兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元及磁脈沖壓縮源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元及磁脈沖壓縮源，其特征在于：磁飽和脈沖變壓器ST1和電容C1、C2構(gòu)成一個(gè)次級(jí)倍壓電路，磁飽和脈沖變壓器ST2和電容C3、C4構(gòu)成另一個(gè)次級(jí)倍壓電路；次級(jí)倍壓電路的兩個(gè)次級(jí)電容C1和C2，C3和C4串聯(lián)后形成兩倍充電電壓輸出，兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)后四個(gè)串聯(lián)電容C1、C2、C3和C4形成接近四倍電壓輸出。一種磁脈沖壓縮源，輸入單元是磁飽和脈沖變壓器ST1和ST2的初級(jí)回路；磁脈沖壓縮單元為兩個(gè)包含磁飽和脈沖變壓器的次級(jí)倍壓電路的串聯(lián)輸出回路；輸出單元是基于半導(dǎo)體斷路開關(guān)（SOS）的脈沖產(chǎn)生回路。優(yōu)點(diǎn)在于：效率不受影響，克服了現(xiàn)有技術(shù)通過增加脈沖壓縮級(jí)數(shù)提高輸出電壓導(dǎo)致的系統(tǒng)效率下降問題。
【專利說明】?jī)蓚€(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元及磁脈沖壓縮源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于脈沖功率【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元及磁脈沖壓縮源。
【背景技術(shù)】
[0002]高重頻高功率脈沖技術(shù)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境治理、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。磁開關(guān)為帶有鐵磁芯的多匝螺繞環(huán)，鐵磁材料在飽和前后磁導(dǎo)率差異非常大，表現(xiàn)出開關(guān)特性，磁飽和脈沖變壓器為磁開關(guān)的一種。基于磁開關(guān)的脈沖壓縮源通過多級(jí)壓縮實(shí)現(xiàn)從微秒到納秒時(shí)間的脈沖壓縮，磁脈沖壓縮源重頻運(yùn)行穩(wěn)定。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)更高的輸出電壓，磁脈沖壓縮設(shè)計(jì)一般采取的方法有:一、結(jié)合磁飽和脈沖變壓器，采用次級(jí)倍壓電路；二、增加脈壓級(jí)數(shù)，并采用磁飽和脈沖變壓器或者倍壓電路；三、增加升壓變壓器次級(jí)匝數(shù)。第一種方法較為常用。第二種方法帶來了脈壓級(jí)數(shù)增加后系統(tǒng)效率降低的問題。對(duì)于第三種方法，可以通過密繞或者加大磁芯尺寸來增加變壓器次級(jí)匝數(shù)，但是匝數(shù)過多會(huì)引起匝間絕緣問題，適用于高重頻運(yùn)行的鐵氧體磁芯的尺寸增大后磁性能下降，且成本上升。第三種方法增加變壓器次級(jí)匝數(shù)后，次級(jí)飽和電感增大，變壓器飽和后的脈壓時(shí)間相應(yīng)增大，為獲得需要的輸出脈沖寬度可能需要另外增加一級(jí)脈壓電路。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)表明，在采用倍壓電路的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高輸出脈沖電壓往往需要增加脈壓級(jí)數(shù)，然而脈壓級(jí)數(shù)的增加降低了系統(tǒng)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元及磁脈沖壓縮源，實(shí)現(xiàn)了更高電壓的短脈沖產(chǎn)生，解決了現(xiàn)有技術(shù)通過增加脈壓級(jí)數(shù)提高輸出電壓導(dǎo)致的系統(tǒng)效率下降問題。
