超高压Marx发生器复合馈电电路的制作方法

超高压marx发生器复合馈电电路
技术领域
1.本发明涉及高压脉冲技术领域，尤其涉及到一种超高压marx发生器复合馈电电路。


背景技术：

2.超高压marx发生器是一种高压脉冲产生装置，可以产生幅度几百千伏甚至上兆伏，脉宽几百纳秒的高压脉冲，可以驱动粒子加速器产生高能粒子束用于核物理科学实验；或者驱动磁控管、反波振荡器等高功率微波源装置，产生gw量级的微波信号，能对现有电子设备中的敏感元器件产生扰乱、毁伤的效果。
3.超高压marx发生器通常采用高压高频电容作为储能元件，电容的电介质可以是高介电常数陶瓷或者高分子薄膜材料，额定工作电压可到100kv左右，导通开关一般为气体火花电极开关。这类电路目前主要有采用电阻隔离的rc馈电和采用电感隔离的lc馈电两种方式，在实际应用时各有各的优缺点。
4.(1)rc馈电方式：
5.电路如图1所示，储能电容c0～c12，气体火花开关s1～s13，充电/隔离电阻r0～r24，二极管d1、d2，负载rl，馈电电源
±
vcc为恒压电源。充电过程中，电源通过r0～r2n向储能电容c0～cn充电，根据rc电路原理，电容两端电压：
6.u＝u(1-e-t/rc
)
7.充电电流：
8.i＝ue-t/rc
/r
9.充电效率：
10.η＝∫
0t
i2rdt/∫
0t
uidt＝50％
11.经过时间t(t》5rc)时充电完成，理论充电效率仅为50％。重频工作时充电电阻的功耗很大，容易因过热损坏。
12.当电容电压达到额定工作电压u时，火花开关s1～s13依次过压击穿导通，c0～c12串联向负载rl放电，在rl上获得n倍vcc的输出脉冲电压vout。在放电过程中，电阻r0～r2n起到级与级之间的隔离作用，也避免输出电压反窜损坏电源，电阻值不能太小，通常需要10kω～1mω量级。每级电阻需要承受高达2倍vcc的脉冲电压，电阻容易被高压击穿损坏。
13.(2)lc馈电方式：
14.电路如图2所示，工作原理与rc馈电方式类似，只是将图1中的充电/隔离电阻r0～r24替换成充电/隔离电感l0～l24，馈电电源is为恒流电源，由于充电电感的直流阻抗较低，产生的热耗也较低，充电效率较高。放电过程电感的感抗起到隔离作用，为了保证良好的高频隔离特性，通常采用空心电感，电感量在10～100uh量级，电感的绕线必须采用带绝缘层的高电压导线，避免匝间击穿。注意在图2的电路中存在若干个寄生谐振回路，如图虚线框中的c2-s2-l3和c3-s2-l4。由于气体火花开关的导通存在一定的随机性，当marx电路建立不佳，例如开关s1和s2导通，但s3～s13未导通时；或者负载微波管的阴极没有正常发
射，即s1～s13导通了，但rl断开时，上述的寄生回路就会形成lc振荡，由于充电/隔离电感缺少阻尼，能量会在电容器和电感之间交换，使电容器上出现反峰电压和反峰电流。有研究表明随着电容电压反峰系数的增加，电容器寿命成指数下降。所以lc馈电方式的储能电容器容易提前损坏。
15.因此，如何提供一种保证馈电电路的耐电压、隔离度和充电效率的同时，能够有效降低储能电容的电压反峰系数的馈电电路，是一个亟需解决的技术问题。
16.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

17.本发明的主要目的在于提供一种超高压marx发生器复合馈电电路，旨在解决目前超高压marx发生器中rc馈电电路耐电压、隔离度和充电效率等指标不理想，以及lc馈电电路反峰系数增加导致的寿命下降的技术问题。
18.为实现上述目的，本发明提供一种超高压marx发生器复合馈电电路，所述电路包括储能电容组、气体火花开关组、充电/隔离组件和馈电电源，所述馈电电源为恒流电源，所述充电/隔离组件包括若干个电阻电感串联构成的充电/隔离单元；其中：
