专利名称：高压磁压缩调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以高重复速率产生纳秒脉冲并且可以用于激光技术，例如用于供给气体和金属蒸气激光器，在污染控制应用中驱动电晕放电，用于产生带电的粒子束等。
背景技术：
HV纳秒脉冲产生技术主要基于电容储能和接通开关。最简单的例子是由火花放电器缩短放电负荷间隙的电容器。虽然在实验室大量应用，但是这些基本的容性系统不能进行脉冲整形，其特点是振荡(ringing)不可控放电并且寿命短。
图1示意地示出的具有磁压缩的电容源代表先进的技术(例如见，Oh J.S.，Cho M.H.，Ko I.S.，Namkung W.and Jang J.H.的“用于DeNOx/DeSOx等离子体系统的30kW平运MPC调制器的工作特性(Operational Characteristics of 30kW Average MPC Modulator forPlasma DeNOx/DeSOxSystem)”.Proc.of 11th IEEE Int.Pulsed PowerConf.，Baltimore，June 29-July 2，1977，pp.1091-1096，and Druckmann I.and Smilanski I.的“由单个磁调制器调制的两个铜激光器的工作(Operation of Two-Copper Lasers by a Single Magnetic Modulator)”.Proc.of 11th IEEE Int.Pulsed Power Conf.，Baltimore，June 29-July 2，1977.)。它们能够用具有微秒级接通时间的全固态开关实现，尽管大多数脉冲器是基于闸流管的。磁开关(MS)将微秒级宽脉冲压缩到所希望的宽度。具有全固态半导体和磁开关的脉冲器具有长寿命和高可靠性。
在图1中所示的脉冲器的一个重大缺点是磁开关的铁芯需要重新磁化。另一个不足之处是当能量在压缩级传递期间变压器脉冲被压缩时输出电压下降。
另一个磁压缩系统描述在Rukin S.N.的“用于脉冲磁压缩的装置”，联邦发明者证书第2089042号，Byul.Izobr.N.24，1997.08.27，p.426，申请提交日期为1993，03.29，并且在图2中示意地示出。这种脉冲器是众所周知的Fitch电路(例如见，Bazelyan E.M.and Raizer Yu.P.“火花放电”，CRC Press，NY，1988，294pp，p.97)，这种脉冲器具有电压放大因此不需要昂贵的重新磁化技术。它的工作原理如下。当开关2接通时，电容1放电并且通过变压器3将电容7和8改变为所示的极性，当变压器3的铁芯饱和时，电容7重新充电到相反的极性，并且加在电容7和8的电压增加一倍。这时，磁开关13的铁芯饱和，并且电压施加于磁开关16以及电容9和10。通过多个压缩级重复所述的过程。类似于第一压缩级的电压加倍，当磁开关16接通时，电容9重新充电到相反的极性，并且加在电容9和10的电压增加一倍，依此类推。电容12的变化通路由负荷4、其寄生电容5和辅助电感器6提供。最后，当磁开关15接通时，电容11和12对负荷4放电。
所述装置的缺点是在例如电晕气隙的开路低电压的气体放电负荷的情况下，没有合适的通路为C12充电，此外，负载电容器5和电感器6一起形成了谐振电路，产生振荡(ringing)双极性脉冲而不是单极性的脉冲。这种现象的一个伴随的缺点是所述结构(topology)的能量效率低。这在电晕放电负荷的情况下，由负荷电压和电流的波形(图3)说明(参见Pokryvailo，A.，Yanklelevich，Y.，Wolf.M.，Abramzon，E.，Shviro，E.，Wald，S.，and Wellemann，A.，的“用于污染控制应用的1KW脉冲电晕系统(A 1KW Pulsed Corona System for Pollution ControlApplication)”，Proc.14thIEEE Int Conf on Pulsed Power，Dallas，15-18June 2003pp.225-228)。