[0006]一種兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元(圖1)，其特征在于包括磁飽和脈沖變壓器STpST2和ST3,四個(gè)電容C1X2X3和C4，以及磁開關(guān)MS1 ;脈沖變壓器ST1的次級(jí)和ST2的次級(jí)相串聯(lián)，電容C2和C3相串聯(lián)，電容C1、磁飽和脈沖變壓器ST3的初級(jí)、磁開關(guān)MSi和C4相串聯(lián)，三個(gè)串聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)并聯(lián)；脈沖變壓器次級(jí)和次級(jí)串聯(lián)電路的中心點(diǎn)接地，電容C2和C3串聯(lián)電路的中心點(diǎn)接地；磁飽和脈沖變壓器ST1和電容C1X2構(gòu)成一個(gè)次級(jí)倍壓電路，磁飽和脈沖變壓器ST2和電容C3、C4構(gòu)成另一個(gè)次級(jí)倍壓電路；次級(jí)倍壓電路的兩個(gè)次級(jí)電容C1和C2，C3和C4串聯(lián)后形成兩倍充電電壓輸出，兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)后四個(gè)串聯(lián)電容C1、C2、C3和C4形成接近四倍電壓輸出。所述的電容C1、C2、C3和C4的電容量相等。所述磁飽和脈沖變壓器ST1和ST2具有相同的參數(shù)、同步升壓且磁芯同步飽和。所述三個(gè)磁飽和脈沖變壓器ST1、ST2和ST3和磁開關(guān)MS1均采用鐵氧體磁芯。
[0007]—種利用磁脈沖壓縮單元構(gòu)成的磁脈沖壓縮源(圖2)，其特征在于包括輸入單元、磁脈沖壓縮單元和輸出單元；所述輸入單元是磁脈沖壓縮單元的磁飽和脈沖變壓器ST1和ST2的初級(jí)線圈并聯(lián)后，與初級(jí)電容Cu、Ctl 2和快速閉合開關(guān)S形成初級(jí)回路；所述輸出單元是磁飽和脈沖變壓器ST3次級(jí)的一端與開關(guān)SOS的一端連接，ST3次級(jí)的另一端通過電容C5接地，開關(guān)SOS的另一端接地，負(fù)載R的一端接地，另一端與SOS的非接地端連接。所述快速閉合開關(guān)S采用多個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT開關(guān)的串并聯(lián)組合。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:通過對(duì)兩個(gè)磁飽和脈沖變壓器的次級(jí)倍壓電路進(jìn)行串聯(lián)輸出，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的進(jìn)一步提高；與現(xiàn)有技術(shù)通過增大磁芯尺寸和增加次級(jí)匝數(shù)提高輸出電壓相比，本發(fā)明經(jīng)濟(jì)成本低，利于小型化；能量效率不受影響，克服了現(xiàn)有技術(shù)通過增加脈壓級(jí)數(shù)提高輸出電壓導(dǎo)致的系統(tǒng)效率下降問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單兀。附圖標(biāo)記:A、B—磁飽和脈沖變壓器ST1的初級(jí)線圈兩端；C、D—磁飽和脈沖變壓器ST2的初級(jí)線圈兩端；E、F—磁飽和脈沖變壓器ST3的次級(jí)線圈兩端。
[0010]圖2為本發(fā)明磁脈沖壓縮源的實(shí)施例。
[0011]圖3為單個(gè)倍壓電路的電壓波形。其中UpU2分別為電容CjP C2兩端的電壓，U1^2為電容C1和C2的串聯(lián)電壓。
[0012]圖4為兩個(gè)倍壓電路的串聯(lián)輸出波形。其中U1^2為電容CdP C2的串聯(lián)電壓，U卜4為四個(gè)電容C1~C4的串聯(lián)電壓，U5為電容C5的電壓。
[0013]圖5為SOS的泵浦波形和負(fù)載R的輸出波形。其中Ist3 2為磁飽和脈沖變壓器ST3的次級(jí)線圈電流，Is?為開關(guān)SOS的電流，Ik為負(fù)載R為300 Ω時(shí)的負(fù)載電流。
[0014]圖6為負(fù)載R的功率曲線。
【具體實(shí)施方式】
`[0015]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0016]本實(shí)施例磁脈沖壓縮源(圖2)由輸入單元、磁脈沖壓縮單元和輸出單元三個(gè)部分組成。
