CN102931867A

CN102931867A - 一种重复频率的脉冲倍压发生装置

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Publication number: CN102931867A
Application number: CN2012103823482A
Authority: CN
Inventors: 丁卫东; 任航; 吴佳玮
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-10-10
Also published as: CN102931867B

Abstract

本发明公开了一种重复频率的脉冲倍压发生装置，包括脉冲源、磁压缩电路、脉冲变压器和脉冲倍增级联单元；脉冲源通过电感给磁压缩电路充电，输入脉冲经过磁压缩电路前沿压缩后送入脉冲变压器进行初级倍压，然后再送入脉冲倍增级联单元进行二次倍压及前沿压缩。本发明提供的装置，能够对脉冲变压器的输出脉冲通过磁压缩电路进行初步脉冲压缩，并通过脉冲倍增级联单元进行二次倍压及前沿压缩，从而降低对脉冲变压器的变比和输出电压幅值的要求以及对磁压缩的压缩比的要求，极大的减少脉冲变压器与磁压缩电路的磁芯体积与重量，实现***小型化、紧凑化。

Description

一种重复频率的脉冲倍压发生装置

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种重复频率的脉冲倍压发生装置。

背景技术

脉冲功率技术随着氮氧化物处理、臭氧制备、污水处理等工业领域的迫切应用需求而迎来发展高峰期，对脉冲电压幅值、上升时间、重复工作频率，特别是脉冲源的体积和造价都提出了更严格的要求。

现阶段广泛采用的重复频率脉冲倍压电路为一种免复位的磁压缩电路，其电路构造如图1所示（张冬冬,严萍,王钰,等.单级磁脉冲压缩***实验研究[J],强激光与粒子束,2008:20(8),1397–1410.）。低压充电电容C₁和晶闸管THY₁(或IGBT)，空心电感L₁(或磁开关)及脉冲变压器PT₁的初级绕组串联并构成闭合回路。高压充电电容C₂和C₃与磁开关MS₁及空心电感L₂(或半导体断路开关，上端阳极，下端阴极)串联并构成闭合回路。脉冲变压器次级绕组与高压充电电容C₃并联，并构成闭合回路。负载与空心电感L₂并联并构成闭合回路。

为了适应工业应用的要求以获得幅值高达数十千伏的输出电压，现有技术主要依靠脉冲变压器实现电压倍增、依靠磁开关实现脉冲压缩。因此，脉冲变压器需要把几百伏的电压倍增到数十千伏，这将导致脉冲变压器具有相当大的变比。高变比带来的问题有二：首先，高变比要求脉冲变压器初级线圈匝数很少。为了保证脉冲在上升过程中能够得到有效倍压，需要脉冲变压器的磁芯在倍压过程中不饱和，而由于初级线圈匝数较少，则必须依靠增加磁芯截面积来达到磁芯不饱和的要求。因此，整体磁芯体积将会变大，***造价和体积都会增加。另一方面，高变比要求脉冲变压器次级线圈匝数较多。为了能够在磁环上绕制足够多的线圈，磁环的周长需要较大，从而增加了磁芯体积和造价。

文献（Richard Anthony Fitch,Mortimer.“Electrical Pulse Generator”,USPatent nr 3,366,799,30.）提出了Fitch电路用作脉冲电压的幅值倍增。其中，N个电容串联，且相间的电容两端并联空心电感，空心电感和电容通过球隙连接。各级电容通过电阻连接，电阻的作用是为电容充电提供回路。当电容通过电阻充电完成后，各级球隙同步导通，相间的电容和空心电感电压进行谐振。当电压极性完全反转时，输出端得到N倍的输入电压。但是，上述的电路具有如下缺点：1、电容通过电阻充电，充电时间很长，无法做到重复运行。2、采用球隙作为开关，其绝缘恢复时间和电极烧蚀也限制了整套***的重复运行频率。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种重复频率的脉冲倍压发生装置，提出新的脉冲倍增电路，能够降低对脉冲变压器的变比和输出电压幅值的要求以及对磁压缩的压缩比的要求，减少脉冲变压器与磁压缩电路的磁芯体积与重量，实现***小型化、紧凑化。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种重复频率的脉冲倍压发生装置，包括脉冲源、磁压缩电路、脉冲变压器和脉冲倍增级联单元；脉冲源通过电感给磁压缩电路充电，输入脉冲经过磁压缩电路前沿压缩后送入脉冲变压器进行初级倍压，然后再送入脉冲倍增级联单元进行二次倍压及前沿压缩；

