技术领域
[0001] 本
发明涉及一种微秒脉冲发生器，具体涉及一种基于分数比可饱和脉冲
变压器(fractional-turn ratio saturable pulse transformer,FRSPT)和反谐振网络的全固态高电压微秒脉冲发生器，属于脉冲功率领域，主要用于大功率
微波调制器，也可以应用于大功率微波源、食品、杀菌消毒、废
水处理等领域。
背景技术
[0002] 脉冲功率技术是一种把“慢”存储起来的具有较高
密度的
电场或
磁场能量进行快速压缩、转换或直接释放给负载的电物理技术，随着现代工业、农业、医学、环保、
生物电子学和国防等领域的迅速发展，研究具有高功率、长脉宽、固态化、长使用寿命等特点的脉冲发生器成为脉冲功率领域发展的趋势。
[0003] 一般来说，脉冲功率装置根据储能方式不同可分为电容储能型和电感储能型。电感储能型的装置以磁场的方式储能，其优势在于储能密度高，容易实现系统的小型化，但是这一类型的系统往往需要有能够提供大
电流的电源，且能够稳定工作的大容量断路
开关，同时电感储能型的装置单级能量转化效率很低，且很难实现重复
频率运行；相比之下，电容储能型的装置具有转换效率高，脉冲宽度可调，重频运行能
力强等优点，当前仍然是使用最多的储能方式。
[0004] 从功能上区分，电容储能型脉冲发生器主要分为四大
块：初级储能装置、升压装置、脉冲形成装置和负载。按照不同的升压装置，电容储能型脉冲发生器主要可分为三种类型：Marx发生器型、传输线倍压器型和脉冲变压器型。传统的电容储能型脉冲发生器主要采用Marx发生器给脉冲形成线(PFL)充电的形式，多级
串联的Marx发生器电容器组将初级储能和电压倍增的功能合二为一，通过并联充电和串联放电，可以在PFL和负载上输出几百kV，甚至MV级的长脉冲。Marx发生器型的优势在于高电压和高功率输出；但由于装置体积普遍都很庞大，受自身固有电感的限制，输出脉冲前沿一般较长，且重频运行能力非常有限，Marx发生器型脉冲发生器应用范围受到了较大的限制。
[0005] 传输线变压器型脉冲发生器是一种将电压倍压功能和脉冲形成功能合二为一的脉冲发生器形式，它通过对多个传输线进行并联充电和串联放电，在负载上获得高于传输线充电电压的电脉冲。传输线变压器型脉冲发生器克服了Marx发生器型脉冲发生器体积庞大的
缺陷，由于同轴
电缆线和平板传输线的使用，系统装置体积减小，但受绝缘问题的影响，其升压能力有限，多级
叠加后输出脉冲前沿变缓，
波形变差。
[0006] 目前，应用最广泛的是脉冲变压器型脉冲发生器，其基本原理是：初级储能电容给变压器初级绕组放电，从而在初级回路产生谐振，通过初、次级绕组之间的紧密耦合，在次级绕组中输出脉冲
信号给脉冲形成线充电。当形成线充电到一定的电压值时，主开关导通，形成线给负载放电，在负载上获得几百千伏以上的高电压脉冲。这种脉冲发生器结构紧凑，可以实现100Hz以上的高重频运行。
[0007] 脉冲变压器不仅可与脉冲形成线集成紧凑化，而且可与磁开关集成紧凑化，其典型装置即为普通的可饱和脉冲变压器(SPT)，基本工作原理为：当变压器磁芯处于非饱和状态时，SPT次级绕组正常耦合升压；磁芯饱和后，次级绕组作为磁开关饱和导通，控制其所在支路的放电过程。因此，SPT兼具脉冲变压器和磁开关的功能。中科院电工技术研究所采用两级SPT
脉冲压缩系统和具有陡化作用的磁开关研制了一台脉冲调制器，在307～1000Ω负载上输出幅度为45～62kV、脉宽70ns、前沿30ns的高电压脉冲，重复频率达到2kHz【Zhang D D,Zhou Y,Wang J,et al.A compact,high repetition-rate,nanosecond pulse generator based on magnetic pulse compression system[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2011,18(4):1151-1157.】。上述SPT采用普通变压器的绕组结构，然而，为了获得大于10倍的升压倍数，普通的SPT次级绕组的
