多匝LTD脉冲发生器
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
发明内容
[0006] 本发明的目的是解决
现有技术中存在的问题。
[0007] 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。
[0008] 电路结构如下所示：
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] I级LTD模块的电路结构如下所示：
[0015] 记绕在磁芯I上的N匝线圈的始端为EI，末端为FI。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] II级LTD模块的电路结构如下所示：
[0019] 记绕在磁芯II上的N匝线圈的始端为EII，末端为FII。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] III级LTD模块的电路结构如下所示：
[0023] 记绕在磁芯III上的N匝线圈的始端为EIII，末端为FIII。
[0024] 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。
[0025] 进一步，任一级LTD模块的磁芯、脉冲
电压和脉宽满足下式：
[0026] N(ΔB)Sα＝∫U(t)dt。 (1)
[0027] 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。
[0029] ΔB＝Bs-Br。 (2)
[0030] 式中，BS和Br分别为饱和磁通密度和剩余磁通密度。
[0031] 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：
[0032] ∫U(t)dt＝Uτ。 (3)
[0033] 其中，τ为最大脉冲宽度。
[0034] 最大脉冲宽度τ如下所示：
[0035] τ＝N(ΔB)Sα/U。 (4)
[0036] 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。
[0037] 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。
[0038] 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。
[0039] 电路结构如下所示：
[0040] 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
[0041] 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。
[0042] i级LTD模块的电路结构如下所示：
[0043] 记绕在磁芯i上的N匝线圈的始端为Xi，末端为Yi。
[0044] 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。
[0045] 任一级LTD模块的磁芯、脉冲电压和脉宽满足下式：
[0046] N(ΔB)Sα＝∫U(t)dt。 (5)
[0047] 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。
[0048] 磁通密度变化值ΔB如下所示：
[0049] ΔB＝Bs-Br。 (6)
[0050] 式中，BS和Br分别为饱和磁通密度和剩余磁通密度。
[0051] 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：
[0052] ∫U(t)dt＝Uτ。 (7)
[0053] 其中，τ为最大脉冲宽度。
[0054] 最大脉冲宽度τ如下所示：
[0055] τ＝N(ΔB)Sα/U。 (8)
[0056] 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。
[0057] 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。
[0058] 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。
[0059] 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
[0060] 图1为三级全固态多匝LTD脉冲发生器电路拓扑；
[0061] 图2为三级全固态多匝LTD脉冲发生器等效电路；
[0062] 图3为M级全固态多匝LTD脉冲发生器电路拓扑；
[0063] 图4为单级LTD模块电路图；
[0064] 图5为M级全固态多匝LTD脉冲源输出脉冲时电路原理图；
[0065] 图6为供电及充电同向绕制隔离方案示意图；
[0066] 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；
[0067] 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；
[0068] 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；
[0069] 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；
[0070] 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
[0071] 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。
[0072] 实施例1：
[0073] 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。
[0074] 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。
[0075] 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。
[0076] 电路结构如下所示：
[0077] 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。
[0078] 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。
[0079] 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。
[0080] 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。
[0081] 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。
[0082] I级LTD模块的电路结构如下所示：
[0083] 记绕在磁芯I上的N匝线圈的始端为EI，末端为FI。
[0084] 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。
[0085] 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。
[0086] II级LTD模块的电路结构如下所示：
[0087] 记绕在磁芯II上的N匝线圈的始端为EII，末端为FII。
[0088] 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。
[0089] 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。
[0090] III级LTD模块的电路结构如下所示：
[0091] 记绕在磁芯III上的N匝线圈的始端为EIII，末端为FIII。
[0092] 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。
[0093] 进一步，任一级LTD模块的磁芯、脉冲电压和脉宽满足下式：
[0094] N(ΔB)Sα＝∫U(t)dt。 (1)
[0095] 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。
[0096] 磁通密度变化值ΔB如下所示：
[0097] ΔB＝Bs-Br。 (2)
[0098] 式中，BS和Br分别为饱和磁通密度和剩余磁通密度。
[0099] 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：
[0100] ∫U(t)dt＝Uτ。 (3)
[0101] 其中，τ为最大脉冲宽度。
[0102] 最大脉冲宽度τ如下所示：
[0103] τ＝N(ΔB)Sα/U。 (4)
[0104] 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。
[0105] 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。
[0106] 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。
[0107] 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。
[0108] 实施例2：
[0109] 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。
[0110] 电路结构如下所示：
[0111] 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
[0112] 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。
[0113] i级LTD模块的电路结构如下所示：
[0114] 记绕在磁芯i上的N匝线圈的始端为Xi，末端为Yi。
[0115] 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。
[0116] 任一级LTD模块的磁芯、脉冲电压和脉宽满足下式：
[0117] N(ΔB)Sα＝∫U(t)dt。 (1)
[0118] 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。
[0119] 磁通密度变化值ΔB如下所示：
[0120] ΔB＝Bs-Br。 (2)
[0121] 式中，BS和Br分别为饱和磁通密度和剩余磁通密度。
[0122] 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：
[0123] ∫U(t)dt＝Uτ。 (3)
[0124] 其中，τ为最大脉冲宽度。
[0125] 最大脉冲宽度τ如下所示：
[0126] τ＝N(ΔB)Sα/U。 (4)
[0127] 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。
[0128] 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。
[0129] 实施例3
[0130] 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：
[0131] 记绕在磁芯i上的N匝线圈的始端为Xi，末端为Yi。
[0132] 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。
[0133] 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。
[0134] 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：
[0135]
[0136] 表示线元矢量。 表示磁场强度。
[0137] 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：
[0138]
[0139] 为磁感应强度； 为感应电场； 表示散度。
[0140] 初级回路内有：
[0141]
[0142] 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。
[0143] 次级回路内有：
[0144]
[0145] 因此
[0146] U＝I2R； (5)
[0147] 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。
[0148] 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：
[0149] Uout＝3U＝I2R (6)
[0150] 因此可将初级电压进行感应叠加，输出高压脉冲。
[0151] 实施例4：
[0152] 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。
[0153] 实施例5：
[0154] 验证三级全固态多匝LTD脉冲发生器的实验，主要步骤如下：
[0155] 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。
[0156] 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。
[0157] 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。
[0158] 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。
[0159] 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。
