多匝LTD脉冲发生器的制作方法

本发明涉及脉冲发生领域，具体是多匝ltd脉冲发生器。

背景技术：

脉冲功率技术在众多领域有着广泛的应用，如肿瘤治疗、食品处理、水处理、等离子体发生、国防军工等等。大部分应用都需要快前沿、短脉宽、高功率、高重频、且参数灵活可调的要求。为了满足这些需求，脉冲功率产生时的开关需要能够稳定且可重复工作在较高的频率下，且开关可被信号控制。

传统的脉冲功率发生技术主要有磁开关、空气开关等作为放电开关，电路拓扑结构包括了单电容放电、marx、ltd或传输线等，但是由于磁开关和空气开关存在导通关断时间不能灵活可控、重复性差等缺点，很难满足高重频脉冲功率技术的应用需求，且随着脉冲功率输出参数范围的不断扩展，脉冲功率技术的电路方法和器件选择也趋于多样性和全控性。

采用半导体开关的全固态脉冲发生器越来越多的被人研究，并极大的扩展了脉冲功率技术的电路结构，使得脉冲发生器可以更加紧凑，模块化且可重复，寿命长，也使得多样化的电路拓扑结构也被提出来，其中最典型脉冲形成电路全固态模块化的marx和ltd，其各个模块可叠加，大大提高了脉冲发生器的可靠性和灵活性。

但是marx和ltd各有其特长和缺陷。比如，marx电路产生的脉冲宽度并不受电路结构限制，但是其工作状态下，各个开关分别工作在不同的电位，需要对开关的控制信号进行隔离，因此开关的驱动电路需要高耐压的隔离供电。ltd模块基本结构为初级和次级均为1匝的变压器，其控制电路均处于地电位，但是由于磁芯饱和效应的存在，限制了脉冲的宽度，目前全固态的ltd的脉冲宽度小于200ns，若产生更大脉宽的脉冲，则需要增加磁芯尺寸，导致脉冲源笨重。因此marx适合长脉冲高阻抗负载，而ltd可适合短脉冲和大电流输出。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，三级多匝ltd脉冲发生器，主要包括电阻rl、二极管di、二极管dii、二极管diii、开关管qi、开关管qii、开关管qiii、i级ltd模块、ii级ltd模块和iii级ltd模块。

电路结构如下所示：

记电阻rl的接地端为a，另一端为b。电阻rl的a端接地，b端串联二极管diii的阳极。电阻rl的b端接入iii级ltd模块的fiii端。

二极管diii的阴极串联二极管dii的阳极。二极管diii的阴极接入iii级ltd模块的ei端。二极管diii的阴极接入ii级ltd模块的fii端。iii级ltd模块的ei端和ii级ltd模块的fii端相连接。

二极管dii的阴极串联二极管di的阳极。二极管dii的阴极接入ii级ltd模块的eii端。二极管dii的阴极接入i级ltd模块的fi端。ii级ltd模块的eii端和i级ltd模块的fi端相连接。

二极管di的阴极接入电阻rl的a端。二极管di的阴极串联i级ltd模块的ei端。

i级ltd模块包括电容ci、开关管qi、磁芯i和绕在磁芯i上的n匝线圈。

i级ltd模块的电路结构如下所示：

记绕在磁芯i上的n匝线圈的始端为ei，末端为fi。

电容ci的一端接入fi端，另一端串联开关管qi的漏极。开关管qi的栅极悬空。开关管qi的源极接入ei端。

ii级ltd模块包括电容cii、开关管qii、磁芯ii和绕在磁芯ii上的n匝线圈。

ii级ltd模块的电路结构如下所示：

记绕在磁芯ii上的n匝线圈的始端为eii，末端为fii。

电容cii的一端接入fii端，另一端串联开关管qii的漏极。开关管qii的栅极悬空。开关管qii的源极接入eii端。

iii级ltd模块包括电容ciii、开关管qiii、磁芯iii和绕在磁芯iii上的n匝线圈。

iii级ltd模块的电路结构如下所示：

记绕在磁芯iii上的n匝线圈的始端为eiii，末端为fiii。

电容ciii的一端接入fiii端，另一端串联开关管qiii的漏极。开关管qiii的栅极悬空。开关管qiii的源极接入eiii端。

进一步，任一级ltd模块的磁芯、脉冲电压和脉宽满足下式：

n(δb)sα＝∫u(t)dt。(1)