匝数将会大于10匝，从而导致次级绕组饱和电感大于5μH甚至达到10μH量级，故电容器放电周期较长，影响输出脉冲的前沿；而由于陡化开关MS的存在，不利于系统的紧凑化、集成化。
[0008] 脉冲形成模块有两大类：脉冲形成线(PFL)和脉冲形成网络(PFN)。在输出超过200ns的长脉冲时，PFL由于成本高、体积巨大，较少被采用；而PFN具有储能密度高、阻抗调节方便等优势，是产生长脉冲输出的主要技术途径。H.Akiyama等人研究了一种基于PFN和磁开关的微秒级脉冲电源【H.Akiyama,S.Sakai,T.Sakugawa,T.Namihira.Environmental Applications of Repetitive Pulsed Power[J],IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2007,14(4):825-833】，用于环境保护等方面的研究，其通过PFN形成高压脉冲后，再通过变压器进一步升压，实现高压输出，
输出电压约100kV，脉冲宽度1μs，但由于其是对方波脉冲再进一步升压，导致输出波形较差，且更进一步提高电压，对磁开关和脉冲变压器要求很高。
[0009] 上述背景技术中，利用SPT升压再利用磁开关抖化前沿，可实现几十纳秒脉冲，要实现微秒级方波脉冲非常困难；而利用PFN形成微秒级方波脉冲，再利用脉冲变压器实现升压，往往输出波形平顶
质量较差，且一般采用气体开关，很难实现全固态化。故需要寻找具备升压、脉冲形成、固态开关的全固态微秒脉冲发生器技术，对于实现脉冲功率装置系统的全固态化、紧凑化具有重要的意义。
发明内容
[0010] 本发明要解决的技术问题是克服现有脉冲升压方式不能集成紧凑化、脉冲形成系统网络节数过多、寿命短、输出波形平顶质量较差等缺点，提出一种基于分数比可饱和脉冲变压器(FRSPT)和反谐振网络的全固态高电压微秒脉冲发生器，该脉冲发生器寿命长、运行稳定，实现了脉冲发生器的全固态紧凑集成，且输出方波质量好，可用于大功率微波源、食品、杀菌消毒、
废水处理等领域。
[0011] 本发明采用以下技术方案：
[0012] 一种基于FRSPT和反谐振网络的全固态高电压微秒脉冲发生器，所述脉冲发生器由充电模块、脉冲升压模块、脉冲形成模块和负载组成。所述充电模块主要用于对脉冲发生器充电，其通过脉冲升压模块对脉冲形成模块充电；所述脉冲升压模块为分数比可饱和脉冲变压器，其一方面作为脉冲升压模块的变压器，另一方面作为脉冲形成模块的开关；所述脉冲形成模块用于形成波形前后沿时间合理、平顶度好的准方波脉冲。
[0013] 所述充电模块由稳压电源DC、限流
电阻RC，一号高压
硅堆D1、二号高压硅堆D2，回收电感LR，隔离电感L01、L02、…、L0N、原边电容C01、C02、…、C0N和开关S01、S02、…、S0N组成。所述稳压电源DC为高压直流电源，根据原边电容C01、C02、…、C0N的充电电压确定稳压电源DC的工作电压、工作电流；一号高压硅堆D1用于保证原边电容C01、C02、…、C0N不会反向放电；隔离电感L01、L02、…、L0N用来起保护作用，在一路原边电容C0n(n＝1,2,…,N)发生故障时，可以保护其它路原边电容的安全；隔离电感L01、L02、…、L0N与原边电容C01、C02、…、C0N，回收电感LR，二号高压硅堆D2构成能量回收回路，当原边电容给分数比可饱和脉冲变压器完成一次充电后，原边电容电压反向，原边电容与回收电感LR构成了振荡回路，将绝大部分能量以磁场的方式暂时储存在回收电感LR中；原边电容C01、C02、…、C0N用作分数比可饱和脉冲变压器的原边储能电容；开关S01、S02、…、S0N用于控制原边电容对分数比可饱和脉冲变压器放电的时间。