專利名稱：新型Marx脈沖形成電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子電力技術，特別涉及一種新型Marx脈沖形成電路。
背景技術：
Marx發生器是一種廣泛應用的高壓脈沖電源，它以高儲能密度和低電感的電容器組為其主體構架，利用電容充放電的方式來產生指數衰減形高壓脈沖。Marx發生器是一種典型且常用的大功率脈沖發生裝置，有著廣泛的應用。傳統 Marx發生器中的開關部件主要是火花隙開關。然而、火花隙開關在高頻動作，壽命和維護等方面出現問題變得很棘手，而且不利于設備的小型化。近年，隨著各類大功率開關器件的快速發展，例如大功率MOSFET、IGBT等都被選擇在較低功率的環境下替代火花開關以達到設備小型化的目的。另外，隨著脈沖功率源向著小型化、高重復頻率運行，長壽命等方面的發展，全固態開關在脈沖功率領域得到了廣泛的研究。氣體開關，由于氣體絕緣恢復的限制和電極的燒蝕，使得其重復頻率都不太高，而且壽命有限。半導體開關的耐壓與壽命的限制往往使其應用領域得不到擴展。
發明內容
本發明是針對現在Marx發生器需要小型化、高重復頻率的問題，提出了一種新型 Marx脈沖形成電路，提高發生器的脈沖重復率、壽命與可靠性。本發明的技術方案為一種新型Marx脈沖形成電路，包括供電電源、充電電阻、高壓電容，還包括初級觸發電路和開關部件，新型Marx脈沖形成電路由數級充放電路組成， 每級電路由高壓電容兩端分別串聯一組充電電阻后并聯在供電電源兩端，第一級充放電路的高壓電容和第一級充電電阻的兩端并聯初級觸發開關，后面各級電路由開關部件代替初級觸發開關，最后一級的高壓電容一端輸出。所述開關部件選用BJT開關或磁開關。所述供電電源可采用高壓直流電源，初級觸發開關選用MOSFET或BJT，采用NE555 對初級觸發開關的導通及頻率進行控制。所述各級電容選用高壓陶瓷電容器，充電電阻選用金屬膜電阻，BJT基極電阻的阻值選擇OjkQ。本發明的有益效果在于本發明所提出的新型Marx脈沖形成電路，可提高發生器的脈沖重復率、壽命與可靠性。
圖1為本發明現有Marx發生器的原理電路圖； 圖2為本發明新型Marx脈沖形成電路實施例一圖； 圖3為本發明新型Marx脈沖形成電路實施例二圖； 圖4為本發明新型Marx脈沖形成電路輸出示意圖。
具體實施例方式Marx發生器一般用于輸出較高電壓(幾kV以上)和具有一定時間寬度的脈沖波形。在高功率脈沖技術中，傳統的Marx發生器的工作原理，可由一個簡單的電路進行說明。 如圖1所示，多個電容器并聯充電后，進行串聯放電，Marx發生器的級數即為電容器的個數 (例如為η)。首先，接通電源后，供電電源給各級電容充電，接通觸發開關，各級開關依次導通，電容串聯起來并向負載放電，形成電壓幅值為η倍輸入電壓。根據開關的導通速度，在負載形成一定寬度的脈沖波形。為了進一步小型化以及延長壽命、提高可靠性為目的，選擇半導體開關器件之中的雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT)作為開關部件。然而，與火花隙開關比較，BJT的缺點是開關速度比較慢。這是因為，BJT通常工作時，基極電流控制集電極的電流(載流子)，而BJT的開關速度受限制域PN結中積蓄的載流子。為了解決這個問題， 利用BJT中的擊穿現象，可以將通常動作時μ s級的開關時間縮短到ns級，從而實現了高速開關的功能。新型Marx脈沖形成電路，包括供電電源1、充電電阻2、高壓電容6、初級觸發電路 3、數個BJT開關。