式中，n为磁芯绕组匝数。s是为磁芯横截面积。α为磁芯填充系数。u为任一级ltd模块输出的脉冲电压幅值。t为时间。

磁通密度变化值δb如下所示：

δb＝bs-br。(2)

式中，bs和br分别为饱和磁通密度和剩余磁通密度。

若ltd模块发送方波脉冲，则任一级ltd模块输出的脉冲电压幅值u满足下式：

∫u(t)dt＝uτ。(3)

其中，τ为最大脉冲宽度。

最大脉冲宽度τ如下所示：

τ＝n(δb)sα/u。(4)

第i级ltd模块的参考电位为gnd，第ii级ltd模块的参考电位为-u。第iii级ltd模块的参考电位为-2u。

多匝ltd脉冲发生器充电时，为电容ci充电的hv导线、为开关管qi充电的导线和i级ltd模块的绕组线圈同向绕制在磁芯i上。为电容cii充电的hv导线、为开关管qii充电的导线和ii级ltd模块的绕组线圈同向绕制在磁芯ii上。为电容ciii电的hv导线、为开关管qiii充电的导线和iii级ltd模块的绕组线圈同向绕制在磁芯iii上。

m级多匝ltd脉冲发生器，主要包括电阻rl、m个二极管di、m个开关管qi和m个ltd模块。i＝1,2,3…，m。

电路结构如下所示：

记电阻rl的接地端为g，另一端为h。电阻rl的g端接地，h端串联二极管d1的阳极。电阻rl的h端接入m级ltd模块的y1端。电阻rl的g端接入二极管d1的负极。电阻rl的g端接入1级ltd模块的x1端

二极管di+1的阴极串联二极管di的阳极。二极管di+1的阴极接入i+1级ltd模块的xi+1端。二极管di+1的阴极接入i级ltd模块的yi端。i+1级ltd模块的xi+1端和i级ltd模块的yi端相连接。

i级ltd模块的电路结构如下所示：

记绕在磁芯i上的n匝线圈的始端为xi，末端为yi。

电容ci的一端接入yi端，另一端串联开关管qi的漏极。开关管qi的栅极悬空。开关管qi的源极接入xi端。

任一级ltd模块的磁芯、脉冲电压和脉宽满足下式：

n(δb)sα＝∫u(t)dt。(5)

式中，n为磁芯绕组匝数。s是为磁芯横截面积。α为磁芯填充系数。u为任一级ltd模块输出的脉冲电压幅值。

磁通密度变化值δb如下所示：

δb＝bs-br。(6)

式中，bs和br分别为饱和磁通密度和剩余磁通密度。

若ltd模块发送方波脉冲，则任一级ltd模块输出的脉冲电压幅值u满足下式：

∫u(t)dt＝uτ。(7)

其中，τ为最大脉冲宽度。

最大脉冲宽度τ如下所示：

τ＝n(δb)sα/u。(8)

