一種高功率長脈沖功率源的制作方法
【專利摘要】本實用新型公布了一種高功率長脈沖功率源，包括充電觸發一體化電源、高壓脈沖方波產生系統、測量系統和負載，充電觸發一體化電源與高壓脈沖方波產生系統的正負充電輸入端和觸發輸入端連接，高壓脈沖方波產生系統的高壓輸出端與測量系統的一端相連接，測量系統的另一端與負載相連；本實用新型可實現高功率、高能量、長脈沖、快前沿、重復頻率脈沖方波輸出；具有體積小、重量輕、成本低等眾多優點；在保證相同技術指標的條件下，本實用新型的脈沖功率源將體積、重量縮小到傳統系統的三分之一甚至更小，具有小型化、輕型化、結構簡單、成本低的技術優勢。
【專利說明】一種高功率長脈沖功率源【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于脈沖功率【技術領域】，具體涉及一種高功率長脈沖功率源。可應用于開展高功率微波技術、電子束流產生與傳輸技術、X光機等研究，也可在工業、醫療等脈沖功率【技術領域】發揮作用，其在高功率長脈沖功率源的小型化、輕型化、低成本等方面產生明顯的效益。
【背景技術】
[0002]脈沖功率源是指進行脈沖能量壓縮、獲得高功率、短脈沖的電裝置。脈沖功率裝置的工作原理為:首先由初始儲能技術(電容器儲能、電感儲能、化學能等)產生所需的初級脈沖波形(毫秒級至微妙級)，然后再利用脈沖形成線和開關技術在時間尺度上進行壓縮，脈沖寬度便被大大壓縮(納秒量級)，從而極大的增加了峰值功率。通常的長脈沖功率源采用Marx發生器+脈沖形成線的技術路線，首先用Marx發生器形成一個微秒量級的初始高壓脈沖，然后再利用脈沖形成線對脈沖進行整形，最后在負載系統上得到納秒量級脈沖高壓。這類裝置(劉錫三，高功率脈沖技術，國防工業出版社，第424-436頁)需要用初級電源、一級脈沖壓縮、二級脈沖壓縮才能獲得需要的方波脈沖，不足之處在于儲能系統和脈沖形成系統為獨立結構，能量轉換效率低、系統龐大、重量重。對于傳統的重復頻率Marx發生器，優點是體積小，主要用于寬譜脈沖產生，缺點是儲能低、脈沖寬度窄、無法產生脈沖方波(張晉琪等，強激光與粒子束，2009，21 (4)，第637-640頁)。
[0003]在高功率微波的許多應用中，脈沖功率技術是一個關鍵，其中最大的挑戰就是研究小型化、便攜式的長脈沖方波高功率脈沖功率源；另外，脈沖功率源在X光機、工業CT高壓電源方面都有強的應用市場。制約脈沖功率源實際應用的主要原因是體積大、成本高，傳統的脈沖功率技術方式已經不能滿足當前對脈沖功率源小型化、輕型化、低成本的要求。
[0004]實現長脈沖功率源小型化的關鍵是如何縮短脈沖形成線的長度、減少脈沖壓縮的級數、提高脈沖功率源的輸出效率。
【發明內容】
[0005]本實用新型要解決的技術問題是克服了現有技術中的缺陷，采用儲能與脈沖成形一體化的結構方式，提供了一種高功率長脈沖功率源，該系統可實現高功率、高儲能、高重頻、準方波脈沖輸出。該系統采用直接驅動技術，將脈沖形成與儲能一體化設計，減少了儲能轉換環節，縮小了系統體積；在結構設計上采用特殊的設計，利用平板傳輸線互感原理，將脈沖成形模塊設計為同端輸出結構，實現了電路系統的低回路電感，使得脈沖前沿小、平頂寬；將脈沖形成模塊奇偶數左右兩排并列放置，氣體開關上下線性排列，達到了體積小、結構緊湊型的效果。