磁压缩电路通过电感与脉冲源相连接，包括多级磁压缩单元，每级磁压缩单元包括电容和磁开关，电容的一端和磁开关的一端相连接，电容的另一端和磁开关的另一端与下一级电容并联；

磁压缩电路通过脉冲变压器与脉冲倍增级联单元相连接；级联单元包括多个级联的脉冲倍增单元，每个脉冲倍增单元包括第一电容和第二电容，耦合磁开关并联在第一电容的两端，第一电容和第二电容之间设有二极管，二极管的阴极连接第一电容一端，阳极连接第二电容一端，第一电容的另一端和第二电容的另一端相连；脉冲倍增单元的电压输入端为第一电容的两端，输出端为二极管的阳极对二极管的阴极，相邻脉冲倍增单元的级联方式为前级的二极管阳极连接后级的二极管阴极，耦合磁开关耦合于同一磁芯上。

所述的脉冲倍增单元中第一电容与与耦合磁开关并联，第二电容的一个引脚与第一电容的一个引脚相连，另一个引脚连接二极管的阳极，二极管的阴极连接至第一电容的另一个引脚。

所述的脉冲倍增级联单元为N个级联的脉冲倍增单元，前级二极管的阳极连接后级二极管的阴极。

所述的脉冲倍增级联单元的输入端为第一级脉冲倍增单元的第一电容的两端，输出端为第N级脉冲倍增单元的二极管的阳极对第一电容的二极管阴极。

所述的为N个级联的脉冲倍增单元中的2N个电容具有相同的参数，N个磁开关耦合至同一磁芯且具有相同参数，其同名端排列均为同一方向。

所述的脉冲倍增级联单元在充电阶段时，N个耦合磁开关处于非饱和状态，第一级脉冲倍增单元的两个电容被输入脉冲并联充电，二极管过正向电流，第一级脉冲倍增单元的耦合磁开关两端的充电电压感应到其后级联的N-1级的耦合磁开关两端，同时向后面N-1级模块中的所有电容充电，所有电容电压被同时充到峰值U；

所有电容电压充到峰值U后进入放电阶段，耦合磁开关所在的磁芯饱和，相间的电容和与其并联的耦合磁开关振荡放电，在半个周期内放电的电容电压从U变为-U，在此阶段，由于二极管的反向电压隔离，剩余的一半电容电压维持不变，从N个串联的二极管两端输出了电压，其幅值是2N个电容电压的叠加为2NU。

所述脉冲源通过电感向磁压缩电路充电后，首先对首个磁压缩单元的电容C₅充电，其两端电压达到峰值时，首个磁压缩单元的磁开关MS₂饱和导通，电容C₅通过MS₂的饱和电感开始向下级磁压缩单元的电容C₆谐振充电，C₆充电至峰值时，下级磁压缩单元的磁开关MS₃饱和导通，电容C₆通过磁开关MS₃的饱和电感与脉冲变压器向脉冲倍增级联单元充电。

所述向脉冲倍增级联单元充电时，在脉冲倍增级联单元的电容充电至峰值前，耦合磁开关未导通，脉冲倍增级联单元等效为所有电容的并联，对所有电容完成同步充电，二极管在充电阶段流过正向电流；

所有电容充电至峰值后耦合磁开关饱和，相间的电容和与其并联的耦合磁开关振荡放电，在半个周期内放电的电容电压翻转。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的重复频率的脉冲倍压发生装置，能够对脉冲变压器的输出脉冲通过磁压缩电路进行初步脉冲压缩，并通过脉冲倍增级联单元进行二次倍压及脉冲前沿压缩，从而降低对脉冲变压器的变比和输出电压幅值的要求以及对磁压缩的压缩比的要求，极大的减少脉冲变压器与磁压缩电路的磁芯体积与重量，实现***小型化、紧凑化。

本发明提供的重复频率的脉冲倍压发生装置，其中的脉冲倍增级联单元是基于耦合磁开关和Fitch电路的重复频率紧凑脉冲倍增器(CoupledMagnetic Switches based Fitch Booster,简称CMSFB)，由N个模块构成的CMSFB可以倍增输入脉冲电压幅值2N倍，并且具有压缩输入脉冲电压前沿的效果。因此，将N个模块构成的CMSFB称为2N级CMSFB.

