CN203708135U - 一种高功率长脉冲功率源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种高功率长脉冲功率源，包括充电触发一体化电源、高压脉冲方波产生系统、测量系统和负载，充电触发一体化电源与高压脉冲方波产生系统的正负充电输入端和触发输入端连接，高压脉冲方波产生系统的高压输出端与测量系统的一端相连接，测量系统的另一端与负载相连；本实用新型可实现高功率、高能量、长脉冲、快前沿、重复频率脉冲方波输出；具有体积小、重量轻、成本低等众多优点；在保证相同技术指标的条件下，本实用新型的脉冲功率源将体积、重量缩小到传统系统的三分之一甚至更小，具有小型化、轻型化、结构简单、成本低的技术优势。

Description

一种高功率长脉冲功率源

技术领域

本实用新型属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种高功率长脉冲功率源。可应用于开展高功率微波技术、电子束流产生与传输技术、X光机等研究，也可在工业、医疗等脉冲功率技术领域发挥作用，其在高功率长脉冲功率源的小型化、轻型化、低成本等方面产生明显的效益。

背景技术

脉冲功率源是指进行脉冲能量压缩、获得高功率、短脉冲的电装置。脉冲功率装置的工作原理为：首先由初始储能技术（电容器储能、电感储能、化学能等）产生所需的初级脉冲波形（毫秒级至微妙级），然后再利用脉冲形成线和开关技术在时间尺度上进行压缩，脉冲宽度便被大大压缩（纳秒量级），从而极大的增加了峰值功率。通常的长脉冲功率源采用Marx发生器+脉冲形成线的技术路线，首先用Marx发生器形成一个微秒量级的初始高压脉冲，然后再利用脉冲形成线对脉冲进行整形，最后在负载系统上得到纳秒量级脉冲高压。这类装置(刘锡三，高功率脉冲技术，国防工业出版社，第424-436页)需要用初级电源、一级脉冲压缩、二级脉冲压缩才能获得需要的方波脉冲，不足之处在于储能系统和脉冲形成系统为独立结构，能量转换效率低、系统庞大、重量重。对于传统的重复频率Marx发生器，优点是体积小，主要用于宽谱脉冲产生，缺点是储能低、脉冲宽度窄、无法产生脉冲方波(张晋琪等，强激光与粒子束，2009，21（4），第637-640页)。

在高功率微波的许多应用中，脉冲功率技术是一个关键，其中最大的挑战就是研究小型化、便携式的长脉冲方波高功率脉冲功率源；另外，脉冲功率源在X光机、工业CT高压电源方面都有强的应用市场。制约脉冲功率源实际应用的主要原因是体积大、成本高，传统的脉冲功率技术方式已经不能满足当前对脉冲功率源小型化、轻型化、低成本的要求。

实现长脉冲功率源小型化的关键是如何缩短脉冲形成线的长度、减少脉冲压缩的级数、提高脉冲功率源的输出效率。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是克服了现有技术中的缺陷，采用储能与脉冲成形一体化的结构方式，提供了一种高功率长脉冲功率源，该系统可实现高功率、高储能、高重频、准方波脉冲输出。该系统采用直接驱动技术，将脉冲形成与储能一体化设计，减少了储能转换环节，缩小了系统体积；在结构设计上采用特殊的设计，利用平板传输线互感原理，将脉冲成形模块设计为同端输出结构，实现了电路系统的低回路电感，使得脉冲前沿小、平顶宽；将脉冲形成模块奇偶数左右两排并列放置，气体开关上下线性排列，达到了体积小、结构紧凑型的效果。 

本实用新型采用如下技术方案：一种高功率长脉冲功率源，包括充电触发一体化电源、高压脉冲方波产生系统、测量系统和负载；所述充电触发一体化电源包括正负充电电源和高能触发电源，所述高压脉冲方波产生系统的高压输出端与测量系统的输入端连接，测量系统的输出端连接负载；所述高压脉冲方波产生系统包括N级双电容结构脉冲成形模块依次串联为一体，每一级双电容结构脉冲成形模块包括第一输出电极和第二输出电极；第一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极连接到地，第N级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极连接一个高压对地隔离元件后连接到负载；从第一级双电容结构脉冲成形模开始每一级双电容结构脉冲成形模块与下一级双电容结构脉冲成形模块之间连接一级三电极气体火花间隙开关，每一级双电容结构脉冲成形模块的两个输出电极与下一级双电容结构脉冲成形模块对应的输出电极之间连接一个放电隔离元件；从第一级双电容结构脉冲成形模块开始，每一级脉冲成形模块的第二输出电极与下一级脉冲成形模块的第一输出电极之间为平板传输线型连接方式，两个电极为高压绝缘材料；第一级双电容结构脉冲成形模块的两个输出电极与正负充电电源之间通过两个放电隔离元件连接；每一级三电极气体火花间隙开关的触发电极连接处连接一个触发隔离电阻，触发隔离电阻的另一极连接到高能触发电源；其中N为自然数。放电隔离元件为电阻、或为电感、或为二极管。

