专利名称：基于Fitch电路的重复频率紧凑脉冲倍增器的制作方法
技术领域：
本发明属于脉冲功率领域，具体涉及ー种重复频率的脉冲倍压电路。
背景技术：
现阶段广泛采用的重复频率脉冲倍压电路为ー种免复位的磁压缩电路，其电路构造如附图I所示[1_2]。低压充电电容C1和晶闸管THY1 (或IGBTm)，空心电感L1 (或磁开关 [4])及脉冲变压器PT1的初级绕组串联并构成闭合回路。高压充电电容C2和C3与磁开关 MSl及空心电感L2(或半导体断路开关[5]，上端阳极，下端阴极)串联并构成闭合回路。脉冲变压器次级绕组与高压充电电容C3并联，并构成闭合回路。负载与空心电感L2并联并构成闭合回路。氮氧化物去除需要输出脉冲幅值大于40kV，因此有必要把输入电压倍压到数十千伏并进行上升沿压缩。免复位磁开关电路中脉冲变压器完成了电压倍増的目标。然而，脉冲变压器需要把几百伏的电压倍増到几十千伏，因此其变比很大。这会带来两个问题1、变比大要求初级绕组不能很多，否则次级绕组太多而难以实现。这样ー来，为了保证脉冲变压器在输入脉冲到达峰值前不饱和，其磁芯截面积必须很大，这导致脉冲变压器体积很大，不利于脉冲源的小型化。2、文献[5]记载，输出电压幅值在IOkV或以下的脉冲变压器空气绝缘即可，而幅值在IOkV到50kV之间的脉冲变压器需要油纸混合绝缘，这将极大地増加脉冲变压器重量，不利于其小型化和便携化。文献6提出了一种脉冲电压倍増电路。其中，N个电容串联，且相间的电容两端并联空心电感，空心电感和电容通过球隙连接。各级电容通过电阻连接，电阻的作用是为电容充电提供回路。当电容通过电阻充电完成后，各级球隙同步导通，相间的电容和空心电感电压进行谐振。当电压极性完全反转时，输出端得到N倍的输入电压。但是，文献6提出的电路具有如下缺点1、电容通过电阻充电，充电时间很长，无法做到重复运行。2、采用球隙作为开关，其绝缘恢复时间和电极烧蚀也限制了整套系统的重复运行频率。[I]张冬冬，严萍，王钰，等.单级磁脉冲压缩系统实验研究[J]，强激光与粒子束， 2008 20(8)，1397-1410.[2]张冬冬，严萍，王钰，等.单级磁脉冲压缩系统分析[J]，高电压技木，2009， 35(3) :661-666.[3]Scott J. Pendleton,Daniel Singleton,Andras Kuthi,et al. Compact solid state high repetition rate variable amplitude pulse generator[J]2009. PPC' 09. IEEE. 2009 :922-925.[4]A. Pokryvailo, Y. Yankelevich, M. Wolf,et al. A IKff pulsed corona system for pollution control applications[J]2003. PPC' 03. IEEE. 2003 :225-228.[5]F. Zagulov, V. Kladukhin, D. Kuznetsov, et al. A high-current nanosecond electron accelerator with a semiconductor opening switchlJ」Instruments andExperimetal Techniques. 2000,43(5) :647-651[6]Richard Anthony Fitch, Mortimer. “Electrical Pulse Generator”，US Patent nr 3,366, 799,30.