新型Marx脈沖形成電路由數級充放電路組成，每級電路由高壓電容6兩端分別串聯一組充電電阻2后并聯在供電電源1兩端，第一級充放電路的高壓電容6和一組串聯電阻的兩端并聯初級觸發開關3，后面各級由BJT開關代替初級觸發開關3，最后一級的高壓電容6 —端輸出。所述的供電電源1可采用Matsusada公司生產的型號為HWR-5A 的高壓直流電源，電源能將220V交流電轉變成最高可達5kV的直流電壓輸出。初級觸發開關3選用仙童FQPF6N90CM0SFET或BJT，其門極用NE555對整個電路的導通及頻率進行控制。各級電容6選用市面出售的陶瓷電容器，容值為InF。充電電阻選用金屬膜電阻， 阻值為3.3kQ。作為開關用的BJT選用BC635，其基極電阻選擇OjkQ的可調電阻。當供電電源接通，各級電容充電，按下控制開關，初級MOSFET導通，第一級BJT開關4的集電極與發射極之間加入兩倍的輸入電壓。根據前期試驗，判定BJT集電極與發射極間的擊穿電壓，選擇高于1/2的擊穿電壓為輸入電壓。當第一級BJT開關4被擊穿的瞬間，3倍于輸入的電壓加到第二級BJT的集電極與發射極間，依次類推，各級三極管迅速導通，直到最后一級BJT開關5。在輸出端形成η倍的輸入電壓的脈沖信號，其寬度約為各級BJT擊穿時間之和。圖4所示的是三級負脈沖Marx發生器輸出的波形實例。圖3所示的是利用磁開關的新型Marx脈沖形成電路的示意圖。由可飽和磁芯制做而成的磁開關與普通的半導體開關不同，它不僅具有普通半導體開關的開關作用，而且不受開關頻率的限制，無電離和開關燒蝕等問題。磁開關在磁芯未飽和時，其自身的電感量很大，對電流的流通起阻礙作用，相當于開關的斷開狀態；當磁芯飽和時，其自身的電感量急劇下降，導通電流，相當于開關的閉合狀態。，當磁芯飽和后，磁芯不能立即自主回復到未飽和狀態，加入磁復位電路，幫助磁芯復位。通過改變磁芯的截面積和導體匝數來改變磁開關的伏秒積，使初級觸發電路導通后，第一級磁開關迅速飽和導通。以相同的道理選擇后級磁開關的伏秒積。磁開關的截面積變動相對不易實現，所以采用匝數的變更來應對不同的使用環境。
權利要求
1.一種新型Marx脈沖形成電路，包括供電電源、充電電阻、高壓電容，其特征在于，還包括初級觸發電路和開關部件，新型Marx脈沖形成電路由數級充放電路組成，每級電路由高壓電容兩端分別串聯一組充電電阻后并聯在供電電源兩端，第一級充放電路的高壓電容和第一級充電電阻的兩端并聯初級觸發開關，后面各級電路由開關部件代替初級觸發開關，最后一級的高壓電容一端輸出。
2.根據權利要求1所述新型Marx脈沖形成電路，其特征在于，所述開關部件選用BJT 開關或磁開關。
3.根據權利要求1所述新型Marx脈沖形成電路，其特征在于，所述供電電源可采用高壓直流電源，初級觸發開關選用MOSFET或BJT，采用NE555對初級觸發開關的導通及頻率進行控制。
4.根據權利要求1所述新型Marx脈沖形成電路，其特征在于，所述各級電容選用高壓陶瓷電容器，充電電阻選用金屬膜電阻，BJT基極電阻的阻值選擇OjkQ。
全文摘要
本發明涉及一種新型Marx脈沖形成電路，該脈沖形成電路由數級充放電路組成，每級電路由高壓電容兩端分別串聯一組充電電阻后并聯在供電電源兩端，第一級充放電路的高壓電容和第一級充電電阻的兩端并聯初級觸發開關，后面各級電路由開關部件代替初級觸發開關，最后一級的高壓電容一端輸出。所述開關部件選用BJT開關或磁開關。開關速度快，結構簡單，操作方便，性能穩定，輸出文波小，壽命長，易于推廣。
文檔編號H02M9/00GK102355156SQ20111031080
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月14日 優先權日2011年10月14日
發明者李孜 申請人:上海理工大學