2N级CMSFB在充电阶段，N个耦合磁开关处于非饱和状态，可以看做N个1:1的变压器，第一级模块的2个电容被输入脉冲并联充电(此阶段二极管流过正向电流，相当于短路)，同时第一级磁开关两端的充电电压感应到后N-1级磁开关两端，从而给后N-1级模块中的所有电容充电。因此，充电阶段中，CMSFB中所有电容电压被同时充到U；在放电阶段CMSFB中所有电容电压充到U时，磁开关所在的磁芯饱和，相间的电容和与其并联的磁开关振荡放电，在半个周期内电容电压从U变为-U.在此阶段，由于二极管的反向电压隔离效果，剩余的一半电容电压维持不变。因此，从N个串联的二极管两端输出了电压，其幅值是2N个电容电压的叠加，为2NU，其上升时间是磁开关和电容振荡周期的一般，远小于电容的充电时间。因此，CMSFB也具有脉冲上升时间压缩的效果。

CMSFB的充电回路不是由电阻构成，而是通过耦合磁开关未饱和时等效为1:1的脉冲变压器进行，从而保证充电时间更短，效率更高。进一步，控制电感与电容振荡开始不是靠气体开关，而是可饱和电感（耦合磁开关）。磁开关没有电极烧蚀和绝缘恢复的问题，从而使得本电路可以在高重复频率下运行。只要输入电源是重频，就可以让CMSFB工作于重频状态。

附图说明

图1为现有的免复位磁压缩电路拓扑图；

图2为4级脉冲倍增器的整体电路拓扑图；

图3-1～3-3分别为4级脉冲倍增器的实验电压波形图；

图4为6级脉冲倍增器的整体电路拓扑图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

磁压缩电路通过脉冲变压器与脉冲倍增级联单元相连接；

脉冲倍增级联单元包括多个级联的脉冲倍增单元，每个脉冲倍增单元包括第一电容和第二电容，耦合磁开关并联在第一电容的两端，第一电容和第二电容之间设有二极管，二极管的阴极连接第一电容一端，阳极连接第二电容一端，第一电容的另一端和第二电容的另一端相连；脉冲倍增单元的电压输入端为第一电容的两端，输出端为二极管的阳极对二极管的阴极，相邻脉冲倍增单元的级联方式为前级的二极管阳极连接后级的二极管阴极，耦合磁开关耦合于同一磁芯上。

上述的脉冲倍增级联单元，即为基于耦合磁开关和Fitch电路的脉冲倍增级联单元称为重复频率紧凑脉冲倍增器(Coupled Magnetic Switches basedFitch Booster,简称CMSFB)。在CMSFB的输入端给电后，即可达到倍压及前沿压缩的效果。

参见图2，包含两个单元级联的CMSFB的重复频率的脉冲倍压发生装置，可以分为两个部分，其电路拓扑结构描述如下：

第一部分是一个两级经典磁压缩电路。脉冲源S₁通过电感L₃给磁压缩电路(由C₅,C₆,MS₂,MS₃构成)充电。输入脉冲经过前沿压缩后送入脉冲变压器PT₂的初级进行倍压。

第二子***即为两个单元级联的CMSFB，其电路拓扑结构描述如下：电容C₇与耦合磁开关MS₄并联，C₈的一个引脚与C₇的一个引脚相连，另一个引脚连接二极管D₁的阳极，二极管的阴极连接至电容C₇的另一个引脚。上述电路拓扑是CMSFB的一个模块，可以级联多个模块达到电压倍增的效果。CMSFB的级联为：前级二极管的阳极连接后级二极管的阴极，耦合磁开关耦合于一个磁芯上。

脉冲倍增级联单元可以由N个脉冲倍增单元级联构成，通过首个模块第一电容上端连接至***输入电压的正极，第一电容下端连接至***输入电压的负极即接地极，其余部分将上一模块的输出端与下一模块的输入端相连的方法构成2N级脉冲倍增器，其中2N个电容具有相同的参数，N个磁开关耦合至同一磁芯且具有相同参数，其同名端排列均为同一方向。