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种重复频率的紧凑脉冲倍压器。这个倍压器级联在脉冲变压器之后，把脉冲变压器的输出脉冲进行二次倍压，从而减小脉冲变压器的变比和输出电压幅值，使其体积及重量极大减小。具体如下本发明提出的脉冲倍増器工作原理是对电容进行并联充电，充电时，使得相邻电容充电电压大小相同，方向相反。待充电完成后，相间的充电电容(即第1，3,5…或第2,4, 6…个充点电容)和饱和后的磁开关进行振荡放电，当其电压翻转到负向时，输出端即产生一个倍压后的脉冲。本专利提出基于Fitch电路的重复频率紧凑脉冲倍增器的结构如下一种基于Fitch电路的重复频率脉冲倍増器，需要倍増的输入电压正极通过ー电感连接到该倍增器的一端，负极直接与倍増器的另一端相连，该倍增器包括N个并联的电容，与所述输入电压负极相连的第n个电容和n+1个电容的两端之间连接有ー耦合电感和高频硅堆的串联电路；与所述输入电压正极相连的第n+1个电容和n+2个电容的两端之间连接有另ー耦合电感；n = 1,3,5……；所有耦合电感均耦合在一个磁芯上；多个所述ー耦合电感的同名端排列保证电容充电时流过电感电流总和抵消为0 ;多个所述另ー耦合电感同名端方向一致；第11个电容两端并联可饱和电感。所有可饱和电感耦合在一个磁芯上。假设可饱和电感饱和后和其并联的电容电压完全翻转为负极性且值相同，在位于电容组的某一侧的耦合电感串联的所述高频硅堆，阻止相邻电容之间的放电。另外，还应保证电容组内的另一侧耦合电感同名端方向一致。本发明的有益效果是本发明所述脉冲倍增器的原理与Fitch在1964年的美国专利[6]有相似之处，即都是利用电容充满电后极性翻转实现倍压。但是本专利所述电路和传统Fitch电路有显著区别1、充电回路由耦合电感而不是电阻构成，从而保证充电时间较短，可饱和电感的伏秒积更小。2、控制电感与电容振荡开始不是靠气体开关，而是可饱和电感(磁开关)。磁开关没有电极烧蚀和绝缘恢复的问题，从而使得本电路可以在高重复频率下运行。
图I是免复位磁压缩电路拓扑图。图2是四级脉冲倍增器仿真电压波形图。图3是五级脉冲倍增器仿真电压波形图。图4是八级脉冲倍增器仿真电压波形图。图5四级脉冲倍增器电路图。图6四级脉冲倍增器实验电压波形图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细描述。实施例I :设计了四级脉冲倍増器，其电路图见附图3 1、4个充电电容C6-C9并排放置，且C6与C7的上端，C7与C8的下端，C8与C9的
上端连接。2、相邻电容未连接的引脚(即C6下端与C7上端，Cl下端与C8上端，C8下端与 C9上端)通过耦合电感连接在一起。按照图示的同名端连接，在电容充电时，耦合电感流过电流总和为零，这可以解释如下。假设充电时每个电容充电波形一致，因此任何时刻其充电电流i相同。则根据图中的稱合电感连接，可以得到:流过!^的电流iL1 = 4i. iL2 = 3i. iL3 =2i. iL4 = i.而L1与L3为同名端流过电流，L2与L4为异名端流过电流，因此总电流为零。3、C6与C8两端并联可饱和电感MS3和MS4，且二者耦合在一个磁芯上。4、L2和L4串联高频硅堆Dl和D2，从而防止C6及C8电压翻转后，Cl及C9分别向他们放电。由于电容组内另一次耦合电感只有L3 —个，因此不存在其同名端方向一致的问题。本电路的工作原理符合专利所述的脉冲倍增器的工作原理，简述如下1、C5被前级电路充电到U。时，磁开关MS2饱和，随后C5通过MS2的饱和电感开始向脉冲倍增器谐振充电。在此充电阶段，脉冲倍増器的耦合电感的电流总和为0，从而保证其可视为短路。因此，脉冲倍増器相当于四个电容C6-C9并联。