所述充电模块的工作过程为：稳压电源DC通过隔离电感L01、L02、…、L0N和限流电阻RC对原边电容C01、C02、…、C0N充电，当需要对分数比可饱和脉冲变压器充电时，开关S01、S02、…、S0N同步导通，使原边电容放电。
[0014] 所述脉冲升压模块为分数比可饱和脉冲变压器，所述分数比可饱和脉冲变压器由N个相同的子磁芯构成变压器磁芯，N≥2，分别在每个子磁芯上用高压线绕制N1匝，构成分数比可饱和脉冲变压器的原边(初级绕组)，在所有子磁芯上用高压线绕制N2匝，构成分数比可饱和脉冲变压器的副边(次级绕组)，这样分数比可饱和脉冲变压器的变比理论上为次级匝数N2与初级匝数N1比值的N倍。所述分数比可饱和脉冲变压器的工作过程为：在脉冲电压的作用下，初级绕组产生脉冲电流，从而在磁芯内激发变化的磁通量，变化的磁通量又在次级绕组内产生感应电动势和感应电流，它反过来通过互感磁通影响初级绕组。初级和次级绕组之间能量通过磁芯中的互感磁通来传递，当分数比可饱和脉冲变压器磁芯处于非饱和状态时，其次级绕组正常耦合升压；当磁芯饱和后，次级绕组作为磁开关饱和导通，控制其所在支路的放电过程。在本发明中，FRSPT初级绕组与原边电容C01、C02、…、C0N连接，为其提供初级
能源，通过所述FRSPT为次级电容C1谐振充电。若FRSPT初次级电感分别为Lp，Ls，其互感为 k为所述FRSPT耦合系数，磁芯
选定、初次级匝数确定后，上述Lp，Ls，K可以分别确定，原边电容C01、C02、…、C0N，次级电容C1通过需要输出的电压值确定。与传统脉冲变压器相比，这种分数比可饱和脉冲变压器结构简单，体积小，可实现脉冲变压器和磁开关的小型化、集成化，同时能够降低原边工作电压，且具有次级饱和电感小、高升压比等优点，可以用于小型化的脉冲功率装置中，在升压的同时其磁芯在饱和与非饱和态之间快速转化，用作主开关，对负载进行放电。
[0015] 所述脉冲形成模块由一节充
电网络、(M-1)节整形网络和一个主电感L1组成的M节反谐振网络构成。其中，充电网络为分数比可饱和脉冲变压器的次级电容C1，整形网络由并联的整形电容C2与整形电感L2、并联的整形电容C3与整形电感L3、…、并联的整形电容CM与整形电感LM再串联组成；所述充电网络的次级电容C1一端与分数比可饱和脉冲变压器的输出端相连接，另一端与第一节整形网络的一端连接，第一节整形网络的另一端连接下一节整形网络的一端，(M-1)节整形网络串联连接；最后一节整形网络的一端与前级整形网络相连接，另一端与负载模块的
升压变压器PT的原边连接。主电感L1与FRSPT次级绕组、次级电容C1以及(M-1)节整形网络串联，在实际工程中，一般不需要实际连接电感，
电路中的回路电感可以用作主电感L1，主电感L1用于脉冲调制。由于此脉冲形成模块只需对次级电容C1进行充电，其他电容或电感只用于调整脉冲输出波形，无需对其进行充电，可大大降低对电容器的绝缘要求，实现了平顶
稳定性好的高电压准方波脉冲的输出。
[0016] 所述负载模块由升压变压器PT和负载组成，所述升压变压器PT为方波变压器，用于将脉冲形成模块输出的微秒级方波脉冲进一步升压；当升压变压器的升压比为1:s时，升压变压器PT输出阻抗与脉冲形成模块的阻抗之比为s2:1，所述负载为电阻性负载，根据脉冲形成模块的阻抗以及升压变压器PT的变比可以确定负载的阻值。
