专利名称：一种产生高压纳秒脉冲的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于高电压电工电器技术和脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种产生高压纳秒脉冲的装置。
背景技术：
脉冲电压的前沿时间是指电脉冲的电压从零上升到峰值所需的时间。在科学实验和特殊工业生产中，快前沿的高电压脉冲有着非常重要的应用。如在脉冲大电流气体开关领域中，常采用快前沿的高压电脉冲作为两电极开关导通的触发信号；在高压测量领域，快前沿的高压方波用来检测冲击电压分压器的方波响应；在超宽带源中，快脉冲的前沿时间决定了透射谱的高频成分。 目前，常用于产生高压纳秒脉冲的装置有充电电缆型、多级充电电容器型、脉冲变压器型。充电电缆型高压纳秒脉冲装置在产生百千伏级高压纳秒脉冲时，装置中高压输出端的绝缘难以处理，由此常用于产生几千伏至几十千伏的高压脉冲。多级充电电容器型高压纳秒脉冲装置可以通过调节电容器的级数及单级充电电压，以调节输出脉冲高压的幅值，但由于装置中使用了较多的电容器及开关间隙，结构及同步都较为复杂。脉冲变压器型高压纳秒脉冲装置常用于产生较高的脉冲电压输出，但在传统此类装置中，对脉冲变压器输出脉冲高压的脉宽、功率有较高的要求，从而造成整个装置体积较大、重量较重。
实用新型内容针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种利用脉冲变压器和固体开关元件产生高压纳秒脉冲的装置，旨在解决现有装置结构复杂、输出的高压纳秒脉冲不稳定的问题。为实现上述目的，本实用新型提供了一种产生高压纳秒脉冲的装置，包括供电电源、隔离变压器、充电单元、固体开关元件、光电转换器、触发单元、脉冲变压器、原方电容器、副方电容器和陡化间隙开关，供电电源通过隔离变压器与充电单元相连，用于对原方电容器进行充电，光电转换器用于从外界接收光信号，并将光信号转换为电信号，触发单元与光电转换器相连，用于根据电信号产生电触发信号，以控制固体开关元件的导通，固体开关兀件与充电单兀和原方电容器相连，脉冲变压器的输入端与原方电容器相连，输出端与副方电容器相连，用于提升电压，陡化间隙开关与脉冲变压器和副方电容器相连，用于将脉冲变压器提升后的电压进行陡化处理，以获得纳秒脉冲高压。供电电源为高压直流电源，固体开关元件为脉冲晶闸管或绝缘栅双极型晶体管并联续流二极管组成，脉冲变压器为磁芯式脉冲变压器或空芯式脉冲变压器。原方电容器和副方电容器的电容量满足以下条件CX >> n2Cy，其中Cx为原方电容器的电容量，Cy为副方电容器的电容量，n为脉冲变压器的匝数比，且n > I。通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本实用新型具有以下的有益效果(I)本实用新型利用陡化间隙开关对脉冲变压器产生的脉冲高压进行陡化，得到纳秒脉冲高压，该使用中只对脉冲变压器副方电容器上得到的脉冲高压幅值有要求，对脉宽、功率没有很高的要求。由于没有功率的限制，且利用脉冲变压器谐振充电原理，与一般大功率脉冲变压器相比，该装置中使用的脉冲变压器的结构更加紧凑、体积更加小巧、造价更加低廉，具有工程应用价值；(2)脉冲变压器与陡化间隙开关配合使用，通过调节陡化间隙开关内主电极的间隙距离及所充气体气压大小，可以调节陡化后输出脉冲电压的幅值及前沿时间，使其满足需要。相较于利用磁开关对脉冲前沿时间进行压缩或通过优化回路杂散参数减小脉冲前沿时间等方法，本实用新型采取的脉冲陡化方法操作方便且可以减小装置的复杂程度。
图I是本实用新型产生高压纳秒脉冲的装置的示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，
以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。如图I所示，本发明产生高压纳秒脉冲的装置包括供电电源I、隔离变压器2、充电单兀3、固体开关兀件4、光电转换器5、触发单兀6、脉冲变压器7、原方电容器C1、副方电容器(2和陡化间隙开关8。供电电源I通过隔离变压器2与充电单元3相连，用于对连接在脉冲变压器7原方绕组的原方电容器C1进行充电。在本实施方式中，供电电源I为高压直流电源，原方电容器C1为高压金属化膜电容器。光电转换器5用于从外界接收光信号①，并将光信号①转换为电信号。触发单兀6与光电转换器5相连,用于根据电信号产生电触发信号，以控制固体开关元件4的导通。固体开关兀件4与充电单兀3和原方电容器C1相连。在本实施方式中，固体开关元件4为脉冲晶闸管或绝缘栅双极型晶体管并联续流二极管组成。