[0017]實(shí)施例的輸入單元為兩個(gè)磁飽和脈沖變壓器STJP ST2的初級(jí)回路，在次級(jí)升壓過程中變壓器磁芯處于非飽和的狀態(tài)，在升壓工作之前需對(duì)磁芯進(jìn)行勵(lì)磁。輸入單元的工作原理為:初級(jí)直流電源DC對(duì)電容Ctl充電完成后，觸發(fā)導(dǎo)通快速閉合開關(guān)S，電容Ctl上的初級(jí)儲(chǔ)能通過磁飽和脈沖變壓器ST1和ST2向各自的次級(jí)傳輸。當(dāng)變壓器的初次級(jí)回路諧振
時(shí)能量效率最高。
[0018]實(shí)施例的磁脈沖壓縮單元為兩個(gè)包含磁飽和脈沖變壓器的次級(jí)倍壓電路的串聯(lián)輸出回路(圖1和圖2)。磁飽和脈沖變壓器ST1和ST2次級(jí)的一端連接并接地，另一端極性相反。磁脈沖壓縮單元的工作原理為:(1)在磁飽和脈沖變壓器31'1和31'2的次級(jí)同步升壓過程中，磁開關(guān)MS1和磁飽和脈沖變壓器ST3發(fā)生磁芯提前飽和，即電壓降趨于零，四個(gè)電容C1-C4的充電電壓相等；(2)當(dāng)四個(gè)電容C1~C4的充電電壓達(dá)到最大時(shí)，磁飽和脈沖變壓器ST1和ST2發(fā)生磁芯同步飽和，磁飽和脈沖變壓器ST1的飽和次級(jí)電感與電容C2形成振蕩回路，電容C2W極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，與電容C1串聯(lián)后的電壓接近原充電電壓的兩倍，同樣另一個(gè)次級(jí)倍壓電路的電容C3、C4串聯(lián)后接近兩倍充電電壓，兩個(gè)次級(jí)倍壓電路的二倍壓極性是相反的。在實(shí)際工作中，磁飽和脈沖變壓器ST1和ST2的磁芯同步飽和的理想條件難以滿足，假設(shè)磁飽和脈沖變壓器ST1的磁芯先發(fā)生飽和，則在電容C2的極性翻轉(zhuǎn)過程中，電容C1、磁飽和脈沖變壓器ST1的飽和次級(jí)、電容(:3和C4、飽和的磁開關(guān)MS1和磁飽和脈沖變壓器ST3的飽和初級(jí)構(gòu)成串聯(lián)回路，回路電流與電容Cp C4的充電電流方向相反、與電容C3的充電電流方向相同，故磁開關(guān)MS1和磁飽和脈沖變壓器ST3的磁芯從飽和狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為非飽和狀態(tài)，電容C3電壓幅值的增大則加快磁飽和脈沖變壓器ST2的磁芯發(fā)生飽和；(3)當(dāng)4個(gè)電容C1?C4的串聯(lián)電壓接近充電電壓的四倍時(shí)，磁開關(guān)MS1發(fā)生磁芯飽和，4個(gè)串聯(lián)電容C1?C4的儲(chǔ)能向磁飽和脈沖變壓器ST3的次級(jí)電容C5傳遞。
[0019]實(shí)施例的輸出單元為基于半導(dǎo)體斷路開關(guān)(SOS)的脈沖產(chǎn)生回路，工作原理為:磁飽和脈沖變壓器ST3的次級(jí)電容C5的升壓過程，同時(shí)也是開關(guān)SOS的正向泵浦過程；當(dāng)電容C5的電壓幅值達(dá)到最大時(shí)，磁飽和脈沖變壓器ST3的磁芯發(fā)生飽和，ST3的飽和次級(jí)電感、電容C5和開關(guān)SOS形成振蕩回路，為開關(guān)SOS的反向泵浦過程；sos反向泵浦結(jié)束后發(fā)生開關(guān)發(fā)生納秒量級(jí)的快速截?cái)?，從而在輸出?fù)載R上形成很快的脈沖前沿。
[0020]仿真電路的具體參數(shù)為:CQJ=Ctl2=5.76 μ F、C1=C2=C3=C4=L 8nF、C5=0.2nF ;SI\ 和ST2的初次級(jí)匝數(shù)比均為1:40，ST3的初次級(jí)匝數(shù)比為1:2 ；C0J和C。2初始充電電壓lkV，初級(jí)電路開關(guān)S在t=0時(shí)刻閉合。圖3?圖6給出了仿真結(jié)果。圖3給出了單個(gè)倍壓電路的電壓波形，t=5 μ s時(shí)刻磁飽和脈沖變壓器ST1發(fā)生磁芯飽和；t=5 μ s?5.98 μ s期間電容C2上的電壓發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)而電容C1上的電壓保持不變；t=5.98 μ S時(shí)刻C2電壓極性翻轉(zhuǎn)過程結(jié)束，電容C1和C2上的電壓相近，兩個(gè)電容的串聯(lián)電壓Un達(dá)到最大為66kV。