在上述技术方案中，所述高压脉冲方波产生系统包括箱体、上压板和下压板，上压板与下压板支架设置多根起支撑作用的支撑杆，双电容结构脉冲成形模块设置在上压板与下压板之间。

在上述技术方案中，所述N个双电容结构脉冲成形模块纵向分为两排并列排列，或纵向一排排列，或纵向三排并列排列。

在上述技术方案中，所述所有三电极气体火花间隙开关在纵向上叠加成柱状设置在双电容结构脉冲成形模块的前方。

在上述技术方案中，每个三电极气体火花间隙开关之间设置绝缘隔离层。

在上述技术方案中，所述所有触发隔离电阻和放电隔离元件在纵向上成柱体形状分别设置在箱体与上、下压板之间的位置。

在上述技术方案中，所述箱体内充满绝缘液体，或为绝缘气体。

在上述技术方案中，所述平板传输线型连接方式是两个电极为平板型电极，电极之间放置高压绝缘用薄膜材料。

在上述技术方案中，所述双电容结构脉冲成形模块可以为三电容结构脉冲成形模块，或为脉冲形成线，或为人工线。

在本实用新型中，脉冲成形模块中的脉冲形成网络采用高压脉冲电容器作为储能单元，其具有储能密度大的优势，而采用双电容脉冲成形系统，减少了脉冲形成网络的级数，克服了单电容系统无法形成脉冲方波的缺点，可实现快前沿、准脉冲方波输出；该脉冲形成网络结构紧凑、体积小、耐压高、储能密度大、可靠性高，可应用于百纳秒级的脉冲功率系统；脉冲成形模块的具体电路结构和功能已另申请专利（2013101532966）。

本实用新型中，高功率长脉冲功率源的工作原理为：充电触发一体化电源的正负充电电源将每个脉冲成形模块（假设总数为n个）并联充电到电压±V0，然后所有的气体火花间隙开关被触发导通，这些脉冲成形模块就会全部串联起来，在匹配负载上建立起幅值为nV0的高压脉冲，且脉冲宽度与单个脉冲成形模块的输出信号脉冲宽度相同。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：本实用新型采用直接驱动技术，将脉冲形成与储能一体化设计，减少了储能转换环节，缩小了系统体积；该发明的系统电路回路采用低电感的设计方法，利用平板传输线互感原理，将脉冲成形模块设计为同端输出结构，实现了电路系统的低回路电感，使得脉冲前沿小、平顶宽；在结构设计上采用特殊的设计，将脉冲形成模块奇偶数左右两排并列放置，气体开关上下线性排列，达到了体积小、结构紧凑型的效果。本实用新型的高功率长脉冲功率源可实现高功率、高储能、高重频、准方波脉冲输出，本实用新型的长脉冲功率源将体积、重量缩小到现有系统的十分之一，具有小型化、轻型化、结构简单、成本低的技术优势。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是新型高功率长脉冲功率源结构示意图

图2是新型高功率长脉冲功率源俯视图；

其中：1是充电触发一体化电源，2是高压脉冲方波产生系统，21是脉冲成形模块，22是三电极气体火花间隙开关，23是触发隔离电阻，24是负放电隔离元件，25是正放电隔离元件，26是上压板，27是下压板，28是支撑螺杆，3是测量系统， 4是负载。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示，本实用新型的一种高功率长脉冲功率源包括充电触发一体化电源1、高压脉冲方波产生系统2、测量系统3和负载4，所述充电触发一体化电源1的正负充电电源与高压脉冲方波产生系统2的正负充电端子连接，所述充电触发一体化电源1的触发电源与高压脉冲方波产生系统2的触发输入端连接，所述高压脉冲方波产生系统2的高压输出端与测量系统3输入端连接，所述测量系统3的输出端与负载系统连接；所述高压脉冲方波产生系统2包括N+1级脉冲成形模块21、N级三电极气体火花间隙开关22、正放电隔离电感23、正放电隔离电感24、N级触发隔离电阻25，所述的第一级脉冲成形模块的第一输出电极与地相连，第一级模块的第二输出电极与第一级气体火花间隙开关的第一个电极相连接，第一级气体火花间隙开关的第二个电极与第二级脉冲成形模块的第一输出电极相连接，依次类推，脉冲成形模块与气体开关首尾相连，依次叠加，最后一级脉冲成形模块的第一输出电极与最后一级气体火花间隙开关的第二个电极相连接，最后一级脉冲成形模块的第二个电极与测量系统3输入端相连，为保证系统第一级和最后一级气体开关与其他气体开关的通流一致性，第一级和最后一级脉冲成形模块的阻抗值为其他脉冲成形模块阻抗值的一半，也就是说第一级和最后一级脉冲成形模块的电容值为其他脉冲成形模块电容值的两倍，所述触发隔离电阻25的输入端与三电极气体火花间隙开关22的触发电极相连接，负放电隔离电感24的第一级电极与第一级脉冲成形模块的第二个电极和第一级气体火花间隙开关的第一个电极相连接，正放电隔离电感23的第一级电极与第二级脉冲成形模块的第一个电极和第一级气体火花间隙开关的第二个电极相连接，依次类推，负放电隔离电感的最后一级电极与第N-1级脉冲成形模块的第二个电极和最后一级气体火花间隙开关的第一个电极相连接，正放电隔离电感的最后一级电极与最后一级脉冲成形模块的第一个电极和最后一级气体火花间隙开关的第二个电极相连接；从第一级脉冲成形模块开始，每一级脉冲成形模块的第二输出电极与下一级脉冲成形模块的第一输出电极之间为平板传输线型连接方式，两个电极为高压绝缘材料，平板传输线的连接方式可以降低连线电感，而两电极之间的绝缘材料可以实现高耐压特性。