CMSFB利用电容充满电后极性翻转实现倍压，其充电回路不是由电阻构成，而是通过耦合磁开关未饱和时等效为1:1的脉冲变压器进行，从而保证充电时间更短，效率更高。而且控制电感与电容振荡开始不是靠气体开关，而是可饱和电感（磁开关）。磁开关没有电极烧蚀和绝缘恢复的问题，从而使得本电路可以在高重复频率下运行。

由N个模块构成的CMSFB可以倍增输入脉冲电压幅值2N倍，并且具有压缩输入脉冲电压前沿的效果（输出端与输入端相比，输出电压上升时间小于输出电压上升时间）。因此，将N个模块构成的CMSFB命名为2N级CMSFB.2N级CMSFB的工作分为两个阶段，即充电阶段和放电阶段。

脉冲倍增级联单元在充电阶段时，N个耦合磁开关处于非饱和状态，第一级脉冲倍增单元的两个电容被输入脉冲并联充电，二极管过正向电流，第一级脉冲倍增单元的耦合磁开关两端的充电电压感应到其后级联的N-1级的耦合磁开关两端，同时向后面N-1级模块中的所有电容充电，所有电容电压被同时充到峰值U；

所有电容电压充到峰值U后进入放电阶段，耦合磁开关所在的磁芯饱和，相间的电容和与其并联的耦合磁开关振荡放电，在半个周期内放电的电容电压从U变为-U，在此阶段，由于二极管的反向电压隔离，剩余的一半电容电压维持不变，从N个串联的二极管两端输出了电压，其幅值是2N个电容电压的叠加为2NU。其上升时间是磁开关和电容振荡周期的一般，远小于电容的充电时间。因此，CMSFB也具有脉冲上升时间压缩的效果。

具体的，重复频率的脉冲倍压发生装置在充电时，脉冲源S通过电感L₃向电容C₅充电，C₅两端电压达到峰值时，磁开关MS₂饱和导通，电容C₅通过MS₂的饱和电感开始向电容C₆谐振充电。电容C₆充电至峰值时，磁开关MS₃饱和导通，电容C₆通过磁开关MS₃的饱和电感与脉冲变压器PT₂向后级的4级CMSFB充电。

电容C₆通过MS₃和PT₂向CMSFB充电。此过程中，CMFB等效为C₇-C₁₀的并联。在C₇充电至峰值前，耦合磁开关MS₄与MS₅并未导通，可视之为变比为1:1的脉冲变压器，其初级充电电压耦合到次级，对C₉与C₁₀完成同步充电。二极管D₁与D₂在充电阶段流过正向电流，相当于短路。

C₇-C₁₀充电至峰值U时MS₄与MS₅饱和，等效为一个电感值极小的线性电感。随后，C₇和C₉分别与MS₄与MS₅谐振放电。在半个振荡周期内，C₇和C₉两端电压从U₀翻转至-U₀，C₈和C₁₀两端电压由于二极管D₁与D₂的隔离保持峰值。此时输出脉冲(D₂的阳极对D₁的阴极)的电压幅值为-4U₀，实现了电压倍增和脉冲上升沿压缩的作用。

C₇-C₁₀电容值相同，以保证放电阶段同步工作。MS₄与MS₅应缠绕于同一个磁芯并具有相同匝数，以保证两个模块充电电压相同，相应电容同时翻转到-U₀，从而输出电压上升时间最短。

图3-1～图3-3示出CMSFB各级电容及输出电压波形图。图3-1与图3-2分别为电容C₇,C₈,C₉,C₁₀的充电与放电波形，C₇-C₁₀在8.5μs内同步充电至8.5kV.随后MS₄与MS₅饱和，C₇与C₉两端电压在1.58μs内分别翻转至-13kV与-11.6kV，在此过程中C₈和C₁₀两端电压仅下降到4.5kV，因此从D₂的阳极和D₁的阴极产生的输出电压达到了约4倍充电电压，如图3-3所示。输出电压倍增至33.6kV，上升沿压缩至1.6μs，电压倍增效率η为99%，脉冲压缩比为5.3。

为了体现CMSFB的模块式设计，进一步提出了6级CMSFB的电路结构拓扑，如图4所示。6级CMSFB与前述4级CMSFB的区别在于前者增加了一个级联模块，即图4中的C₁₇,C₁₈,D₅,MS₁₀.级联方法是D₅的阴极和D₄的阳极相连，MS₁₀和MS₈及MS₉耦合在一个磁芯上。根据前述分析，6级CMSFB的输出电压幅值为输入脉冲电压幅值的6倍。

