一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统

摘要

本发明公布了一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统，该系统包括Blumlein型脉冲形成网络、方波触发器、主开关和负载，通过主开关将Blumlein型脉冲形成网络和方波触发器连接在一起，负载连接在Blumlein型脉冲形成网络的输出端；所述Blumlein型脉冲形成网络中各级采用的电容为薄膜电容，薄膜电容的容值为0.8-2nF，所述薄膜电容的输出端采用宽电极连接三螺钉固定输出；所述方波触发器包括储能脉冲形成线、均压电路和低抖动开关；本发明采用了低容值的薄膜电容，使得脉冲形成系统具有抗冲击性好、电气性能优良、工作温度范围宽、本身性能受环境影响小、工作寿命长等优点。

权利要求

1.一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统，其特征为该系统包括Blumlein型脉冲形成网络、方波触发器、主开关和负载，通过主开关将Blumlein型脉冲形成网络和方波触发器连接在一起，负载连接在Blumlein型脉冲形成网络的输出端；所述Blumlein型脉冲形成网络中各级采用的电容为薄膜电容，薄膜电容的容值为0.8-2nF，所述薄膜电容的输出端采用宽电极连接三螺钉固定输出；所述方波触发器包括储能脉冲形成线、均压电路和低抖动开关，储能脉冲形成线的一端与主开关触发极相连接，另一端连接到低抖动开关的阳极，低抖动开关的阴极接地；均压电路的高压端分别连接在主开关阳极和Blumlein型脉冲形成网络的高压端，均压端连接到主开关触发极，低压端分别与Blumlein型脉冲形成网络的接地端以及主开关的阴极相连接。

2. 根据权利要求1所述的一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统，其特征为所述储能脉冲形成线的电长度可调。

3.根据权利要求1所述的一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统，其特征为所述均压电路的电路参数可调。

4.根据权利要求1所述的一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统，其特征为增加所述薄膜电容的内部子模块的数量，降低电容的容值。

5.根据权利要求4所述的一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统，其特征为增加所述子模块两个电极之间的距离，降低子模块的容值。

说明书

一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统

技术领域

[0001] 本发明涉及脉冲形成领域，特别是涉及一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统，采用改进设计的低容值薄膜电容代替陶瓷电容。

背景技术

[0002] 随着脉冲功率技术的不断发展，小型化、长寿命和模块化是高功率脉冲功率源发展的必然趋势。然而，作为高功率微波源关键部件的高功率脉冲源，目前都存在体积较大的问题，其中脉冲形成系统体积过大是其中亟待解决的问题；只有实现了脉冲形成系统的小型化，才能真正意义上实现高功率脉冲源的小型化。通常，脉冲形成系统的小型化设计包括脉冲形成线和触发系统的小型化。高功率脉冲功率源中所用的脉冲形成线多为金属结构，尺寸较大，由此产生了许多将脉冲形成线小型化的思想；如：选用高介电常数的介质陶瓷作为储能材料，可大大缩小脉冲成形装置的体积；但大块陶瓷的烧结、制备难度大，工艺不成熟，寿命短，进而严重制约了其在小型化脉冲功率源中的应用。激光触发具有低抖动、稳定工作的优点，但系统体积庞大，对工作环境有严格要求，难以达到小型化、实用化设计目标。因此，寻求一种抖动低、体积小、寿命长的脉冲形成系统对脉冲功率技术的紧凑型、模块化发展具有重要意义。

[0003] 薄膜电容具有抗冲击性好、电气性能优良、工作温度范围宽、本身性能受环境影响小、工作寿命长等优点，其可满足系统长期、可靠稳定运行要求，但是现有薄膜电容的容值过大，要形成脉宽100-200ns的方波脉冲非常困难。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了克服现有Blumlein型脉冲形成系统中陶瓷电容的长时间、重频工作条件下的寿命问题，同时因为现有薄膜电容的容值过大，要形成脉宽100-200ns的方波脉冲非常困难，现在提出一种改进的薄膜电容，容值为0.8-2nF，同时采用紫铜电极连接片代替传统的螺旋形电感，来降低级电感，最后实现Blumlein型脉冲形成系统输出脉冲宽度为100-200ns。