[0017] 进一步地，实际应用中，为减小实施难度，可采用两节或三节反谐振网络来实现较高质量高压准方波输出，所述次级电容、整形电容和主电感、整形电感可以根据所需输出的脉冲宽度和特性阻抗确定。两节反谐振网络结构简单，输出波形电路参数调节方便，所述电路参数可由下式计算：
[0018]
[0019] 三节反谐振网络相较两节网络，其输出波形前后沿时间更短，但其需要调节的电路参数更多，所述电路参数可由下式确定：
[0020]
[0021] 其中：τ为输出准方波的脉冲宽度，ρ为脉冲形成模块的特性阻抗。可以根据具体的应用需求合理地选择网络节数。
[0022] 进一步地，在次级电容C1和整形网络之间，设置有可变电感LV，用于减小脉冲形成模块输出脉冲的预脉冲电压幅值(原边电容通过FRSPT向次级电容C1充电时，会不可避免地通过脉冲形成模块在负载上形成一定的脉冲信号，这就是预脉冲；设置可变电感LV在充电时为小电感可以起到抑制预脉冲的作用)，所述可变电感LV由绕制在闭合磁芯上的高压线圈组成，闭合磁芯上同时绕制有复位线圈，复位线圈与直流复位电源VR相连。当FRSPT对电容器C1充电时，直流复位电源VR使闭合磁芯饱和，从而使可变电感LV为小电感，当FRSPT饱和时，次级电容C1放电，使得闭合磁芯由饱和态转变为非饱和态，从而使可变电感LV变为大电感。在这种变化过程中，当充电时可变电感LV为小电感，可减小充电时负载上的预脉冲；而在放电时可变电感LV为大电感，可保证脉冲整形形成模块正常工作，从而在负载上得到方波脉冲。
[0023] 进一步地，为提高脉冲形成模块的工作电压，可使FRSPT输出为Marx结构，次级电容C1为Marx的等效放电电容。
[0024] 本发明的工作过程如下：充电模块对原边电容C01、C02、…、C0N充电至一定电压，开关S01、S02、…、S0N闭合，原边电容对脉冲升压模块的可饱和脉冲变压器放电，经可饱和脉冲变压器升压后，对脉冲形成模块的储能电容C1充电，当储能电容电压C1到一定电压时，可饱和脉冲变压器磁饱和，储能电容C1放电，并通过调制电容C1、C2、…、CM，调制电感L1、L2、…、LM调制后输出微秒级方波脉冲，最后经过升压变压器PT进一步升压，从而在负载上获得微秒级高压脉冲。
[0025] 与
现有技术相比，本发明的主要技术优点为：
[0026] 1、本发明利用分数比可饱和脉冲变压器实现脉冲变压器和磁开关的双重功能，做到了大变比的脉冲变压器和磁开关的紧凑集成，同时避免了采用多个开关串联方式提高发生器工作电压的均压问题；
[0027] 2、本发明中由于使用分数比可饱和变压器，有效降低了变压器原边的工作电压，使得原边采用IGBT或晶闸管等大功率开关成为可能，有利于系统的固态化、紧凑化；同时减小了变压器次级的饱和电感，能够实现有效地脉冲压缩；
[0028] 3、本发明中分数比可饱和脉冲变压器次级饱和后的磁开关功能使得变压器副边能够承受较高的工作电压，避免了气体开关的
电极烧蚀和抖动，提高了脉冲发生器的寿命；
[0029] 4、本发明中的脉冲形成模块采用反谐振网络克服了传统的脉冲形成网络输出波形平顶稳定性较差的缺点，实现了平顶稳定性好的高电压准方波脉冲输出；
[0030] 5、整个系统均由固态元件和开关构成，实现了脉冲功率发生器的固态化。紧凑化、集成化，大大减小了系统的体积和重量，提高了重频运行能力，可以应用于大功率微波源、食品、杀菌消毒、废水处理等领域。
附图说明
[0031] 本发明将通过
实施例并通过附图的方式说明，其中：
[0032] 图1为背景技术【Zhang D D,Zhou Y,Wang J,et al.A compact,high repetition-rate,nanosecond pulse generator based on magnetic pulse