[0006]本實用新型采用如下技術方案:一種高功率長脈沖功率源,包括充電觸發一體化電源、高壓脈沖方波產生系統、測量系統和負載；所述充電觸發一體化電源包括正負充電電源和高能觸發電源，所述高壓脈沖方波產生系統的高壓輸出端與測量系統的輸入端連接，測量系統的輸出端連接負載；所述高壓脈沖方波產生系統包括N級雙電容結構脈沖成形模塊依次串聯為一體，每一級雙電容結構脈沖成形模塊包括第一輸出電極和第二輸出電極；第一級雙電容結構脈沖成形模塊的第一輸出電極連接到地，第N級雙電容結構脈沖成形模塊的第二輸出電極連接一個高壓對地隔離元件后連接到負載；從第一級雙電容結構脈沖成形模開始每一級雙電容結構脈沖成形模塊與下一級雙電容結構脈沖成形模塊之間連接一級三電極氣體火花間隙開關，每一級雙電容結構脈沖成形模塊的兩個輸出電極與下一級雙電容結構脈沖成形模塊對應的輸出電極之間連接一個放電隔離元件；從第一級雙電容結構脈沖成形模塊開始，每一級脈沖成形模塊的第二輸出電極與下一級脈沖成形模塊的第一輸出電極之間為平板傳輸線型連接方式，兩個電極為高壓絕緣材料；第一級雙電容結構脈沖成形模塊的兩個輸出電極與正負充電電源之間通過兩個放電隔離元件連接；每一級三電極氣體火花間隙開關的觸發電極連接處連接一個觸發隔離電阻，觸發隔離電阻的另一極連接到高能觸發電源；其中N為自然數。放電隔離元件為電阻、或為電感、或為二極管。
[0007]在上述技術方案中，所述高壓脈沖方波產生系統包括箱體、上壓板和下壓板，上壓板與下壓板支架設置多根起支撐作用的支撐桿，雙電容結構脈沖成形模塊設置在上壓板與下壓板之間。
[0008]在上述技術方案中，所述N個雙電容結構脈沖成形模塊縱向分為兩排并列排列，或縱向一排排列，或縱向三排并列排列。
[0009]在上述技術方案中，所述所有三電極氣體火花間隙開關在縱向上疊加成柱狀設置在雙電容結構脈沖成形模塊的前方。
[0010]在上述技術方案中，每個三電極氣體火花間隙開關之間設置絕緣隔離層。
[0011]在上述技術方案中，所述所有觸發隔離電阻和放電隔離元件在縱向上成柱體形狀分別設置在箱體與上、下壓板之間的位置。
[0012]在上述技術方案中,所述箱體內充滿絕緣液體,或為絕緣氣體。
[0013]在上述技術方案中，所述平板傳輸線型連接方式是兩個電極為平板型電極，電極之間放置高壓絕緣用薄膜材料。
[0014]在上述技術方案中，所述雙電容結構脈沖成形模塊可以為三電容結構脈沖成形模塊，或為脈沖形成線，或為人工線。
[0015]在本實用新型中，脈沖成形模塊中的脈沖形成網絡采用高壓脈沖電容器作為儲能單元，其具有儲能密度大的優勢，而采用雙電容脈沖成形系統，減少了脈沖形成網絡的級數，克服了單電容系統無法形成脈沖方波的缺點，可實現快前沿、準脈沖方波輸出；該脈沖形成網絡結構緊湊、體積小、耐壓高、儲能密度大、可靠性高，可應用于百納秒級的脈沖功率系統；脈沖成形模塊的具體電路結構和功能已另申請專利(2013101532966)。
[0016]本實用新型中，高功率長脈沖功率源的工作原理為:充電觸發一體化電源的正負充電電源將每個脈沖成形模塊(假設總數為η個)并聯充電到電壓土V0，然后所有的氣體火花間隙開關被觸發導通，這些脈沖成形模塊就會全部串聯起來，在匹配負載上建立起幅值為nVO的高壓脈沖，且脈沖寬度與單個脈沖成形模塊的輸出信號脈沖寬度相同。
[0017]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是:本實用新型采用直接驅動技術，將脈沖形成與儲能一體化設計，減少了儲能轉換環節，縮小了系統體積；該發明的系統電路回路采用低電感的設計方法，利用平板傳輸線互感原理，將脈沖成形模塊設計為同端輸出結構，實現了電路系統的低回路電感，使得脈沖前沿小、平頂寬；在結構設計上采用特殊的設計，將脈沖形成模塊奇偶數左右兩排并列放置，氣體開關上下線性排列，達到了體積小、結構緊湊型的效果。本實用新型的高功率長脈沖功率源可實現高功率、高儲能、高重頻、準方波脈沖輸出，本實用新型的長脈沖功率源將體積、重量縮小到現有系統的十分之一，具有小型化、輕型化、結構簡單、成本低的技術優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]本實用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0019]圖1是新型高功率長脈沖功率源結構示意圖
