专利名称：一种组合脉冲形成网络的制作方法
技术领域：
本实用新型属于脉冲功率技术领域，具体地说涉及了一种组合脉冲形成网络。
背景技术：
高功率脉冲技术是通过把“慢”存储起来的具有较高密度的能量从空间和时间上 进行快速的压缩，转换或直接输出给负载来实现的。近50年来，高功率脉冲技术迅速发展 引人注目。目前，已经能够在很短的时间内生成数十兆电子伏，高达数兆安培量级的强流电 子束和离子束。目前使用的规模较大的脉冲功率系统，其基本原理是首先生成电压上升时 间为微秒量级的高压慢脉冲，再由功率形成系统转化为高压大功率的快脉冲(电压的上升 时间一般在纳秒级)。高功率脉冲技术在日益广泛应用的同时，一些新的应用技术对高功率脉冲电源提 出了新的要求。以脉冲等离子体岩石破碎技术为例，该技术要求的脉冲电源在岩石击穿前 后提供特性阻抗完全不同的电压脉冲。具体的说，在岩石击穿前，负载需要电压上升时间 很短的高压短脉冲来实现对岩石的电击穿(脉冲上升时间< 100ns，电压上升速率> 3kV/ ns)；在岩石击穿后，需要一段后续的长脉冲对电击穿形成的等离子体通道进行加热(脉宽 需要在200 500ns)，进而实现岩石的破碎。简单的说，第一个阶段需要电源提供高的电 压(小的电流)，第二个阶段需要电源提供大的电流(低的电压)。然而，现有应用于这些 领域的高压脉冲电源，如Marx发生器，L-C倍压器等，都是同是同时提供高的电压和大的电 流装置，当负载的阻抗急剧变小时，大量的电功率都消耗在限流电阻上，不但浪费大量的电 能，而且发热会引起电子器件的烧蚀，降低了电源的使用寿命。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种与变阻抗的负载相匹配的组合脉冲形成网络。为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是该组合脉冲形成网络主要包 括脉冲形成线、储能电容器、开关和脉冲传输线，所述脉冲形成线的输出端分别与储能电容 器的高压端和开关的阳极相连，储能电容器的低压端接地，开关的阴极与脉冲传输线的输 入端连接。进一步地，本实用新型还包括初级高压脉冲充电电源，该初级高压脉冲充电电源 与脉冲形成线的输入端相连。与现有技术相比，本实用新型的主要优点是该脉冲形成线网络能够实现在负载 阻抗高时提供高电压使其击穿，负载阻抗变低后提供后续的长脉冲实现对其特定的物理加 工或化学反应。与现有的高压脉冲电源相比，本实用新型不需要在电路中加入大的限流电 阻(该限流电阻在现有的高压脉冲电源中是为了减弱大电流对电源内部器件的冲击)，因 而大大提高了能量利用效率，电源的寿命也得到了极大的提高。该组合脉冲形成网络可以 广泛应用在等离子岩石破碎、材料的电加工等领域。
图1是本实用新型一种组合脉冲形成网络的工作电路图；图2是本实用新型一种组合脉冲形成网络应用于脉冲等离子体钻井技术时的工 作电路图。
具体实施方式
在图1中，初级高压脉冲充电电源1的输出端连接到脉冲形成线2的输入端；脉冲 形成线2的输出端分别与储能电容器4的高压端和开关3的阳极相连，储能电容器4的低 压端可靠接地，开关3的阴极与脉冲传输线5的输入端相连；脉冲传输线5的输出端与负载 6的工作电极相连。本实用新型组合脉冲形成网络中的脉冲形成线2可以采用同轴电缆、平板脉冲形 成线、人工形成线或其它任何形式的脉冲成形系统；储能电容器3为低电感、可重复充放电 的高压陶瓷电容或其它形成的电容；开关4为低电感、耐高压和长寿命的大电流开关。利用本实用新型组合式脉冲形成网络形成组合脉冲的过程是初级高压脉冲充电 电源1给脉冲形成线2和储能电容4充电直至预定值。