compression system[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical
Insulation,2011,18(4):1151-1157.】中研制的基于两级SPT脉冲压缩单元的脉冲调制器电路原理图；
[0033] 图2为背景技术【H.Akiyama,S.Sakai,T.Sakugawa,T.Namihira.Environmental Applications of Repetitive Pulsed Power[J],IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2007,14(4):825-833】中研究的基于PFN和磁开关的微秒级脉冲电源的电路示意图。
[0034] 图3为本发明基于FRSPT和反谐振网络的全固态高电压微秒脉冲发生器电路原理图；
[0035] 图4为本发明基于FRSPT和反谐振网络的全固态高电压微秒脉冲发生器实施例结构图；
[0036] 图5为本发明基于FRSPT和反谐振网络的全固态高电压微秒脉冲发生器实施例的实验输出波形，其中图5(a)为充电波形，图5(b)为负载输出波形。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图对本发明作进一步地说明。
[0038] 图1为背景技术【Zhang D D,Zhou Y,Wang J,et al.A compact,high repetition-rate,nanosecond pulse generator based on magnetic pulse
compression system[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical
Insulation,2011,18(4):1151-1157.】中研制的基于两级SPT脉冲压缩单元的脉冲调制器电路原理图，仍然采用传统的绕组结构，为了获得大的升压比，他们使用两级SPT脉冲压缩单元进行升压，在307～1000Ω负载上输出幅度为45～62kV、脉宽70ns、前沿30ns的高电压脉冲，高阻抗负载和起陡化作用的磁开关是获得快前沿脉冲的关键。同样，陡化开关MS的存在，不利于系统的固态化、紧凑化。
[0039] 图2为背景技术【H.Akiyama,S.Sakai,T.Sakugawa,T.Namihira.Environmental Applications of Repetitive Pulsed Power[J],IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2007,14(4):825-833】中研究的基于PFN和磁开关的微秒级脉冲电源的电路示意图。但由于其采取先成形，再升压的方式，对方波进行升压，容易导致输出波形变差，若要进一步升压，对磁开关和脉冲变压器要求很高。
[0040] 图3为本发明基于FRSPT和反谐振网络的全固态高电压微秒脉冲发生器电路原理图。该脉冲发生器由充电模块，脉冲升压模块、脉冲形成模块和负载组成。该发生器的工作过程如下：充电模块由稳压电源DC通过隔离电感L01、L02、…、L0N对原边电容C01、C02、…、C0N直流充电，当充电至设定电压时，开关S01、S02、…、S0N导通，原边电容C01、C02、…、C0N对FRSPT放电，并经FRSPT升压后对次级电容C1充电，当FRSPT的磁芯饱和后，FRSPT次级作为磁开关控制次级电容C1向脉冲形成模块放电，经过由整形电容C2与整形电感L2、整形电容C3与整形电感L3、…、整形电容CM与整形电感LM组成的(M-1)节整形网络调制后，输出方波脉冲至升压变压器PT进一步升压，最后在负载上形成平顶度好，稳定性强的准方波脉冲信号。可变电感LV作为隔离电感，用于减小脉冲形成模块输出脉冲的预脉冲，其工作过程为：当次级电容C1充电时，可变电感LV的电感值很小，避免次级电容C1向后级放电，在负载上产生预脉冲；当次级电容C1充电达到一定值后，FRSPT的磁芯饱和，可变电感LV电感值增大，使次级电容C1顺利向后级放电，避免向前级的放电过程，提高能量传输效率。