[0020]圖2是新型高功率長脈沖功率源俯視圖；
[0021]其中:1是充電觸發一體化電源，2是高壓脈沖方波產生系統，21是脈沖成形模塊，22是三電極氣體火花間隙開關，23是觸發隔離電阻，24是負放電隔離元件，25是正放電隔離元件，26是上壓板，27是下壓板，28是支撐螺桿，3是測量系統，4是負載。
【具體實施方式】
[0022]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0023]如圖1所示，本實用新型的一種高功率長脈沖功率源包括充電觸發一體化電源1、高壓脈沖方波產生系統2、測量系統3和負載4,所述充電觸發一體化電源I的正負充電電源與高壓脈沖方波產生系統2的正負充電端子連接，所述充電觸發一體化電源I的觸發電源與高壓脈沖方波產生系統2的觸發輸入端連接，所述高壓脈沖方波產生系統2的高壓輸出端與測量系統3輸入端連接，所述測量系統3的輸出端與負載系統連接；所述高壓脈沖方波產生系統2包括N+1級脈沖成形模塊21、N級三電極氣體火花間隙開關22、正放電隔離電感23、正放電隔離電感24、N級觸發隔離電阻25，所述的第一級脈沖成形模塊的第一輸出電極與地相連，第一級模塊的第二輸出電極與第一級氣體火花間隙開關的第一個電極相連接，第一級氣體火花間隙開關的第二個電極與第二級脈沖成形模塊的第一輸出電極相連接，依次類推，脈沖成形模塊與氣體開關首尾相連，依次疊加，最后一級脈沖成形模塊的第一輸出電極與最后一級氣體火花間隙開關的第二個電極相連接，最后一級脈沖成形模塊的第二個電極與測量系統3輸入端相連，為保證系統第一級和最后一級氣體開關與其他氣體開關的通流一致性，第一級和最后一級脈沖成形模塊的阻抗值為其他脈沖成形模塊阻抗值的一半，也就是說第一級和最后一級脈沖成形模塊的電容值為其他脈沖成形模塊電容值的兩倍，所述觸發隔離電阻25的輸入端與三電極氣體火花間隙開關22的觸發電極相連接，負放電隔離電感24的第一級電極與第一級脈沖成形模塊的第二個電極和第一級氣體火花間隙開關的第一個電極相連接，正放電隔離電感23的第一級電極與第二級脈沖成形模塊的第一個電極和第一級氣體火花間隙開關的第二個電極相連接，依次類推，負放電隔離電感的最后一級電極與第N-1級脈沖成形模塊的第二個電極和最后一級氣體火花間隙開關的第一個電極相連接，正放電隔離電感的最后一級電極與最后一級脈沖成形模塊的第一個電極和最后一級氣體火花間隙開關的第二個電極相連接；從第一級脈沖成形模塊開始，每一級脈沖成形模塊的第二輸出電極與下一級脈沖成形模塊的第一輸出電極之間為平板傳輸線型連接方式，兩個電極為高壓絕緣材料，平板傳輸線的連接方式可以降低連線電感，而兩電極之間的絕緣材料可以實現高耐壓特性。
[0024]實施例一
[0025]作為本實用新型的一種高功率長脈沖功率源的一個實施特例，設計一個高功率長脈沖功率源，包括充電觸發一體化電源、高壓脈沖方波產生系統、測量系統和負載，其中高壓脈沖方波產生系統包括13級脈沖成形模塊和12級氣體火花間隙開關，第一級和最后一級脈沖成形模塊的參數為:脈沖寬度為150ns、阻抗值為2.0Ω、電容值為40nF，其余19級脈沖成形模塊的參數為脈沖寬度150ns、特性阻抗4.0 Ω、電容值為20nF，系統特性阻抗為48 Ω ；