发明内容
本发明旨在提供一种如下面详细描述的新颖的高电压磁压缩调制器。
根据本发明的优选实施例，提供一种高压磁压缩调制器，其包括低压部分和高压部分，该低压部分包括连接于脉冲变压器的初级(低压)绕组的能源(例如充电器)，该高压部分包括连接于电容器的脉冲变压器次级绕组，该电容器连接于磁开关，该磁开关连接于负荷，其特征在于用于(例如利用续流二极管)为电容器充电的单向低阻抗通路并联于该负荷。
在本发明的一个非限制性实施例中，该低压部分包括一个充电器，该充电器正端子连接于储能电容器(storage capacitor)的第一端子并连接于快速大电流整流器的第一端子，而该充电器负端子连接于该整流器的第二端子并连接于升压脉冲变压器的低压绕组的第一端子，该低压绕组的第二端子连接于该储存电容器的第二端子，并且该高压部分这样形成高压变压器绕在铁磁铁芯，所述高压变压器次级绕组并联于第一电容器，并且所述高压变压器第一端子连接于第二电容器的第一端子，所述高压变压器第二端子连接于磁开关的第一端子，该磁开关的第二端子连接于负荷的第一端子，该次级绕组的第二端子连接于该负荷的第二端子。
该快速大电流整流器可以包括闸流晶体管，而铁磁铁芯可以具有矩形磁化曲线。
在本发明的一个非限制性的实施例中，可以连接在该磁开关和该负荷和二极管之间N个附加的压缩级，每一级包括附加的第一磁开关，其绕组并联于该级的第一电容，并且其第一端子连接于该级的第二电容器的第一端子，其第二端子连接于该级的第二附加磁开关绕组的第一端子，第二磁开关绕组的第二端子连接于下一级的第一磁开关的第一端子，该第一磁开关绕组的第二端子连接于该负荷的第二端子并连接于该二极管，并且其第二端子连接于最后压缩级的第二磁开关的第二端子。
该磁开关的任何一个或全部实现在绕在具有矩形磁化曲线的铁磁铁芯上的高压变压器。
图1是说明常规的磁压缩系统的示意图。
图2是说明现有技术系统的示意图。
图3示出现有技术系统的实验性的时序曲线图，具有一个在电晕负荷情况下的压缩级。
图4是根据本发明的高压磁压缩调制器的一个优选实施例。
图5是根据本发明的高压磁压缩调制器的另一个优选实施例。
图6示出在电晕负荷情况下优选实施例的实验性的时序曲线图。
图7是根据本发明的高压磁压缩调制器的另一个优选实施例。
具体实施例方式
本发明旨在提供一种在纳秒范围内用于驱动诸如气体和金属蒸气激光器的脉冲负荷的高效的简单的系统，例如准分子激光器、电晕放电，脉冲加速器等。本发明可以用于产生清洁的单极性的HV脉冲。
本发明的优选实施例示于图4。它可以是基于图2的系统，并且为了清楚起见，仅示出一个压缩级。该装置可以包括由诸如充电器V1的能源、储存电容C1和诸如闸流晶体管的快速大电流整流器S1构成的低压部分。该高压部分可以由绕在优选具有矩形磁化曲线的铁磁铁芯上的脉冲高压变压器T1、两个电容C2和C3、磁开关MS1、负荷Z1以及诸如续流二极管D的单向半导体元件构成。根据本发明装置的功能类似于图1所示的装置，但是具有一个重要的例外，即提供诸如通过续流二极管D的低阻抗单向通路，用于电容器3的充电。这在高阻抗负荷情况下可能非常重要。磁开关MS1的时间延迟可以选择成足够大，以便使二极管D在导通后能够恢复原状。在实际的重要情况中，如实验所示，这种条件是自动实现的，并且该续流二极管D可以是简单的标准快速恢复原状的二极管。在输出端产生极为稳定的单极脉冲。这在类似于图3所示没有使用续流二极管的实验条件下，由在电晕放电负荷情况下的电压和电流的波形所说明。在压缩工作的整个范围中出现反向电压之前，二极管的正向电流(见图5的负摆动)在电容3充电期间下降为零；因而，没有出现明显的二极管反向电流，并且因此可以用一般的廉价的快速复原的二极管。
