CN102136831B - 一种高电压重频脉冲产生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高电压重频脉冲产生器，包括高压电源、充电电阻、储能电容、输出电缆、开关、置地电阻、置地连接板、绝缘支撑，其特征在于开关为氢闸流管，在氢闸流管、储能电容以及输出电缆的裸露部分设有回流筒，储能电容的高压端与氢闸流管开关直接相连，储能电容的低压端利用螺钉穿过绝缘支撑后再通过置地连接板与置地电阻相连，置地电阻的另一端连接到地电位。主要特点是快前沿(25ns)、高幅值50kV)、低抖动(3ns)，能够稳定的重复频率运行，并且输出脉冲的前沿陡、幅值高，可用作脉冲功率源的前级触发，并可作为快脉冲源实验平台用于材料绝缘特性研究。

Description

一种高电压重频脉冲产生器
技术领域
本发明涉及一种高电压重频脉冲产生器，主要特点是快前沿(25ns)、高幅值(50kV)、低抖动(3ns)。
背景技术
重复频率运行是脉冲功率技术发展的重要方向之一，比如泵浦准分子激光、高功率微波、以及未来惯性约束聚变能源等都要求脉冲功率装置具有一定的重频工作能力。高电压脉冲产生器作为脉冲功率装置的触发***，对于装置起到扳机作用，作用重要。高电压脉冲产生器的主要参数包括输出脉冲的幅值、上升速率、输出脉冲的时延及其抖动，此外还包括高电压脉冲产生器的稳定性与可靠性等。通常情况下高电压脉冲的幅值越高、上升速率越快，被触发器件的性能越稳定。目前，高电压脉冲产生器通常由高电压电源、储能电容、建立开关、输出电缆、充电部件、置地电阻等组成。当建立开关选用气体开关时，高电压脉冲产生器通常为单次工作，而且输出电脉冲的参数不稳定，抖动较大；当建立开关选用场效应管、可控硅等半导体器件时，高电压脉冲产生器虽然能够以较高的频率工作，但输出电脉冲的幅值较低，通常只有数kV，而且驱动负载的能力有限。通常的高电压脉冲产生器难以在重复频率条件下输出高幅值、快前沿、低抖动的电脉冲。
发明内容
为了克服现有高电压脉冲产生器在输出参数方面的不足，本发明提供一种基于氢闸流管的重频高电压脉冲产生器，该高电压脉冲产生器能够稳定的重复频率运行，并且输出脉冲的前沿陡、幅值高，可用作脉冲功率源的前级触发，并可作为快脉冲源实验平台用于材料绝缘特性研究。
本发明的高电压重频脉冲产生器，包括高压电源、充电电阻、储能电容、输出电缆、开关、置地电阻、置地连接板、绝缘支撑，其特征在于开关为氢闸流管，在氢闸流管、储能电容以及输出电缆的裸露部分设有回流筒，储能电容的高压端与氢闸流管开关直接相连，储能电容的低压端利用螺钉穿过绝缘支撑后再通过置地连接板与置地电阻相连，置地电阻的另一端连接到地电位。
上述的输出电缆选用阻抗为50-80欧姆的同轴电缆，优选值为75欧姆，长10-15米，优选值为10米。
上述的置地单元采用多根膜电阻，并联后阻值为200-400欧姆，优选值为250欧姆。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：储能电容充电完毕后，开关在外触发信号作用下导通闭合，电容对输出电缆放电，由于负载相对输出电缆的阻抗为高阻，电压波在电缆两端会发生折反射，在负载上形成近似一连串近似方波，方波的幅值接近充电电压的2倍，方波的脉宽以及方波之间的时间间隔约为电缆传输时间的两倍。为获得陡前沿的高电压脉冲，需要对放电回路参数进行优化，包括：选用低电感的储能电容；缩短各部件之间的连接线，并采取同轴结构来减小回路连线的电感；采用导通速度快、击穿稳定的开关；置地单元的阻抗不宜过小；提高输出电缆的阻抗，适当增加输出电缆的长度等。
解决其技术问题的具体措施包括：建立开关选用氢闸流管，氢闸流管是一种利用氢气作为介质的高能量电子开关，在关断状态下能够承受35kV的高电压，与电触发气体开关相比，氢闸流管的寿命长、重复率高、延时抖动小；设计了回流筒将氢闸流管与储能电容以及输出电缆的裸露部分包围起来，减小了放电回路的电感，陡化了输出的高电压脉冲；输出电缆选用阻抗较高的同轴电缆(75Ω)，使得产生的高电压脉冲的前沿更陡；置地单元采用多根膜电阻并联，阻值为250Ω，减小了置地单元对放电回路的影响，陡化了输出的高电压脉冲。
本发明的有益效果是，高电压脉冲产生器能够稳定的重复频率工作，且输出电脉冲的幅值高、前沿陡。
附图说明：
图1是本发明的电路原理图。
图2是本发明具体放电单元的纵剖面构造图。
图中，1.高压电源，2.充电电阻，3.储能电容，4.输出电缆，5.氢闸流管开关，6.外触发信号，7.置地电阻，8.负载，9.置地连接板，10.绝缘支撑，11.回流筒。
图3是本发明第一个实施例工作在50Hz条件下连续工作1分钟输出波形的叠加。其中通道1为外触发同步信号，通道2为本高电压脉冲产生器的输出波形。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1是本发明的电路原理图。
图2是本发明具体放电单元的纵剖面构造图。
1、为了使输出电脉冲的前沿更陡，合理选取了各部件的参数，储能电容3选取容量为6nF低电感陶瓷电容；输出电缆4的阻抗选取为75Ω，长10米；置地电阻7是多根并联后阻值为250Ω的膜电阻；设计了回流筒11，将氢闸流管与储能电容以及输出电缆的裸露部分包围起来，并在满足绝缘要求的前提下尽量缩小了放电单元的物理尺寸，减小了放电回路的电感。
2、本发明的工作过程是，储能电容3的高压端与氢闸流管开关5直接相连，储能电容的低压端利用螺钉穿过绝缘支撑10后再通过置地连接板9与置地电阻7相连，置地电阻的另一端连接到地电位，总体构成充电回路。高压电源1通过充电电阻2、置地电阻7对储能电容3充电，充电完毕后氢闸流管开关5在外触发信号6的作用下导通闭合，由于电容器两端电势不能突变，因此储能电容3的置地端产生一个与充电电压极性相反的电脉冲。储能电容的置地端与输出电缆4的芯线相连，因此产生的电脉冲通过输出电缆4施加到负载8上。由于负载的阻值相对输出电缆的阻抗为高阻，因此电压波会发生反射，负载上获得接近2倍充电电压的电脉冲，同时产生了一个反射波。反射波沿输出电缆传输回储能电容后会再次发生折反射，电压波多次折反射后，在负载上会获得一连串的近似方波，方波的脉宽为电压波在输出电缆内传输时间的两倍，电压波的幅值接近两倍充电电压，但极性相反。
3、图3是本发明第一个实施例在50Hz条件下连续工作1分钟输出波形的叠加。其中通道1为外触发同步信号，通道2为本高电压脉冲产生器的输出波形。该实施例最高工作频率可达100Hz，***的输出时延为225ns，抖动为2ns，前沿为26ns，脉宽(FWHM)为70ns，高阻负载上触发脉冲的峰值为-40kV，50Hz工作时的峰值为-51kV，单次工作时的峰值为-60kV。
本发明的实施例能够稳定的重复频率运行，且输出脉冲的前沿陡、幅值高。