第1级ltd模块的参考电位为gnd，第k级ltd模块的参考电位为-(k-1)u。k＝2,3,4,…m。

多匝ltd脉冲发生器充电时，为电容ci充电的hv导线、为开关管qi充电的导线和i级ltd模块的绕组线圈同向绕制在磁芯i上。

值得说明的是，全固态多匝ltd脉冲发生器原理为磁感应叠加，其包括多级ltd模块，每个模块包括了多个电容及开关放电电路，从而产生大电流的低电压脉冲输出。多级ltd模块作为初级，而ltd的次级采用串联的方式，从而可以是电压在次级实现叠加，最终输出高电压大电流的脉冲。ltd的匝数增多，则在相同脉冲工作电压和饱和磁芯饱和磁感应强度(饱和磁通密度)下，其脉冲宽度可成比例增加，从而可以输出脉宽大的高压脉冲。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明的ltd脉冲发生器的脉冲宽度可调范围大，可以输出电流大的高重频高压脉冲。本发明可输出长脉宽、大电流的脉冲，且本发明各级半导体开关的驱动供电采用了磁芯共模绕法，从而使各级电容和开关不需要隔离二极管或隔离电源模块。本发明提供了一种体积小、全固态、高重频、脉冲的上升时间与下降时间、脉冲宽度及脉冲幅值可以进行灵活调节的高压脉冲发生器。

附图说明

图1为三级全固态多匝ltd脉冲发生器电路拓扑；

图2为三级全固态多匝ltd脉冲发生器等效电路；

图3为m级全固态多匝ltd脉冲发生器电路拓扑；

图4为单级ltd模块电路图；

图5为m级全固态多匝ltd脉冲源输出脉冲时电路原理图；

图6为供电及充电同向绕制隔离方案示意图；

图7为三级全固态多匝ltd脉冲发生器典型的输出电压和电流波形图；

图8为三级全固态多匝ltd脉冲源输出不同幅值的电压波形示意图；

图9为三级全固态多匝ltd脉冲发生器不同脉宽的输出电压波形示意图；

图10为三级全固态多匝ltd脉冲发生器负极性脉冲上升沿局部放大图；

图11为三级全固态多匝ltd脉冲发生器负极性脉冲下降沿局部放大图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，三级全固态多匝ltd脉冲发生器，主要包括电阻rl、二极管di、二极管dii、二极管diii、开关管qi、开关管qii、开关管qiii、i级ltd模块、ii级ltd模块和iii级ltd模块。

优选的，三级全固态多匝ltd脉冲发生器可以包括电阻rl、二极管di、二极管dii、二极管diii、开关管qi、开关管qii、开关管qiii、若干并联i级ltd模块、若干并联ii级ltd模块、若干并联iii级ltd模块。

三级全固态多匝ltd脉冲发生器的等效电路图如图2所示。二极管di、二极管dii、二极管diii为放电时的续流器件。所述开关管可以为igbt、晶闸管和gto等。

电路结构如下所示：

记电阻rl的接地端为a，另一端为b。电阻rl的a端接地，b端串联二极管diii的阳极。电阻rl的b端接入iii级ltd模块的fiii端。

二极管diii的阴极串联二极管dii的阳极。二极管diii的阴极接入iii级ltd模块的eiii端。二极管diii的阴极接入ii级ltd模块的fii端。iii级ltd模块的eiii端和ii级ltd模块的fii端相连接。

二极管dii的阴极串联二极管di的阳极。二极管dii的阴极接入ii级ltd模块的eii端。二极管dii的阴极接入i级ltd模块的fi端。ii级ltd模块的eii端和i级ltd模块的fi端相连接。

二极管di的阴极接入电阻rl的a端。二极管di的阴极串联i级ltd模块的ei端。

i级ltd模块包括电容ci、开关管qi、磁芯i和绕在磁芯i上的n匝线圈。

i级ltd模块的电路结构如下所示：

记绕在磁芯i上的n匝线圈的始端为ei，末端为fi。

电容ci的一端接入fi端，另一端串联开关管qi的漏极。开关管qi的栅极悬空。开关管qi的源极接入ei端。

ii级ltd模块包括电容cii、开关管qii、磁芯ii和绕在磁芯ii上的n匝线圈。

ii级ltd模块的电路结构如下所示：

记绕在磁芯ii上的n匝线圈的始端为eii，末端为fii。

电容cii的一端接入fii端，另一端串联开关管qii的漏极。开关管qii的栅极悬空。开关管qii的源极接入eii端。

iii级ltd模块包括电容ciii、开关管qiii、磁芯iii和绕在磁芯iii上的n匝线圈。

iii级ltd模块的电路结构如下所示：

记绕在磁芯iii上的n匝线圈的始端为eiii，末端为fiii。

电容ciii的一端接入fiii端，另一端串联开关管qiii的漏极。开关管qiii的栅极悬空。开关管qiii的源极接入eiii端。

进一步，任一级ltd模块的磁芯、脉冲电压和脉宽满足下式：

n(δb)sα＝∫u(t)dt。(1)