[0005] 本发明采用如下技术方案：一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统，该系统包括Blumlein型脉冲形成网络、方波触发器、主开关和负载，通过主开关将Blumlein型脉冲形成网络和方波触发器连接在一起，负载连接在Blumlein型脉冲形成网络的输出端；所述Blumlein型脉冲形成网络中各级采用的电容为薄膜电容，薄膜电容的容值为0.8-2nF，所述薄膜电容的输出端采用宽电极连接三螺钉固定输出；所述方波触发器包括储能脉冲形成线、均压电路和低抖动开关，储能脉冲形成线的一端与主开关触发极相连接，另一端连接到低抖动开关的阳极；均压电路的高压端连接在主开关阳极，均压端连接到主开关触发极，低压端与Blumlein型脉冲形成网络的接地端相连接；低抖动开关的阳极与储能脉冲形成线相连接，阴极接地。

[0006] 在上述技术方案中，所述储能脉冲形成线的电长度可调。

[0007] 在上述技术方案中，所述均压电路的电路参数可调。

[0008] 在上述技术方案中，增加所述薄膜电容的内部子模块的数量，降低电容的容值。

[0009] 在上述技术方案中，增加所述子模块两个电极之间的距离，降低子模块的容值。

[0010] 脉冲形成网络形成波形脉宽由级电容、级电感以及级数综合确定；此处，以均匀型脉冲形成网络加以说明。如：当采用n节均匀网络时，每节级电感L0（即紫铜电极连接片与电容内感之和）一般在几十～百nH，电容内感在20nH左右，紫铜电极连接片电感由矩形截面导线电感计算公式 确定，l为电极连接片长度，b、c分别为矩形电极连接片截面边长。级电容为C0，大小0.8～2nF。每级网络对脉宽的贡献约为10～30ns，具体数值由选择的电容容值及设计的紫铜电极
连接片电感确定；阻抗 一般为几欧～十几欧。n节脉冲形成网络的脉冲宽度τ与阻抗Z分别由公式 确定。

[0011] 方波触发器基于脉冲形成线储能与均压技术，均压电路选用对直流信号和脉冲信号都有较好响应的阻容均压。当薄膜电容Blumlein型脉冲形成网络充电至设定电压V0，方波触发器储能脉冲形成线充电电压为V0/2。此时，方波触发器中低抖动开关对地导通，一个幅值为-V0/2，脉宽为的2τ0（τ0为方波触发器储能脉冲形成线电长度）方波信号向主开关触发极传播。当触发信号到达触发极时，主开关电场强烈畸变，开关导通。

[0012] 本发明的优点在于：通过本发明中的脉冲形成系统，采用了低容值的薄膜电容，使得脉冲形成系统具有抗冲击性好、电气性能优良、工作温度范围宽、本身性能受环境影响小、工作寿命长，可长时间重频工作而不影响系统；方波触发器中采用了均压电路和低抖动开关，使得其能稳定触发脉冲形成网路，实现最终输出的脉冲方波抖动更低、波形幅度更平稳。

附图说明

[0013] 本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：

[0014] 图1是本发明的系统结构框图；

[0015] 图2是本发明Blumlein型脉冲形成网络具体连接图；

[0016] 图3是Blumlein型脉冲形成网络放电曲线图；

[0017] 图4是本发明的一个脉冲波形图；

[0018] 其中：1是薄膜电容、2是紫铜连接片、3是薄膜电容输出端、4是储能脉冲形成线、5是均压电路。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明做进一步的说明。

[0020] 如图1所示，整个脉冲形成系统包括Blumlein型脉冲网络、方波触发器、主开关和连接在Blumlein型脉冲网络输出端的负载，本方案中的Blumlein型脉冲形成网络采用改进后的薄膜电容1，薄膜电容1的容值为0.8-2nF，最终输出的脉冲波形脉宽为100-200ns；采用方波触发器对Blumlein型脉冲网络进行触发，方波触发器包括储能脉冲形成线4、均匀电路5和低抖动开关，该触发器具有触发电压维持时间长、触发抖动低的优点。储能脉冲形成线4的一端与主开关触发极相连接，另一端连接到低抖动开关的阳极；均压电路5的高压端连接Blumlein型脉冲形成网络的主开关阳极，均压端连接到主开关触发极，低压端与脉冲形成网络的接地端相连接；低抖动开关的阳极与储能脉冲形成线相连接，阴极接地。储能脉冲形成线4的电长度是可调的，均匀电路5的各项电路参数也能根据实际需要进行调动，采用低抖动开关为Blumlein型脉冲网络的低抖动、稳定工作奠定基础。