实施例一

作为本实用新型的一种高功率长脉冲功率源的一个实施特例，设计一个高功率长脉冲功率源，包括充电触发一体化电源、高压脉冲方波产生系统、测量系统和负载，其中高压脉冲方波产生系统包括13级脉冲成形模块和12级气体火花间隙开关，第一级和最后一级脉冲成形模块的参数为：脉冲宽度为150ns、阻抗值为2.0Ω、电容值为40nF，其余19级脉冲成形模块的参数为脉冲宽度150ns、特性阻抗4.0Ω、电容值为20nF，系统特性阻抗为48Ω；

系统结构在连接方式上采用如图1所示的连接方式，单级脉冲成形模块的尺寸为670mm×155mm×60mm，单个气体火花间隙开关的尺寸为φ150mm×42mm，设计的长脉冲功率源整个系统的体积小，仅1.44m³(长2.0m、宽0.8m、高0.9m),重量轻，仅0.8吨；负载阻抗值为48Ω，与高压脉冲方波产生系统特性阻抗匹配，在充电电源正负对称充电的特殊条件下，设定充电电压值为±50kV，系统理想输出电压为600kV、电流为12.5kA、输出功率为7.5GW，脉冲宽度为130ns。由于整个脉冲功率源中的多级气体火花间隙开关均进行外触发工作，触发电源能量大、电压高（高能触发电源输出电压100kV时、储能80J、重复频率50Hz），保证了气体开关工作的一致性和稳定型，因而整个系统可实现高重复频率50Hz运行。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (9)

1.一种高功率长脉冲功率源，其特征为包括充电触发一体化电源、高压脉冲方波产生系统、测量系统和负载；所述充电触发一体化电源包括正负充电电源和高能触发电源，所述高压脉冲方波产生系统的高压输出端与测量系统的输入端连接，测量系统的输出端连接负载；所述高压脉冲方波产生系统包括N级双电容结构脉冲成形模块依次串联为一体，每一级双电容结构脉冲成形模块包括第一输出电极和第二输出电极；第一级双电容结构脉冲成形模块的第一输出电极连接到地，第N级双电容结构脉冲成形模块的第二输出电极连接一个到高压对地隔离元件后连接到负载；从第一级双电容结构脉冲成形模开始每一级双电容结构脉冲成形模块与下一级双电容结构脉冲成形模块之间连接一级三电极气体火花间隙开关，每一级双电容结构脉冲成形模块的两个输出电极与下一级双电容结构脉冲成形模块对应的输出电极之间连接一个放电隔离元件；从第一级双电容结构脉冲成形模块开始，每一级脉冲成形模块的第二输出电极与下一级脉冲成形模块的第一输出电极之间为平板传输线型连接方式，两个电极为高压绝缘材料；第一级双电容结构脉冲成形模块的两个输出电极与正负充电电源之间通过两个放电隔离元件连接；每一级三电极气体火花间隙开关的触发电极连接处连接一个触发隔离电阻，触发隔离电阻的另一极连接到高能触发电源；其中N为自然数。

2.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述高压脉冲方波产生系统包括箱体、上压板和下压板，上压板与下压板支架设置多根起支撑作用的支撑杆，双电容结构脉冲成形模块设置在上压板与下压板之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述N个双电容结构脉冲成形模块纵向分为两排并列排列，或纵向一排排列，或纵向三排并列排列。

4.根据权利要求3所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述所有三电极气体火花间隙开关在纵向上叠加成柱状设置在双电容结构脉冲成形模块的前方。

5.根据权利要求4所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为每个三电极气体火花间隙开关之间设置绝缘隔离层。

6.根据权利要求1或2所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述所有触发隔离电阻和放电隔离元件在纵向上成柱体形状分别设置在箱体与上、下压板之间的位置。

7.根据权利要求1或2所述的一种高功率长脉冲功率源，箱体内充满绝缘液体，或为绝缘气体。

8.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述平板传输线型连接方式是两个电极为平板型电极，电极之间放置高压绝缘用薄膜材料。

9.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲功率源，其特征为所述双电容结构脉冲成形模块可以为三电容结构脉冲成形模块，或者为脉冲形成线，或者为人工线。