式中，n为磁芯绕组匝数。s是为磁芯横截面积。α为磁芯填充系数。u为任一级ltd模块输出的脉冲电压幅值。t为时间。

磁通密度变化值δb如下所示：

δb＝bs-br。(2)

式中，bs和br分别为饱和磁通密度和剩余磁通密度。

若ltd模块发送方波脉冲，则任一级ltd模块输出的脉冲电压幅值u满足下式：

∫u(t)dt＝uτ。(3)

其中，τ为最大脉冲宽度。

最大脉冲宽度τ如下所示：

τ＝n(δb)sα/u。(4)

第i级ltd模块的参考电位为gnd，第ii级ltd模块的参考电位为-u。第iii级ltd模块的参考电位为-2u。

参见图6，全固态多匝ltd脉冲发生器充电时，为电容ci充电的hv导线、为开关管qi充电的15v导线和i级ltd模块的绕组线圈同向绕制在磁芯i上。为电容cii充电的hv导线、为开关管qii充电的15v导线和ii级ltd模块的绕组线圈同向绕制在磁芯ii上。为电容ciii电的hv导线、为开关管qiii充电的15v导线和iii级ltd模块的绕组线圈同向绕制在磁芯iii上。

当ltd模块工作时，gnd导线上端的电位为变为-u，由于方向相同且匝数一样，则hv导线上端电位也会变为-u+hv，15v导线上端电位变为-u+15v。而三根导线之间的电位差不变，hv导线与gnd导线之间电位差为-u+hv-(-u)＝hv，15v导线相对gnd导线电位差-u+15v-(-u)＝15v。因此在第二级ltd中，各导线电位差仍保持原有的值。由此ltd级数可以继续叠加，从而产生更高等级的脉冲幅值，且各级绕组承受的电压仅为u，与级数无关。

采用多匝的ltd，其n>1，在相同磁芯型号和尺寸的情况下，其脉冲宽度与匝数成正比，因此可通过增加匝数，使脉冲宽度增加，且由于ltd绕组中流通的电流几乎为0，因此绕组的导线可以较细，不需要考虑较大的通流能力。

实施例2：

参见图3和图5，m级全固态多匝ltd脉冲发生器，主要包括电阻rl、m个二极管di、m个开关管qi和m个ltd模块。i＝1,2,3…，m。

电路结构如下所示：

记电阻rl的接地端为g，另一端为h。电阻rl的g端接地，h端串联二极管dm的阳极。电阻rl的h端接入m级ltd模块的ym端。电阻rl的g端接入二极管d1的负极。电阻rl的g端接入1级ltd模块的x1端

二极管di+1的阴极串联二极管di的阳极。二极管di+1的阴极接入i+1级ltd模块的xi+1端。二极管di+1的阴极接入i级ltd模块的yi端。i+1级ltd模块的xi+1端和i级ltd模块的yi端相连接。

i级ltd模块的电路结构如下所示：

记绕在磁芯i上的n匝线圈的始端为xi，末端为yi。

电容ci的一端接入yi端，另一端串联开关管qi的漏极。开关管qi的栅极悬空。开关管qi的源极接入xi端。

任一级ltd模块的磁芯、脉冲电压和脉宽满足下式：

n(δb)sα＝∫u(t)dt。(1)

式中，n为磁芯绕组匝数。s是为磁芯横截面积。α为磁芯填充系数。u为任一级ltd模块输出的脉冲电压幅值。

磁通密度变化值δb如下所示：

δb＝bs-br。(2)

式中，bs和br分别为饱和磁通密度和剩余磁通密度。

若ltd模块发送方波脉冲，则任一级ltd模块输出的脉冲电压幅值u满足下式：

∫u(t)dt＝uτ。(3)