[0026]系統結構在連接方式上采用如圖1所示的連接方式，單級脈沖成形模塊的尺寸為670mmX 155mmX 60mm,單個氣體火花間隙開關的尺寸為Φ 150mmX 42mm,設計的長脈沖功率源整個系統的體積小，僅1.44m3 (長2.0m、寬0.8m、高0.9m),重量輕，僅0.8噸；負載阻抗值為48 Ω，與高壓脈沖方波產生系統特性阻抗匹配，在充電電源正負對稱充電的特殊條件下，設定充電電壓值為±50kV，系統理想輸出電壓為600kV、電流為12.5kA、輸出功率為7.5GW,脈沖寬度為130ns。由于整個脈沖功率源中的多級氣體火花間隙開關均進行外觸發工作，觸發電源能量大、電壓高(高能觸發電源輸出電壓IOOkV時、儲能80J、重復頻率50Hz)，保證了氣體開關工作的一致性和穩定型，因而整個系統可實現高重復頻率50Hz運行。
[0027]本實用新型并不局限于前述的【具體實施方式】。本實用新型擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組
口 ο
【權利要求】
1.一種高功率長脈沖功率源，其特征為包括充電觸發一體化電源、高壓脈沖方波產生系統、測量系統和負載；所述充電觸發一體化電源包括正負充電電源和高能觸發電源，所述高壓脈沖方波產生系統的高壓輸出端與測量系統的輸入端連接，測量系統的輸出端連接負載；所述高壓脈沖方波產生系統包括N級雙電容結構脈沖成形模塊依次串聯為一體,每一級雙電容結構脈沖成形模塊包括第一輸出電極和第二輸出電極；第一級雙電容結構脈沖成形模塊的第一輸出電極連接到地，第N級雙電容結構脈沖成形模塊的第二輸出電極連接一個到高壓對地隔離元件后連接到負載；從第一級雙電容結構脈沖成形模開始每一級雙電容結構脈沖成形模塊與下一級雙電容結構脈沖成形模塊之間連接一級三電極氣體火花間隙開關，每一級雙電容結構脈沖成形模塊的兩個輸出電極與下一級雙電容結構脈沖成形模塊對應的輸出電極之間連接一個放電隔離元件；從第一級雙電容結構脈沖成形模塊開始，每一級脈沖成形模塊的第二輸出電極與下一級脈沖成形模塊的第一輸出電極之間為平板傳輸線型連接方式，兩個電極為高壓絕緣材料；第一級雙電容結構脈沖成形模塊的兩個輸出電極與正負充電電源之間通過兩個放電隔離元件連接；每一級三電極氣體火花間隙開關的觸發電極連接處連接一個觸發隔離電阻，觸發隔離電阻的另一極連接到高能觸發電源；其中N為自然數。
2.根據權利要求1所述的一種高功率長脈沖功率源，其特征為所述高壓脈沖方波產生系統包括箱體、上壓板和下壓板，上壓板與下壓板支架設置多根起支撐作用的支撐桿，雙電容結構脈沖成形模塊設置在上壓板與下壓板之間。
3.根據權利要求1或2所述的一種高功率長脈沖功率源，其特征為所述N個雙電容結構脈沖成形模塊縱向分為兩排并列排列，或縱向一排排列，或縱向三排并列排列。
4.根據權利要求3所述的一種高功率長脈沖功率源，其特征為所述所有三電極氣體火花間隙開關在縱向上疊加成柱狀設置在雙電容結構脈沖成形模塊的前方。
5.根據權利要求4所述的一種高功率長脈沖功率源，其特征為每個三電極氣體火花間隙開關之間設置絕緣隔離層。
6.根據權利要求1或2所述的一種高功率長脈沖功率源，其特征為所述所有觸發隔離電阻和放電隔離元件在縱向上成柱體形狀分別設置在箱體與上、下壓板之間的位置。
7.根據權利要求1或2所述的一種高功率長脈沖功率源，箱體內充滿絕緣液體，或為絕緣氣體。
8.根據權利要求1所述的一種高功率長脈沖功率源，其特征為所述平板傳輸線型連接方式是兩個電極為平板型電極，電極之間放置高壓絕緣用薄膜材料。
9.根據權利要求1所述的一種高功率長脈沖功率源，其特征為所述雙電容結構脈沖成形模塊可以為三電容結構脈沖成形模塊，或者為脈沖形成線，或者為人工線。
【文檔編號】H02M9/02GK203708135SQ201420014458
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年1月10日 優先權日:2014年1月10日
【發明者】宋法倫, 甘延青, 龔海濤, 秦風, 金曉, 許州 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所