[0041] 图4为本发明基于FRSPT和反谐振网络的全固态高电压微秒脉冲发生器实施例结构图。国防科技大学基于本发明设计了一个2μs全固态高电压脉冲发生器，其整体布局分三层，由三张电木板通过四根带螺丝的通杆连接。第一层由稳压电源1，限流电阻2，一号高压硅堆3、二号高压硅堆5，回收电感4组成。稳压电源1由两个0-250V的
开关电源串联构成；限流电阻2由两个阻值为51Ω的电阻并联构成；两组高压硅堆3和5均由四个高压整流
二极管两个并联为一组，再两组串联构成。第二层由隔离电感6，原边电容7，分数比可饱和脉冲变压器8，晶闸管开关9以及触发控
制模块10组成。原边电容7分为两组，每组有五路，每路由5个3μF的
薄膜电容并联构成；分数比可饱和脉冲变压器8的磁芯由五个环形子磁芯叠放组成，每个环形磁芯内直径7.32cm，外直径11.69cm，高度2.78cm，用高压线沿子磁芯圆周方向绕制，初级在每个磁芯上分别用高压线绕制一匝，次级也使用高压线，绕制10匝，包围所有子磁芯；晶闸管开关9也有两组，每组由五个晶闸管开关同步触发控制五路原边电容7的充、放电过程。第三层由次级电容11，整形电容12，整形电感13，可变电感14，直流复位电源15以及具有良好方波响应的脉冲变压器16构成。次级电容11由四个2nF的陶瓷电容两个串联为一组再并联连接而成；整形电容12由一组两个串联的2nF陶瓷电容与一组三个串联的2nF陶瓷电容并联构成；整形电感13由螺线管密绕而成，电感值为45μH；可变电感14是由高压线沿磁芯圆周方向绕制而成；直流复位电源15同样是一个0-250V的开关电源；脉冲变压器16变比为1:3。具体工作过程为：稳压电源1通过隔离电感6和限流电阻2对原边电容7充电，当需要对分数比可饱和脉冲变压器8充电时，两组晶闸管开关9同步导通，使原边电容7放电，通过分数比可饱和脉冲变压器8对次级电容11充电。当分数比可饱和脉冲变压器8的磁芯饱和后，次级绕组作为磁开关饱和导通，控制次级电容11向整形网络放电。通过整形电容12和整形电感13的调制以及脉冲变压器16的进一步升压，最终在负载上输出脉冲平顶度好的准方波脉冲。设计输出阻抗为3500欧姆，输出脉冲宽度τ为2μs，故脉冲整形模块的阻抗ρ约为389欧姆，故通过计算得到次级电容C1＝2nF，主电感L1＝259μH，整形电容C2＝1.6nF，整形电感L2＝45μH。
[0042] 为了验证此实施例的特性，根据设计进行了实验验证，直流稳压电源输出电压400V，其中主电容C1上的充电波形如图5(a)所示，充电时间约为4.7μs，充电最高电压约为
18kV，最终在3500Ω负载上得到了脉宽约1.6μs，电压约27kV的准方波脉冲，由于系统整体电感略大于整形模块主电感值，因此输出脉宽较设计值略有减小。脉冲平顶约为700ns,如图5(b)所示。
[0043] 由上述结果可知，本发明这种实施方式不仅可以降低脉冲变压器原边工作电压和副边饱和电感，实现脉冲变压器和磁开关的紧凑集成，而且通过反谐振网络能够输出质量较高，平顶度好的准方波脉冲，做到了系统的完全固态化、小型化，体积小，重量轻，便于运输和实用，且避免了高压脉冲发生器的多开关串联结构，可提高使用寿命。
[0044] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