19.所述恒流电源的第一端连接第一充电/隔离支路，所述恒流电源的第二端连接第二充电/隔离支路，所述第一充电/隔离支路和第二充电/隔离支路分别包括若干个串联的充电/隔离单元；
20.所述储能电容组包括一个第一储能电容和并联设置于第一充电/隔离支路和第二充电隔离支路之间的若干个第二储能电容，所述第一储能电容的第一端接地，第二端连接第二充电隔离支路首端的两个充电/隔离单元之间，所述第二储能电容的两端交错式连接于第一充电/隔离支路和第二充电隔离支路上相邻两个充电/隔离单元之间；
21.所述气体火花开关组包括一个第一气体火花开关和并联设置于第一充电/隔离支路和第二充电隔离支路之间的若干个第二气体火花开关，所述第一气体火花开关的第一端接电压输出端，第二端连接第二充电隔离支路末端，所述第二气体火花开关的两端对应式连接于第一充电/隔离支路和第二充电隔离支路上相邻两个充电/隔离单元之间。
22.可选的，所述交错式连接，具体为：
23.若干个第二储能电容的第一端分别设置于第一充电/隔离支路上第n个充电/隔离单元与第n+1个充电/隔离单元之间；
24.若干个第二储能电容的第二端分别设置于第二充电/隔离支路上第n+1个充电/隔离单元与第n+2个充电/隔离单元之间。
25.可选的，所述对应式连接，具体为：
26.若干个第二气体火花开关的第一端分别设置于第一充电/隔离支路上第n个充电/隔离单元与第n+1个充电/隔离单元之间；
27.若干个第二气体火花开关的第二端分别设置于第二充电/隔离支路上第n个充电/隔离单元与第n+1个充电/隔离单元之间。
28.可选的，所述充电/隔离单元采用阻尼电感。
29.可选的，所述阻尼电感包括骨架、上端盖、下端盖和螺旋电阻线；其中，所述螺旋电
阻线单层密绕在骨架上，形成具有阻尼特性的空心电感，所述螺旋电阻线分别与上端盖和下端盖焊接相连。
30.可选的，所述螺旋电阻线包括康铜/镍铬电阻丝、玻璃纤维丝和硅胶绝缘层；其中，所述康铜/镍铬电阻丝呈螺旋状缠绕在多股玻璃纤维丝上，所述康铜/镍铬电阻丝外覆盖所述硅胶绝缘层。
31.可选的，所述骨架与上端盖和下端盖采用螺纹连接。
32.本发明提出了一种超高压marx发生器复合馈电电路，该电路包括储能电容组、气体火花开关组、充电/隔离组件和馈电电源，馈电电源为恒流电源，充电/隔离组件包括若干个电阻电感串联构成的充电/隔离单元，恒流电源的第一端连接第一充电/隔离支路，恒流电源的第二端连接第二充电/隔离支路，第一充电/隔离支路和第二充电/隔离支路分别包括若干个串联的充电/隔离单元；储能电容组、气体火花开关组分别连接于第一充电/隔离支路和第二充电/隔离支路之间。本发明通过采用lrc复合馈电方式替代超高压marx发生器中的rc或者lc馈电方式，大大减小放电过程中寄生回路lc谐振的幅度，降低储能电容c上的反峰电压和反峰电流，电阻值远小于rc馈电方式的充电电阻，充电效率较高。本发明提出的超高压marx发生器复合馈电电路，基于阻尼电感的lrc复合馈电方法，相比rc馈电的充电效率大大提高，而相比lc馈电的寄生回路振荡反峰电压大大降低。
附图说明
33.图1为rc馈电的超高压marx发生器电路的示意图；
34.图2为lc馈电的超高压marx发生器电路的示意图；
35.图3为本发明实施例中lrc复合馈电的超高压marx发生器电路的示意图；
36.图4为本发明实施例中阻尼电感的示意图；
37.图5为本发明实施例中阻尼电感的分解示意图；
38.图6为lc馈电方式寄生回路谐振电压仿真示意图；
39.图7为lrc馈电方式寄生回路谐振电压仿真示意图。
40.附图标号说明：
