能的短，并且要保证本发明在常温下且在空气中工作时各部件之间绝缘情况良好。
本发明工作过程为：Marx发生器输出一个满足图4所示波形要求的高压脉冲，然后随着高压脉冲施加到火花隙开关S1上，火花隙开关S1被击穿导通，再经过LC滤波支路和电感L1的初步整形作用，在MOV组件的高压端得到一个波形平顶稍差的高压脉冲；随后经过初步整形之后的高压脉冲传播到MOV组件和负载支路上，由于MOV组件的电压钳制作用，最终在负载Z上得到一个方波特性更好的高压脉冲输出。
同现有技术相比，本发明可以达到以下效果：
(1)本发明不需要脉冲形成线，减少了能量转移环节，全系统没有用到去离子水或变压器油等介质，有利于实现脉冲功率系统的固态化和小型化；
(2)本发明采用两节脉冲形成网络和MOV相结合的方式进行脉冲整形，能够有效解决单纯的用MOV整形所带来的平顶下降问题，在负载上得到方波特性更好的高压脉冲输出；
(3)本发明Marx发生器的输出电压只需要达到MOV组件总压敏电压的1.2～1.5倍，能够减少能量浪费，提高能量利用效率，有助于拓展高功率脉冲驱动源技术工业化应用。
附图说明
图1为技术方案一中M.C.Clark在其发表的学术论文《A New,Compact PulsedPower System Based on Surge Arrestor Technology》【IEEE Pulsed PowerConference,2009,pp:938-943】(《一种基于浪涌避雷器技术的新型紧凑化脉冲功率系统》【2009年国际脉冲功率会议论文集，第938-943页】)中介绍的一种高压脉冲发生器；
图2为技术方案一的实验输出波形；
图3为本发明整体电路结构图；
图4为本发明所用Marx发生器的典型输出波形图；
图5为本发明MOV组件结构示意图；
图6为本发明MOV单元三维结构图；
图7为本发明实验输出波形。
具体实施方式
图1为技术方案一中M.C.Clark在其发表的学术论文《A New,Compact PulsedPower System Based on Surge Arrestor Technology》【IEEE Pulsed PowerConference,2009,pp:938-943】(《一种基于浪涌避雷器技术的新型紧凑化脉冲功率系统》【2009年国际脉冲功率会议论文集，第938-943页】)中介绍的一种利用MOV来产生脉冲方波的高压脉冲发生器。该高压脉冲发生器由Marx发生器、MOV组件、电感L1、负载Z、放电开关S1以及撬断开关S2组成。Marx发生器、MOV组件以及负载Z三者是并联关系；在Marx发生器和MOV组件之间接有放电开关S1和电感L1，在MOV组件和负载Z之间接有撬断开关S2。Marx发生器产生高压脉冲，经过MOV组件的电压钳制作用，在负载Z上得到脉冲方波输出。此高压脉冲发生器输出波形如图2所示，其中横坐标表示时间，单位为微秒，纵坐标表示电压，单位为伏特；输出电压幅值Vmax约为-350kV，脉冲波形平顶(90％Vmax-90％Vmax对应的时间尺度)约0.2us(0.7us-0.9us)。
图3为本发明整体电路结构图。本发明由Marx发生器、MOV组件、LC滤波支路、电感L1以及放电开关S1组成。LC滤波支路由电感L2和电容C2并联而成，Marx发生器、电感L1以及LC滤波支路构成一个两节脉冲形成网络，Marx发生器的电容与电感L1组成成脉冲形成网络的第一节，LC滤波支路组成脉冲形成网络的第二节。LC滤波支路串联接在Marx发生器输出端和电感L1之间，电感L1串联接在LC滤波支路和MOV组件高压端之间，Marx发生器与LC滤波支路之间接有放电开关S1。负载Z、MOV组件、Marx发生器三者为并联关系。MOV组件由N个MOV单元2组成，N是MOV单元2的个数，为正偶数。
负载Z应为电阻性负载，其阻值R的范围为10Ω-100Ω。
Marx发生器的实现形式无特殊要求，要求其输出波形满足图4所示的形式即可。即峰值电压V0满足1.2N·VN＜|V0|＜1.5N·VN，VN是MOV单元2的标称压敏电压；上升沿tr(10％V0-90％V0对应的时间尺度)满足tr<100ns，下降沿td(90％V0-10％V0对应的时间尺度)满足td<2us，脉宽τ(50％V0-50％V0对应的时间尺度)满足100ns<τ<2us。Marx发生器的总电容应该满足：
LC滤波支路由电感L2和电容C2并联而成。电感L2和电容C2的实现形式无特殊要求，但是需要满足以下条件：电感值电容值
放电开关S1接在Marx输出端和LC滤波支路高压端之间，放电开关S1是由铜电极构成的火花隙开关，其机械结构无特殊要求，其在常温下且在空气中的击穿电压应在50kV-100kV之间。
电感L1的电感值应该满足：
图5所示为MOV组件的结构示意图。如图5所示，MOV组件由两个MOV柱1(包含第一MOV柱1-1和第一MOV柱1-2)组成，每个MOV柱包含N/2个MOV单元2。每个MOV柱中的N/2个MOV单元2同轴叠放整齐，相邻的两个MOV单元2接触面涂抹导电银胶以避免发生相互错位且能够保证良好的电气连接。第一MOV柱1-1的高压端A1与电感L1的低压端通过导线连接，第一MOV柱1-1的低压端A2和MOV柱1-2的高压端B2之间通过导线保证良好的电气连接，第二MOV柱1-2的接地端B1接地电位。两个MOV柱轴线之间的距离为l1，MOV组件工作温度为室温且在空气中时，l1满足：VN是MOV单元2的标称压敏电压，D1是MOV单元2的底面直径。采用夹具在两个MOV柱的端面施加压力将各个MOV单元2压紧固定，夹具只需保证各MOV单元2不发生错位且保证良好的电气连接即可。
MOV单元2如图6所示，形状为圆柱状，底面直径D1满足2cm<D1，高度h1满足2cm<h1，其标称压敏电压VN的选择范围在5kV-20kV。MOV使用的个数N和VN之间应该满足：