脉冲变压器7的输入端与原方电容器C1相连，输出端与脉冲变压器7副方绕组的副方电容器C2相连，用于提升电压。在本实施方式中，脉冲变压器7为磁芯式脉冲变压器或空芯式脉冲变压器，副方电容器C2为高压陶瓷电容器。陡化间隙开关8与脉冲变压器7和副方电容器C2相连，用于将脉冲变压器7提升后的电压进行陡化处理，以获得纳秒脉冲高压②。本实用新型的工作原理如下供电电源I经过隔离变压器2、充电单元3对原方电容器C1进行充电，隔离变压器2的作用是将该高压纳秒脉冲产生装置与供电电源I隔离，防止纳秒高压产生时造成供电电源I所在系统中地电位抬升从而损坏供电电源I。固体开关元件4中续流二极管避免了功率半导体器件承受反向电压，从而起到保护作用。固体开关元件4的导通控制模块由光电转换器5与触发单元6组成，使用时光电转换器5接收外界提供的光信号①，将之转换为电信号控制触发单元6产生固体开关元件4导通所需的触发信号。该控制方法简单且安全可靠。原方电容器C1充电完成后，控制固体开关元件4导通，原方电容器C1瞬时放电，脉冲变压器7原副方绕组产生磁耦合，副方电容器C2上得到脉冲高压。本实施方式中，原方电容器C1、副方电容器C2的电容量选择要满足以下条件Cx>>n2Cy，其中Cx为原方电容器C1的电容量、Cy为副方电容器C2的电容量、n为脉冲变压器的匝数比(n > I)。按此方法设计本专利提及的装置参数，可以满足脉冲变压器谐振充电的条件，理想状态下副方电容器C2上得到的高压脉冲幅值可从IiU1增加达到211 ，其中U1为原方电容器C1上的充电电压。即使脉冲变压器存在漏感，副方高压脉冲幅值也要明显大于IiUlt5由此，利用本专利提出的谐振充电参数条件，可以使得匝数比较小的脉冲变压器实现大于原设计匝数比的副方输出电压，从而在所需高压脉冲幅值一定时，显著减小脉冲变压器装置的匝数比、体积、重量及复杂程度，使装置更加紧凑且降低成本。副方电容器C2上得到的脉冲高压经过陡化间隙开关8做陡化处理，即可得到高压 纳秒脉冲②。通过调节陡化间隙开关8内主电极的间隙距离和所充气体气压大小，可以调节陡化间隙开关8的自击穿电压和电压降落时间，由此调节输出纳秒脉冲高压②的幅值及前沿时间。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种产生高压纳秒脉冲的装置，包括供电电源、隔离变压器、充电单元、固体开关元件、光电转换器、触发单元、脉冲变压器、原方电容器、副方电容器和陆化间隙开关，其特征在于， 所述供电电源通过所述隔离变压器与所述充电单元相连，用于对所述原方电容器进行充电； 所述光电转换器用于从外界接收光信号，并将所述光信号转换为电信号； 所述触发单元与所述光电转换器相连，用于根据所述电信号产生电触发信号，以控制所述固体开关元件的导通； 所述固体开关元件与所述充电单元和所述原方电容器相连； 所述脉冲变压器的输入端与所述原方电容器相连，输出端与所述副方电容器相连，用于提升电压； 所述陡化间隙开关与所述脉冲变压器和所述副方电容器相连，用于将所述脉冲变压器提升后的电压进行陡化处理，以获得纳秒脉冲高压。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于， 所述供电电源为高压直流电源； 所述固体开关元件为脉冲晶闸管或绝缘栅双极型晶体管并联续流二极管组成； 所述脉冲变压器为磁芯式脉冲变压器或空芯式脉冲变压器。
3.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述原方电容器和所述副方电容器的电容量满足以下条件CK n2Cy ,其中Cx为所述原方电容器的电容量，Cy为所述副方电容器的电容量，n为所述脉冲变压器的匝数比，且n> I。
专利摘要本实用新型公开了一种产生高压纳秒脉冲的装置，包括供电电源、隔离变压器、充电单元、固体开关元件、光电转换器、触发单元、脉冲变压器、原方电容器、副方电容器和陡化间隙开关，供电电源通过隔离变压器与充电单元相连，用于对原方电容器进行充电，光电转换器用于从外界接收光信号，并将光信号转换为电信号，触发单元与光电转换器相连，用于根据电信号产生电触发信号，以控制固体开关元件的导通，固体开关元件与充电单元和原方电容器相连，脉冲变压器的输入端与原方电容器相连，输出端与副方电容器相连，用于提升电压，陡化间隙开关用于对提升后的电压进行陡化处理。本实用新型的装置结构简单，输出的高压纳秒脉冲稳定。
文档编号H02M9/00GK202565195SQ201220159378
公开日2012年11月28日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者李黎, 林福昌, 冯希波, 刘毅, 鲍超斌, 周正阳 申请人:华中科技大学