41.标号名称标号名称1骨架5康铜/镍铬电阻丝2螺旋电阻线6玻璃纤维丝3上端盖7硅胶绝缘层4下端盖
ꢀꢀ
42.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
43.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。
44.下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
45.需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
46.另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。
47.超高压marx发生器是一种高压脉冲产生装置，可以产生幅度几百千伏甚至上兆伏，脉宽几百纳秒的高压脉冲，可以驱动粒子加速器产生高能粒子束用于核物理科学实验；或者驱动磁控管、反波振荡器等高功率微波源装置，产生gw量级的微波信号，能对现有电子设备中的敏感元器件产生扰乱、毁伤的效果。
48.超高压marx发生器通常采用高压高频电容作为储能元件，电容的电介质可以是高介电常数陶瓷或者高分子薄膜材料，额定工作电压可到100kv左右，导通开关一般为气体火花电极开关。这类电路目前主要有采用电阻隔离的rc馈电和采用电感隔离的lc馈电两种方式，在实际应用时各有各的优缺点。
49.(1)rc馈电方式：
50.电路如图1所示，储能电容c0～c12，气体火花开关s1～s13，充电/隔离电阻r0～r24，二极管d1、d2，负载rl，馈电电源
±
vcc为恒压电源。充电过程中，电源通过r0～r2n向储能电容c0～cn充电，根据rc电路原理，电容两端电压：
51.u＝u(1-e-t/rc
)
52.充电电流：
53.i＝ue-t/rc
/r
54.充电效率：
55.η＝∫
0t
i2rdt/∫
0t
uidt＝50％
56.经过时间t(t》5rc)时充电完成，理论充电效率仅为50％。重频工作时充电电阻的功耗很大，容易因过热损坏。
57.当电容电压达到额定工作电压u时，火花开关s1～s13依次过压击穿导通，c0～c12串联向负载rl放电，在rl上获得n倍vcc的输出脉冲电压vout。在放电过程中，电阻r0～r2n起到级与级之间的隔离作用，也避免输出电压反窜损坏电源，电阻值不能太小，通常需要10kω～1mω量级。每级电阻需要承受高达2倍vcc的脉冲电压，电阻容易被高压击穿损坏。
58.(2)lc馈电方式：
59.电路如图2所示，工作原理与rc馈电方式类似，只是将图1中的充电/隔离电阻r0～r24替换成充电/隔离电感l0～l24，馈电电源is为恒流电源，由于充电电感的直流阻抗较低，产生的热耗也较低，充电效率较高。放电过程电感的感抗起到隔离作用，为了保证良好的高频隔离特性，通常采用空心电感，电感量在10～100uh量级，电感的绕线必须采用带绝缘层的高电压导线，避免匝间击穿。注意在图2的电路中存在若干个寄生谐振回路，如图虚线框中的c2-s2-l3和c3-s2-l4。由于气体火花开关的导通存在一定的随机性，当marx电路建立不佳，例如开关s1和s2导通，但s3～s13未导通时；或者负载微波管的阴极没有正常发射，即s1～s13导通了，但rl断开时，上述的寄生回路就会形成lc振荡，由于充电/隔离电感缺少阻尼，能量会在电容器和电感之间交换，使电容器上出现反峰电压和反峰电流。有研究
表明随着电容电压反峰系数的增加，电容器寿命成指数下降。所以lc馈电方式的储能电容器容易提前损坏。
60.因此，如何提供一种保证馈电电路的耐电压、隔离度和充电效率的同时，能够有效降低储能电容的电压反峰系数的馈电电路，是一个亟需解决的技术问题。