Claims (5)

1.一种高电压重频脉冲产生器，包括高压电源、充电电阻、储能电容、输出电缆、开关、置地电阻、置地连接板、绝缘支撑，其特征在于开关为氢闸流管，在氢闸流管、储能电容以及输出电缆的裸露部分设有回流筒，储能电容的高压端与氢闸流管直接相连，储能电容的低压端利用螺钉穿过绝缘支撑后再通过置地连接板与置地电阻的一端相连，置地电阻的另一端连接到地电位。
2.如权利要求1所述的高电压重频脉冲产生器，其特征在于输出电缆选用阻抗为50-80欧姆的同轴电缆。
3.如权利要求1或2所述的高电压重频脉冲产生器，其特征在于置地电阻采用多根膜电阻并联。
4.如权利要求3所述的高电压重频脉冲产生器，其特征在于储能电容为容量为3～10nF的低电感陶瓷电容；输出电缆的阻抗为50-80欧姆，长10-15米，置地电阻是多根并联后阻值为200-400欧姆的膜电阻。
5.如权利要求4所述的高电压重频脉冲产生器，其特征在于储能电容为容量为6nF的低电感陶瓷电容；输出电缆的阻抗为75欧姆，长10米，置地电阻是多根并联后阻值为250欧姆的膜电阻。
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