2、当C6-C9谐振充电到峰值Utl时，磁开关MS3及MS4饱和，C6与MS3，C8与MS4谐振放电。而由于此时耦合电感及ニ极管起到级间隔离作用，因此C7及C9上电压保持几乎不变。3、当C6及C8两端电压振荡到约-Uci时，四个电容串联电压之和从0下降为_4uQ， 即输出(C9下端对C6下端)脉冲电压，且幅值为4u，从而实现脉冲倍増4倍的目标。实施例2 如图4所示，为五级脉冲倍増器五级脉冲倍増器的结构相当于四级脉冲倍増器的末级电容并联耦合电感L18与电容C24的串联，且电容C24与磁开关M13并联。另外，为了保证充电时耦合电感流入净电流为零，L15与同匝数的耦合电感L16串联，且L14与L17的耦合方向与四级脉冲倍増器的相反。实施例3 如图5所示，为八级脉冲倍増器，和四级脉冲倍増器相比，八级脉冲倍増器的结构相当于两个四级脉冲倍増器级联后，将上图中L5和Lll的耦合方向取反。耦合电感的这种排列方式是为了保证八级脉冲倍増器在充电时耦合电感流入净电流为零，并且上排耦合电感的耦合方向一致。根据上述设计方法，可以设计出不同级数(N个电容就是N级)的脉冲倍増器，他们具有脉冲幅值倍增与上升沿压缩的双重效果。利用Matlab Simulink模块对四级脉冲倍增器进行电路仿真，得到了各级电容电压及输出电压波形，如附图2所示。可见，各级电压在充电阶段波形一致，表明耦合电感此时等效阻抗很低。在25iis内，电容电压充到100V时，磁开关饱和，两级电容电压在2 ii s翻转，输出电压-382V.因此，电压倍增效率为95. 5%，脉冲压缩倍数为12. 5倍。实验搭建了四级脉冲倍増器，如附图3所示。第一级电容及输出电压波形如附图 4所示。可见，在15ii s内，电容电压充到400V。随后，磁开关饱和，在5 ii s内，输出脉冲幅值I. 44kV.因此，电压倍增效率为90%，上升沿压缩倍数为3倍。
权利要求
1.一种基于Fitch电路的重复频率脉冲倍增器，需要倍增的输入电压正极通过一可饱和电感或磁开关连接到该倍增器的一端，负极直接与倍增器的另一端相连，其特征在于 该倍增器包括N个并联的电容，与所述输入电压负极相连的第η个电容和η+1个电容的两端之间连接有一耦合电感和高频硅堆的串联电路；与所述输入电压正极相连的第η+1个电容和η+2个电容的两端之间连接有另一耦合电感；η = 1,3,5……；所有耦合电感均耦合在一个磁芯上；多个所述一耦合电感的同名端排列保证电容充电时流过电感电流总和抵消为 O ;多个所述另一耦合电感同名端方向一致；第η个电容两端并联可饱和电感。
2.根据权利要求I所述的脉冲倍增器，其特征在于所有可饱和电感耦合在一个磁芯上。
3.根据权利要求I所述的脉冲倍增器，其特征在于Ν为4或5或8。
全文摘要
一种基于Fitch电路的重复频率脉冲倍增器，需要倍增的输入电压正极通过一可饱和电感或磁开关连接到该倍增器的一端，负极直接与倍增器的另一端相连，该倍增器包括N个并联的电容，与所述输入电压负极相连的第n个电容和n+1个电容的两端之间连接有一耦合电感和高频硅堆的串联电路；与所述输入电压正极相连的第n+1个电容和n+2个电容的两端之间连接有另一耦合电感；n＝1，3，5……；多个所述一耦合电感的同名端排列保证电容充电时流过电感电流总和抵消为0；多个所述另一耦合电感同名端方向一致；第n个电容两端并联可饱和电感。本发明的脉冲倍增器充电时间较短，可饱和电感的伏秒积更小；磁开关没有电极烧蚀和绝缘恢复的问题，从而使得本电路可以在高重复频率下运行。
文档编号H02M3/06GK102594127SQ20121005377
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者丁卫东, 任航, 吴佳玮 申请人:西安交通大学