[0021] 在本方案中，为了实现0.8-2nF的薄膜电容1，将传统的薄膜电容进行改进，优化薄膜电容1内部子模块，增加子模块的数量，并将子模块依次串联起来，由C0=C/n（C0为整体电容，C为子模块的电容，n为子模块的个数）可知，整体电容的容值和串联的子模块数量成反比；同时优化子模块内部结构，增加两个电极之间的相互距离，使得两个电极间的介质厚度增加，子模块的容值也就相应的降低。由C0=C/n可以得到，C减小n增加，那么整个薄膜电容1的容值也就必然降低。

[0022] 如图2所示，本发明中薄膜电容1之间的连接采用紫铜连接片2固定在薄膜电容输出端3上，将数个电容连接在一起，薄膜电容输出端3采用宽电极连接三螺钉固定输出。为了增加连接接触面，采用双螺钉将紫铜连接片2固定在薄膜电容输出端3上。紫铜连接片2相隔较远，距离一般在几十～百毫米，利用毕奥-萨伐尔定律可推导出两电极连接片之间的互感为：

[0023] 其中a、b分别为相邻两连接片长度，d为两连接片间距离。通过计算，可知两电极连接片间的互感可基本忽略。

[0024] 本系统的工作过程为，当电源给Blumlein型脉冲形成网络充电至电压V0时，方波触发器中低抖动开关对地导通，一个幅值-V0/2、脉宽2τ0的方波信号向主开关的触发极传播。延时τ0后，主开关中电场强烈畸变，进而发展导通，Blumlein型脉冲形成网络通过其对负载放电。当负载与Blumlein型脉冲形成网络阻抗匹配时，可在匹配负载上获得幅值为V0，脉宽为τ高压脉冲。近负载的电容C1通过电感L1、L11（L1为电极连接片电感，L11为电容内感）向负载放电；经过第一级网络的放电延迟时间 后，C2经过L1，L11，L2，L22向负载开始放电，依次类推。得到每级电容通过电感对负载放电的曲线如图3中实线所示。每级电容的充电电压相同，而由于电容、电感的不同使得放电时间常数不同，因此每级电容对负载放电的电压幅度也不同。通过对每级电容放电波形进行叠加，获得整个脉冲形成网络的脉冲形成波形，如图3中虚线所示。

[0025] 具体实施例：

[0026] 制一个输出电压20kV、脉宽160ns的方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统，Blumlein系统特征阻抗14Ω。

[0027] 低容值、低电感薄膜电容容量为1.5nF，电极连接片长60mm、宽48mm、厚2mm。紫铜电极连接片上通孔孔径为7mm，固定到同一电容上的两孔间距为30mm，通孔距离电极连接片边缘9mm。

[0028] 根据计算，得到每级电极连接片电感为52nH，考虑电容内感20nH；计算得到脉冲形成网络阻抗z～7Ω，每级脉冲形成网络对脉宽的贡献为20ns，160ns脉宽需要的脉冲形成网络级数为8。

[0029] 方波触发器储能脉冲形成线电长度为50ns，即触发脉冲宽度为100ns。均压电路为对直流信号与脉冲信号都有较好响应的阻容均压；均压电阻不仅要起均压作用，而且不能让初级储能通过其较快漏掉，此处选为10MΩ；初级充电电源通过均压电阻放电的同时也对均压电容充电，为保证均压电容对能量的传输效率没有大的影响，均压电容需远小于Blumlein型脉冲形成网络电容24nF，此处选定为525pF。低抖动开关为辉光放电触发赝火花开关。

[0030] 薄膜电容Blumlein型脉冲形成网络充电20kV，在方波触发器触发下；8级Blumlein型脉冲形成网络在匹配负载14Ω上可输出电压20kV，脉宽160ns的脉冲。所设计的准方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统模块尺寸为：600mm×100mm×320mm，3
体积约0.019m。

[0031] 为验证发明的方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统的脉冲形成特性，对其进行了仿真分析。结果表明其能够形成较好的脉冲方波，脉冲宽度约160ns，如图4所示。

[0032] 本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。

[0033] 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。