Claims

1.一种重复频率的脉冲倍压发生装置，其特征在于，包括脉冲源、磁压缩电路、脉冲变压器和脉冲倍增级联单元；脉冲源通过电感给磁压缩电路充电，输入脉冲经过磁压缩电路前沿压缩后送入脉冲变压器进行初级倍压，然后再送入脉冲倍增级联单元进行二次倍压及前沿压缩；

磁压缩电路通过脉冲变压器与脉冲倍增级联单元相连接；

2.如权利要求1所述的重复频率的脉冲倍压发生装置，其特征在于，所述的脉冲倍增单元中第一电容与与耦合磁开关并联，第二电容的一个引脚与第一电容的一个引脚相连，另一个引脚连接二极管的阳极，二极管的阴极连接至第一电容的另一个引脚。

3.如权利要求1或2所述的重复频率的脉冲倍压发生装置，其特征在于，所述的脉冲倍增级联单元为N个级联的脉冲倍增单元，前级二极管的阳极连接后级二极管的阴极。

4.如权利要求3所述的重复频率的脉冲倍压发生装置，其特征在于，所述的脉冲倍增级联单元的输入端为第一级脉冲倍增单元的第一电容的两端，输出端为第N级脉冲倍增单元的二极管的阳极对第一电容的二极管阴极。

5.如权利要求3所述的重复频率的脉冲倍压发生装置，其特征在于，所述的为N个级联的脉冲倍增单元中的2N个电容具有相同的参数，N个磁开关耦合至同一磁芯且具有相同参数，其同名端排列均为同一方向。

6.如权利要求3所述的重复频率的脉冲倍压发生装置，其特征在于，所述的脉冲倍增级联单元在充电阶段时，N个耦合磁开关处于非饱和状态，第一级脉冲倍增单元的两个电容被输入脉冲并联充电，二极管过正向电流，第一级脉冲倍增单元的耦合磁开关两端的充电电压感应到其后级联的N-1级的耦合磁开关两端，同时向后面N-1级模块中的所有电容充电，所有电容电压被同时充到峰值U；

7.如权利要求1所述的重复频率的脉冲倍压发生装置，其特征在于，脉冲源通过电感向磁压缩电路充电后，首先对首个磁压缩单元的电容C₅充电，其两端电压达到峰值时，首个磁压缩单元的磁开关MS₂饱和导通，电容C₅通过MS₂的饱和电感开始向下级磁压缩单元的电容C₆谐振充电，C₆充电至峰值时，下级磁压缩单元的磁开关MS₃饱和导通，电容C₆通过磁开关MS₃的饱和电感与脉冲变压器向脉冲倍增级联单元充电。

8.如权利要求7所述的重复频率的脉冲倍压发生装置，其特征在于，向脉冲倍增级联单元充电时，在脉冲倍增级联单元的电容充电至峰值前，耦合磁开关未导通，脉冲倍增级联单元等效为所有电容的并联，对所有电容完成同步充电，二极管在充电阶段流过正向电流；

9.一种基于耦合磁开关和Fitch电路的重复频率紧凑脉冲倍增器，其特征在于，包括多个级联的脉冲倍增单元，每个脉冲倍增单元包括第一电容和第二电容，耦合磁开关并联在第一电容的两端，第一电容和第二电容之间设有二极管，二极管的阴极连接第一电容一端，阳极连接第二电容一端，第一电容的另一端和第二电容的另一端相连；

脉冲倍增单元的电压输入端为第一电容的两端，输出端为二极管的阳极对二极管的阴极，相邻脉冲倍增单元的级联方式为前级的二极管阳极连接后级的二极管阴极，耦合磁开关耦合于同一磁芯上；

当N个级联的脉冲倍增单元级联时，其输入端为第一级脉冲倍增单元的第一电容的两端，输出端为第N级脉冲倍增单元的二极管的阳极对第一电容的二极管阴极；输出端与输入端相比其电压倍增到2N倍。

10.如权利要求9所述的基于耦合磁开关和Fitch电路的重复频率紧凑脉冲倍增器，其特征在于，输出端与输入端相比，输出电压上升时间小于输出电压上升时间。