与现有技术相反，该电路对于电路参数的漂移非常不敏感，并且可以使用具有大温度漂移的廉价的陶瓷电容器。如上所述，该实施例还可以大大地增加从电容器1向负荷传递能量的效率；与没有续流二极管D的15％的效率相比，具有电晕负荷的效率高于50％。
根据本发明的高电压压缩调制器的另一个优选实施例示于图6，与图4实施例的差别仅在于压缩级的数目。利用若干个压缩级，产生急剧上升的高压脉冲；在其它方面，该装置的功能与图4的装置相同。至于磁开关，可以使用可饱和的变压器。
权利要求
1.一种高压磁压缩调制器，其包括低压部分，该低压部分包括连接于脉冲变压器的初级绕组的能源；和高压部分，包括连接于电容器的所述脉冲变压器的次级绕组，所述电容器连接于磁开关，所述磁开关连接于负荷；其特征在于为所述电容器充电的单向低阻抗通路并联于所述负荷。
2.如权利要求1所述的高压磁压缩调制器，其中该低压部分还包括储存电容器和快速大电流整流器，全部与所述脉冲变压器的初级绕组串连成回路，并且其中所述能源包括电容充电器。
3.如权利要求2所述的高压磁压缩调制器，其中所述充电器连接于储存电容器以及该快速大电流整流器。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的高压磁压缩调制器，其中所述脉冲变压器绕在铁磁铁芯上。
5.如权利要求1-4中任一项所述的高压磁压缩调制器，其中，所述低阻抗线路包括续流二极管。
6.一种高压磁压缩调制器，其包括低压部分，包括充电器，充电器第一端子连接于储存电容器的第一端子并且连接于快速大电流整流器的第一端子，充电器第二端子连接于所述整流器的第二端子并且连接于脉冲变压器的低压绕组的第一端子，所述低压绕组的第二端子连接于所述储存电容器的第二端子；以及高压部分，由绕在铁磁铁芯上的高压变压器构成，高压变压器次级绕组并联于第一电容器，并且所述高压变压器第一端子连接于第二电容器的第一端子，并且所述高压变压器第二端子连接于磁开关的第一端子，该磁开关的第二端子连接于负荷的第一端子，所述次级绕组的第二端子连接于所述负荷的第二端子；其特征在于低阻抗通路，用于通过并联于所述负荷的续流二极管为所述第二电容器充电。
7.如权利要求6所述的高压磁压缩调制器，其中所述充电器第一端子是其正端子，而所述充电器第二端子是其负端子。
8.如权利要求6所述的高压磁压缩调制器，其中所述充电器第一端子是其负端子，而所述充电器第二端子是其正端子。
9.如权利要求6-8中任何之一的高压磁压缩调制器，其中所述快速大电流整流器包括闸流晶体管。
10.如权利要求6-9中任何之一的高压磁压缩调制器，其中所述铁磁铁芯具有矩形磁化曲线。
11.如权利要求6-10中任何之一的高压磁压缩调制器，还包括N个连接于所述磁开关和所述负荷和二极管之间的附加的压缩级，每级包括附加的第一磁开关，该级绕组并联于该级的第一电容器并且该级第一端子连接于该级第二电容器的第一端子，该级第二端子连接于该级的第二附加磁开关的绕组的第一端子，第二磁开关绕组的第二端子连接于下一级的第一磁开关的第一端子，所述第一磁开关的所述绕组的第二端子连接于所述负荷的第二端子并且连接于所述二极管，其第二端子连接于最后一个压缩级的第二磁开关的第二端子。
12.如权利要求11所述的高压磁压缩调制器，其中至少一个所述第一磁开关实现为绕在具有矩形磁化曲线的铁磁铁芯上的高压变压器。
全文摘要
一种高压磁压缩调制器，其包括低压部分和高压部分，该低压部分包括连接于脉冲变压器的初级绕组的能源，该高压部分包括连接于电容器的该脉冲变压器的次级绕组，该电容器连接于磁开关，该磁开关连接于负荷，其特征在于用于为该电容器充电的单向低阻抗通路并联于该负荷。
文档编号H03K3/00GK1802790SQ200480016073
公开日2006年7月12日 申请日期2004年6月9日 优先权日2003年6月9日
发明者米基·沃尔夫, 亚历克斯·波克雷瓦伊洛, 叶菲姆·扬克列维奇, 埃利·艾布拉姆松 申请人:索雷克核研究中心