本发明中各连接导线需要保证良好的电气连接且连接导线应该尽可能的短，并且要保证本发明在常温下且在空气中工作时各部件之间绝缘情况良好。
图7为本发明的一个实施例的输出波形。其中横坐标表示时间(Time)，单位为纳秒(ns)，纵坐标表示电压(Voltage)，单位为千伏(KV)。在国防科技大学进行的验证性实验中，将装置放置于空气中，工作温度为室温，取τ＝600ns，R＝30Ω；Marx发生器总电容为10nF、输出峰值电压V0＝-120kV、上升沿tr＝70ns、下降沿td＝1us；选用的MOV单元2压敏电压VN＝8kV，MOV单元2为底面直径D1＝4.2cm，高h1＝2.4cm的圆柱体结构；MOV单元2个数N＝12，两个MOV柱轴线之间的距离l1＝10cm；滤波支路电容电感回路电感实验结果为：负载电压幅值VZ＝-90kV，脉宽(50％VZ-50％VZ对应的时间刻度)为500ns，波形平顶(90％VZ-90％VZ对应的时间刻度)为400ns，上升沿(10％VZ-90％VZ对应的时间刻度)为50ns，有效解决了单纯的用MOV整形所带来的平顶下降问题，且在负载上得到方波特性更好的高压脉冲输出。Marx发生器输出电压为MOV组件总压敏电压的1.25倍，不需要达到MOV组件总压敏电压的两倍以上。

Claims (10)

1.一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，它包括Marx发生器、MOV组件、电感L1、负载Z以及放电开关S1，其特征在于它还包括LC滤波支路，LC滤波支路由电感L2和电容C2并联而成，Marx发生器、电感L1以及LC滤波支路构成一个两节脉冲形成网络，Marx发生器的电容与电感L1组成脉冲形成网络的第一节，LC滤波支路组成脉冲形成网络的第二节；LC滤波支路串联接在Marx发生器输出端和电感L1之间，电感L1串联接在LC滤波支路和MOV组件高压端之间，Marx发生器与LC滤波支路高压端之间接有放电开关S1；负载Z、MOV组件、Marx发生器三者为并联关系；MOV组件由N个MOV单元(2)组成，N是MOV单元(2)的个数，N为正偶数。
2.如权利要求1所述的一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，其特征在于所述负载Z为电阻性负载，其阻值R的范围为10Ω-100Ω。
3.如权利要求1所述的一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，其特征在于所述Marx发生器的输出波形要求峰值电压V0满足1.2N·VN＜|V0|＜1.5N·VN，VN是MOV单元(2)的标称压敏电压；上升沿tr即10％V0-90％V0对应的时间尺度，满足tr<100ns，下降沿td即90％V0-10％V0对应的时间尺度，满足td<2us，脉宽τ即50％V0-50％V0对应的时间尺度，满足100ns<τ<2us，Marx发生器的总电容CMarx满足：
4.如权利要求1所述的一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，其特征在于所述LC滤波支路中电感L2的电感值LL2＝0.1·τ·R，电容C2的电容值R为负载Z的阻值，τ为Marx发生器的输出波形的脉宽。
5.如权利要求1所述的一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，其特征在于所述放电开关S1是由铜电极构成的火花隙开关，其在常温下且在空气中的击穿电压在50kV-100kV之间。
6.如权利要求1所述的一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，其特征在于所述电感L1的电感值
7.如权利要求1所述的一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，其特征在于所述MOV组件由第一MOV柱(1-1)和第二MOV柱(1-2)组成，每个MOV柱包含N/2个MOV单元(2)，每个MOV柱中的N/2个MOV单元(2)同轴叠放整齐，相邻的两个MOV单元接触面涂抹导电银胶；第一MOV柱(1-1)的高压端A1与电感L1的低压端通过导线连接；第一MOV柱(1-1)的低压端A2和第二MOV柱(1-2)的高压端B2之间通过导线保证电气连接，第二MOV柱(1-2)的接地端B1接地电位。
8.如权利要求7所述的一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，其特征在于所述MOV单元(2)形状为圆柱状，底面直径D1满足2cm<D1，高度h1满足2cm<h1，其标称压敏电压VN的选择范围在5kV-20kV；MOV的个数N和VN之间满足：
9.如权利要求7所述的一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，其特征在于第一MOV柱(1-1)和第二MOV柱(1-2)轴线之间的距离为l1，MOV组件工作温度为室温且在空气中时，l1满足：VN是MOV单元(2)的标称压敏电压，D1是MOV单元(2)的底面直径。
10.如权利要求7所述的一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，其特征在于第一MOV柱(1-1)和第二MOV柱(1-2)的端面采用夹具施加压力，将各个MOV单元(2)压紧固定，夹具满足保证各MOV单元(2)不发生错位且保证电气连接。
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