61.为了解决这一问题，提出本发明的超高压marx发生器复合馈电电路的各个实施例。本发明提供的超高压marx发生器复合馈电电路，通过采用lrc复合馈电方式替代超高压marx发生器中的rc或者lc馈电方式，大大减小放电过程中寄生回路lc谐振的幅度，降低储能电容c上的反峰电压和反峰电流，电阻值远小于rc馈电方式的充电电阻，充电效率较高。本发明提出的超高压marx发生器复合馈电电路，基于阻尼电感的lrc复合馈电方法，相比rc馈电的充电效率大大提高，而相比lc馈电的寄生回路振荡反峰电压大大降低。
62.参照图3，图3为本发明实施例方案涉及的超高压marx发生器复合馈电电路的示意图。
63.本实施例提供一种超高压marx发生器复合馈电电路，包括储能电容组、气体火花开关组、充电/隔离组件和馈电电源，所述馈电电源为恒流电源，所述充电/隔离组件包括若干个电阻电感串联构成的充电/隔离单元。
64.具体而言，所述恒流电源的第一端连接第一充电/隔离支路，所述恒流电源的第二端连接第二充电/隔离支路，所述第一充电/隔离支路和第二充电/隔离支路分别包括若干个串联的充电/隔离单元。在本实施例中，恒流电源的第一端为恒流电源正极，恒流电源的第二端为恒流电源负极。
65.需要说明的是，储能电容组包括一个第一储能电容和并联设置于第一充电/隔离支路和第二充电隔离支路之间的若干个第二储能电容，所述第一储能电容的第一端接地，第二端连接第二充电隔离支路首端的两个充电/隔离单元之间，所述第二储能电容的两端交错式连接于第一充电/隔离支路和第二充电隔离支路上相邻两个充电/隔离单元之间。
66.气体火花开关组包括一个第一气体火花开关和并联设置于第一充电/隔离支路和第二充电隔离支路之间的若干个第二气体火花开关，所述第一气体火花开关的第一端接电压输出端，第二端连接第二充电隔离支路末端，所述第二气体火花开关的两端对应式连接于第一充电/隔离支路和第二充电隔离支路上相邻两个充电/隔离单元之间。
67.在实际的应用中，交错式连接，具体可以为：
68.若干个第二储能电容的第一端分别设置于第一充电/隔离支路上第n个充电/隔离单元与第n+1个充电/隔离单元之间；若干个第二储能电容的第二端分别设置于第二充电/隔离支路上第n+1个充电/隔离单元与第n+2个充电/隔离单元之间。
69.对应式连接，具体可以为：
70.若干个第二气体火花开关的第一端分别设置于第一充电/隔离支路上第n个充电/隔离单元与第n+1个充电/隔离单元之间；若干个第二气体火花开关的第二端分别设置于第二充电/隔离支路上第n个充电/隔离单元与第n+1个充电/隔离单元之间。
71.在本实施例中，将充电回路中的电阻或电感器件，替换成电阻电感组合器件，相当于图3中的rn+ln，选择适当的电阻值rn(50ω～100ω)，大大减小放电过程中寄生回路lc谐振的幅度，降低储能电容c上的反峰电压和反峰电流，电阻值rn远小于rc馈电方式的充电电阻，充电效率较高。
72.在另一实施例中，所述充电/隔离单元采用阻尼电感，所述阻尼电感包括骨架1、上端盖3、下端盖4和螺旋电阻线2；其中，所述螺旋电阻线2单层密绕在骨架上1，形成具有阻尼特性的空心电感，所述螺旋电阻线2分别与上端盖3和下端盖4焊接相连。
73.具体而言，可将充电/隔离电阻和电感集成设计成一个器件：阻尼电感，其结构如图4所示，包含骨架1、上端盖3、下端盖4和螺旋电阻线2等几部分。螺旋电阻线2单层密绕在骨架上面，形成具有一定阻尼特性的空心电感，电感量大于10uh，加上螺旋电阻线2的电阻，保证阻尼电感对放电脉冲信号良好的隔离效果。螺旋电阻线2与上端盖3和下端盖4焊接相连。
74.在又一实施例中，所述螺旋电阻线2包括康铜/镍铬电阻丝5、玻璃纤维丝6和硅胶绝缘层7；其中，所述康铜/镍铬电阻丝5呈螺旋状缠绕在多股玻璃纤维丝6上，所述康铜/镍铬电阻丝5外覆盖所述硅胶绝缘层7。