充电结束后，开关3的触发装置发 生动作并使开关3导通，生成与储能电容器4上电压幅值相等的高压短脉冲，该高压短脉冲 由脉冲传输线5传输到负载6的工作电极上，负载6在短脉冲高压作用下发生击穿，特性阻 抗下降，当短脉冲高压幅值衰减到一半时，脉冲形成线2生成后续的长脉冲继续对负载6供 电，实现对其特定的物理加工或化学反应。经过一段时间，又重复上述过程，达到所要求的 重复频率。负载6在击穿前后，特性阻抗变化很大，该组合式脉冲形成网络能够实现与这类 变阻抗的负载相匹配，与现有应用于这类变阻抗负载的高压电脉冲电源相比，大幅度提高 了能量利用效率和延长了电源的使用寿命。如图2所示，当本实用新型组合脉冲形成网络应用于脉冲等离子体钻井技术时， 初级高压脉冲充电电源1采用50Hz、220V的普通照明电源予以供电，用户根据负载的需求 设定充电电压和充电频率，当电压达到设定值后，即停止充电，并触发晶闸管开关导通，对 脉冲形成线2和储能电容器4充电(充电电压大于40kV)。本实施例中，开关3采用的是自 触发式火花开关，具体的说是该开关的触发回路是由触发电感8、触发电容9和触发电阻10 组成的，其工作过程是触发电容9和储能电容器4同时被充电至最大值，由于触发电容9 的电容值远小于储能电容器4的电容值，触发电阻10上的电压会迅速的跌落，火花间隙11 在过电压下击穿。生成的高压短脉冲传入脉冲传输线5，脉冲传输线5将生成的组合脉冲传 输至岩石7的工作电极上。岩石在高压短脉冲的作用下发生击穿。脉冲形成线2生成后续 低电压长脉冲(约20kV，脉宽300 500ns)对等离子体通道加热，实现对岩石的微爆。重 复上述过程，可达到数百Hz的脉冲频率，从而实现对岩石的快速钻井。其中，采用相关部件的性能参数是初级高压脉冲充电电源7的充电电压0 100kV，标称功率3kW，脉冲输出能量1 20J连续可调，充电重复频率1 50J连续可调。脉 冲形成线8采用5根5米长的RG218电缆并联而成。储能电容器4由8个2. SnF的高压陶 瓷电容并联而成。开关3为LCR触发的多级多通道火花隙开关。触发电感8大小为30nH， 触发电容9的电容值为400pF，触发电阻10的电阻值为IM Ω。脉冲传输线2为1根10米 长的水电缆，该水电缆的特性阻抗为4Ω。等离子体钻头电极为3对针状电极，高低压电极
4间距为3mm，绝缘液选用去离子水(电导率小于1 μ S/cm)，破碎的岩石为砂岩。本组合脉冲 形成网络运行参数是峰值功率200MW电压峰值40kV高压短脉冲的上升时间< 30ns后续长脉冲脉宽300 500ns脉冲重复频率50Hz该系统能够实现岩石的快速钻井，破碎岩石的电耗< 500j/cm3。
权利要求一种组合脉冲形成网络，其特征在于包括脉冲形成线、储能电容器、开关和脉冲传输线，所述脉冲形成线的输出端分别与储能电容器的高压端和开关的阳极相连，储能电容器的低压端接地，开关的阴极与脉冲传输线的输入端连接。
2.根据权利要求1的一种组合脉冲形成网络，其特征在于还包括初级高压脉冲充电 电源，该初级高压脉冲充电电源与脉冲形成线的输入端相连。
专利摘要本实用新型公开了一种组合脉冲形成网络，主要包括脉冲形成线、储能电容器、开关和脉冲传输线，其连接关系是脉冲形成线的输出端分别与储能电容器的高压端和开关的阳极相连，储能电容器的低压端接地，开关的阴极与脉冲传输线的输入端连接。本实用新型组合式脉冲形成网络可实现与变阻抗负载相匹配，在负载阻抗高时提供短脉冲高压使其击穿，在阻抗变低后提供后续的长脉冲完成对负载特定的物理加工或化学反应。与现有应用于这类变阻抗负载的高压脉冲电源相比，该组合式脉冲形成网络大大提高了能量利用效率和延长了电源的使用寿命。
文档编号H02M9/06GK201656807SQ20092029561
公开日2010年11月24日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者章志成, 章旭明, 邓官垒, 阎克平 申请人:浙江大学