圖4給出了兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的波形，t=5.98 μ s時(shí)刻兩個(gè)倍壓電路的四個(gè)電容C1?C4的串聯(lián)電壓為130kV，該時(shí)刻磁開關(guān)MS發(fā)生磁芯飽和；t=5.98 μ s?6.18 μ s期間，磁飽和脈沖變壓器ST3的初級(jí)能量向次級(jí)傳遞，該過程同時(shí)也為SOS的正向泵浦過程；t=6.18μ s時(shí)刻次級(jí)電容C5上的電壓達(dá)到最大為186kV，該時(shí)刻ST3的發(fā)生磁芯飽和。t=6.18μ s?6.213μ s期間，ST3的次級(jí)飽和線圈、C5和SOS形成振蕩回路，該過程為SOS的反向泵浦過程，SOS在接近回路電流Ist3 2最大值時(shí)開始發(fā)生截?cái)?，同時(shí)負(fù)載電流開始增大，300 Ω負(fù)載R的電流峰值767Α，脈寬25ns (圖5)。負(fù)載阻值為200?450 Ω時(shí)，輸出功率為170?176MW (圖6)。
【權(quán)利要求】
1.一種兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元，其特征在于包括磁飽和脈沖變壓器ST1, ST2和ST3,四個(gè)電容CpCyC3和C4,以及磁開關(guān)MS1 ;脈沖變壓器ST1的次級(jí)和ST2的次級(jí)相串聯(lián)，電容C2和C3相串聯(lián)，電容C1、磁飽和脈沖變壓器ST3的初級(jí)、磁開關(guān)MS1和C4相串聯(lián)，三個(gè)串聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)并聯(lián)；脈沖變壓器ST1的次級(jí)和ST2的次級(jí)串聯(lián)電路的中心點(diǎn)接地，電容C2和C3串聯(lián)電路的中心點(diǎn)接地；磁飽和脈沖變壓器ST1和電容Cp C2構(gòu)成一個(gè)次級(jí)倍壓電路，磁飽和脈沖變壓器ST2和電容C3、C4構(gòu)成另一個(gè)次級(jí)倍壓電路；次級(jí)倍壓電路的兩個(gè)次級(jí)電容C1和C2，C3和C4串聯(lián)后形成兩倍充電電壓輸出，兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)后四個(gè)串聯(lián)電容Cp C2、C3和C4形成接近四倍電壓輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元，其特征在于:所述的電容CpCyC3和C4的電容量相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元，其特征在于:所述磁飽和脈沖變壓器ST1和ST2具有相同的參數(shù)、同步升壓且磁芯同步飽和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元，其特征在于:所述三個(gè)磁飽和脈沖變壓器ST1、ST2和ST3采用鐵氧體磁芯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩個(gè)倍壓電路串聯(lián)輸出的磁脈沖壓縮單元，其特征在于:所述磁開關(guān)MS1采用鐵氧體磁芯。
6.一種利用權(quán)利要求1?5所述任一項(xiàng)磁脈沖壓縮單元的構(gòu)成的磁脈沖壓縮源，其特征在于包括輸入單元、磁脈沖壓縮單元和輸出單元；所述輸入單元是磁脈沖壓縮單元的磁飽和脈沖變壓器ST1和ST2的初級(jí)線圈并聯(lián)后，與初級(jí)電容Ctl PCtl 2和快速閉合開關(guān)S形成初級(jí)回路；所述輸出單元是磁飽和脈沖變壓器ST3次級(jí)的一端與開關(guān)SOS的一端連接，ST3次級(jí)的另一端通過電容C5接地，開關(guān)SOS的另一端接地，負(fù)載R的一端接地，另一端與SOS的非接地端連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁脈沖壓縮源，其特征在于:所述快速閉合開關(guān)S采用多個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT開關(guān)的串并聯(lián)組合。
【文檔編號(hào)】H02M9/04GK103715937SQ201310676093
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】潘亞峰, 丁臻捷, 方旭, 王剛, 胡龍, 浩慶松, 范菊平, 袁雪林 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所