75.具体而言，阻尼电感的分解图及局部放大图如图5所示，螺旋电阻线中，康铜/镍铬电阻丝5呈螺旋状缠绕在多股玻璃纤维丝6上面，螺旋的形状有助于增加阻尼电感的电感量，通过选择不同粗细规格的电阻丝可以调节电阻值rn。玻璃纤维丝6的作用是增加螺旋电阻线的抗拉伸强度，同时有助于在制造过程中维持电阻丝的螺旋形状。电阻丝外覆盖耐高压硅胶绝缘层7，绝缘层具有一定厚度，保证线与线之间承受5～10kv的电压不击穿，阻尼电感在放电过程中完全可以承受上百千伏的脉冲电高压。
76.另外，骨架1与上端盖3和下端盖4采用螺纹连接，上下端盖的接口分别设计成螺钉和螺孔的形状，便于级联，两级阻尼电感之间可以用焊片或者金属带引出并连接到电容。
77.在本实施例中，提出将marx发生器的充电电阻和电感集成一体的设计，形成一种lrc复合馈电方式，相比rc馈电方式充电效率大大提高，相比lc馈电方式大大减弱寄生回路的lc谐振，具体效果如下：
78.在恒流充电过程中，由于充电回路的电阻和电感远小于储能电容c的低频阻抗，可以认为每级电容上的充电电流i是相等的，r为每级阻尼电感的电阻值，t为电容到达额定电压u时的充电时间，n为marx电路的级数。整个充电过程两串阻尼电感产生的热耗为：
[0079][0080]
电容充电的总能量：
[0081][0082]
充电效率：
[0083][0084]
阻性器件的引入导致充电效率较纯lc馈电方式略低，但也远高于rc馈电方式，通常可以达到90％以上(参见实施实例)。阻尼电感工作时的热耗较低，使得marx发生器可以较高的重复频率工作。
[0085]
在放电过程中，sn-cn-l2n-r2n构成的寄生回路，谐振频率衰减系
数α＝r/2l，l为每级阻尼电感的电感值，根据lrc电路的原理，电容两端的电压：
[0086]
u＝ue-αt
(cosωt+αsinωt/ω)
[0087]
其中：
[0088]
增大阻尼电感的电阻值r可以抑制寄生回路的lc谐振，但充电效率会下降。最理想的电阻值选择应为即临界阻尼状态，既能消除电容上的电压振荡，又能保持尽量高的充电效率。rlc复合馈电方式可以将电容反峰电压系数降低到接近0。
[0089]
为了便于理解，本实施例提出超高压marx发生器复合馈电电路的具体实例，具体如下：
[0090]
本发明采用lrc复合馈电方式替代超高压marx发生器中的rc或者lc馈电方式，图3为本发明的一个实施实例，图中：
[0091]
marx电路的级数为12，单级储能电容的容量cn＝18nf，充电电源is为1.2a恒流电源，负载rl＝60ω。rn+ln为充电/隔离阻尼电感，当充电电源通过阻尼电感将电容电压充到
±
50kv后，开关s1～s13一次击穿导通，输出高压脉冲到负载rl。
[0092]
单级阻尼电感，设计的电感值为15uh，电阻值为50ω。阻尼电感实物按照图4示意制作，其中绕线部分的长度约为80mm，直径20mm，绕线匝数40。耐高压螺旋电阻线的阻值为20ω/m，硅胶绝缘层外径约2mm
[0093]
图6和图7分别为lc馈电方式和lrc复合馈电方式的寄生回路谐振电压仿真图。在电路级数和储能电容量相同且工作重复频率都为1hz的条件下，对比3中馈电方式的充电效率及电容反峰系数如表1。
[0094]
表1不同馈电方式效果对比
[0095]
[0096][0097]
理论分析和仿真计算证明，本发明提出的基于阻尼电感的lrc复合馈电方法，相比rc馈电的充电效率大大提高，而相比lc馈电的寄生回路振荡反峰电压大大降低。
[0098]
以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。