其中，τ为最大脉冲宽度。

最大脉冲宽度τ如下所示：

τ＝n(δb)sα/u。(4)

第1级ltd模块的参考电位为gnd，第k级ltd模块的参考电位为-(k-1)u。k＝2,3,4,…m。

全固态多匝ltd脉冲发生器充电时，为电容ci充电的hv导线、为开关管qi充电的导线和i级ltd模块的绕组线圈同向绕制在磁芯i上。

实施例3

三级全固态多匝ltd脉冲发生器中，i级ltd模块的电路结构参见图4，即：

记绕在磁芯i上的n匝线圈的始端为xi，末端为yi。

电容ci的一端接入yi端，另一端串联开关管qi的漏极。开关管qi的栅极悬空。开关管qi的源极接入xi端。

当开关管qi导通时，电容ci放电。电流依次流过开关管qi、磁芯i、电容ci，构成回路l1，电流依次流过电阻rl、i级ltd模块再流回电阻rl，构成回路l2。图4中回路l1视为ltd的初级回路，回路l2视为ltd的次级回路，可以看出ltd放电的初级回路完全包含于次级回路中，因此初级回路产生的磁通也完全通过次级回路。

在初级回路中，磁芯的励磁电流i1与磁场强度满足安培环路定律：

表示线元矢量。表示磁场强度。

磁芯内磁感应强度b在变化，在初级回路中产生感应电场e，该过程满足法拉第电磁感应定路：

为磁感应强度；为感应电场；表示散度。

初级回路内有：

因此说明初级回路中感应电压和电容电压相互抵消，即感应隔离。

次级回路内有：

因此

u＝i2r；(5)

此外，初级回路的电流为i1，经过磁芯后会在次级回路感应出相反的电流i2，且由于变压器匝数相同，i1＝﹣i2，方向相反，因此在ltd绕组中的电流为0。r为电阻值。

当脉冲源串联叠加时，全固态多匝ltd脉冲发生器的输出电压uout如下：

uout＝3u＝i2r(6)

因此可将初级电压进行感应叠加，输出高压脉冲。

实施例4：

m级全固态多匝ltd脉冲发生器的输出电压uout＝mu，最大可以输出的电流为iout＝ni1，实现电压和电流的叠加，从而输出高压大电流的脉冲。

实施例5：

验证三级全固态多匝ltd脉冲发生器的实验，主要步骤如下：

1)设计三级全固态多匝ltd脉冲发生器，该脉冲发生器采用同轴形放电回路设计，电路板中间为高压输出，四周均为相对地电位，降低电磁干扰的辐射。各级之间采用6个铜柱相连，可起到支撑电路板的作用，负载电阻采用铜箔连接固定，使得整个放电回路可流通大电流，减少脉冲趋肤效应的影响，从而减少放电回路的杂散电感和损耗，提高能源的利用效率，降低波形震荡优化脉冲波形。

2)在脉冲源性能测试中，采用具有500mhz带宽和10gs/s采样率的力科示波器hdo6054、力科高压探头ppe6kv和皮尔森电流传感器6600进行测量。负载电阻10ω，由5个50ω的无感电阻并联组成。

3)多匝ltd脉冲源典型的输出波形如图7所示，最大输出电压5000v，脉冲电流幅值约500a。此外对不同的输出脉冲幅值进行测试，如图8所示，充电电压分别为200，300，400，500v时，多匝ltd脉冲源可分别输出2000v，3000v，4000v和5000v的方波脉冲，其输出电压和电流波形无明显震荡，充分验证了该脉冲源输出波形的稳定性。

多匝ltd脉冲源输出不同脉冲宽度范围最高可达5μs，如图9所示，脉冲宽度范围从200ns-5μs的波形，在脉冲参数下，波形均为很好的方波脉冲。

此外，多匝ltd脉冲源输出脉冲具有很快上升沿和下降沿，图10为输出负极性脉冲的上升沿，其上升时间(10％-90％)约为30ns，11图为输出负极性脉冲的下降时间，其下降时间(10％-90％)仅为16ns。