一种PFN脉冲发生器

本发明属于脉冲功率，具体涉及一种pfn脉冲发生器，以及模块化的pfn-marx脉冲发生器。

背景技术：

1、开关是脉冲功率源中至关重要的元件，传统的气体开关具有较高的电压和电流容量，但是不适合应用于需要稳定输出和高重复频率的脉冲发生器。现阶段半导体开关因其具有耐用性、紧凑型和高重复频率而广泛应用，但是其输出电压和电流受到开关额定电压和电流限制。

2、磁开关由于其具有气体开关和半导体开关的所有优点而得到了越来越广泛的关注，尤其是可饱和脉冲变压器不仅具有变压器升压功能又有磁开关控制放电的作用。磁开关导通后无法自主断开，所以磁开关通常与脉冲形成线(pfl)或脉冲形成网络(pfn)联合使用来得到方波输出。现有技术中的pfn脉冲发生器通常只能输出电压为充电电压的一半，其次每一级都由不同开关控制不仅使系统复杂，而且开关的抖动降低了系统的可靠性。同时，磁开关的饱和电感对输出波形和上升时间具有显著影响，容易导致充电不同步、上升沿较长、电压较低、脉冲稳定性差、频率低以及能量效率低等问题。现有技术存在不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种pfn脉冲发生器，旨在解决磁开关的饱和电感对输出波形和上升时间的影响，以及脉冲发生器放电过程中可饱和变压器处于反向饱和时对原边造成影响并导致能量损失，这些问题的其中之一。

2、本发明提供了一种pfn脉冲发生器，包括依次连接的初级充电单元、可饱和脉冲变压器单元、pfn单元和负载单元；所述pfn单元至少包括一级pfn模块；所述可饱和脉冲变压器单元的线圈组数量与所述pfn模块的级数对应；所述可饱和脉冲变压器单元的次级线圈作为饱和电感，与一级所述pfn模块的初级lc电路共用一个电感；一级所述pfn模块至少包括5组由电感与电容串联构成的lc电路。

3、本发明还提供一种pfn单元至少包括两级pfn模块的pfn脉冲发生器；其中，第二级pfn模块连接在所述第一级pfn模块与地线之间，与所述第一级pfn模块构成级联形式；所述可饱和脉冲变压器单元设有第二线圈组为所述第二级pfn模块的供电；所述第二线圈组的次级线圈作为饱和电感，与所述第二级pfn模块的初级lc电路共用一个电感。

4、本发明通过将pfn脉冲发生器电路中可饱和变压器副边即次级线圈，作为pfn模块中的lc电路的一部分，通过次级线圈与lc电路共同使用一个电感，消除了可饱和变压器电感对输出波形和上升时间的影响，保证了输出波形的质量。同时，通过在pfn脉冲发生器电路中的pfn单元中采用多级pfn模块串联的级联结构，使每一级pfn模块依次叠加进行串联放电，有效提高了pfn脉冲发生器的输出电压。

技术特征：

1.一种pfn脉冲发生器，包括依次连接的初级充电单元、可饱和脉冲变压器单元、pfn单元和负载单元；其特征在于，所述pfn单元至少包括一级pfn模块；所述可饱和脉冲变压器单元的线圈组数量与所述pfn模块的级数对应；所述可饱和脉冲变压器单元的次级线圈作为饱和电感，与一级所述pfn模块的初级lc电路共用一个电感；一级所述pfn模块至少包括5组由电感与电容串联构成的lc电路。

2.如权利要求1所述的pfn脉冲发生器，其特征在于，所述初级充电单元包括：电源v0、电感l0、电容c0和开关s；所述电源v0的负极接地线；所述电感v0的首端连接所述电源v0的正极；所述电容c0的一端连接所述电感l0的尾端，另一端作为所述初级充电单元的输出端；所述开关s连接在所述地线和所述电感l0的尾端之间。

3.如权利要求2所述的pfn脉冲发生器，其特征在于，所述可饱和脉冲变压器单元的第一线圈组包括：分别缠绕在闭合磁环两端的初级线圈spt11和次级线圈spt21；所述初级线圈spt11的首端连接所述初级充电单元的输出端；所述初级线圈spt11的尾端连接地线；所述初级线圈spt11的尾端和所述次级线圈spt21的尾端为同名端。

4.如权利要求3所述的pfn脉冲发生器，其特征在于，所述pfn单元的第一级pfn模块包括：电感l11、电感l12、电感l13、电感l14、电感l15、电容c11、电容c12、电容c13、电容c14、电容c15和二极管d1；所述电感l11、所述电感l12、所述电感l13、所述电感l14和所述电感l15依次首尾串联；所述电容c11连接在所述电感l11的尾端和所述二极管d1的正极之间；所述电容c12连接在所述电感l12的尾端和所述二极管d1的正极之间；所述电容c13连接在所述电感l13的尾端和所述二极管d1的正极之间；所述电容c14连接在所述电感l14的尾端和所述二极管d1的正极之间；所述电容c15连接在所述电感l15的尾端和所述二极管d1的正极之间；所述二极管d1的负极连接地线；所述电感l11的首端连接所述二极管d1的负极；所述电感l11与所述次级线圈spt21为同一个元件。

5.如权利要求4所述的pfn脉冲发生器，其特征在于，所述负载单元包括电阻r；所述电阻r一端连接所述二极管d1的正极，一端连接地线。

6.如权利要求5所述的pfn脉冲发生器，其特征在于，所述pfn单元至少包括两级pfn模块；其中，第二级pfn模块连接在所述第一级pfn模块与地线之间，与所述第一级pfn模块构成级联形式；所述可饱和脉冲变压器单元设有第二线圈组为所述第二级pfn模块的供电；所述第二线圈组的次级线圈作为饱和电感，与所述第二级pfn模块的初级lc电路共用一个电感。

7.如权利要求6所述的pfn脉冲发生器，其特征在于，所述第二级pfn模块包括：电感l21、电感l22、电感l23、电感l24、电感l25、电容c21、电容c22、电容c23、电容c24、电容c25和二极管d2；所述电感l21、所述电感l22、所述电感l23、所述电感l24和所述电感l25依次首尾串联；所述电容c21连接在所述电感l21的尾端和所述二极管d2的正极之间；所述电容c22连接在所述电感l22的尾端和所述二极管d2的正极之间；所述电容c23连接在所述电感l23的尾端和所述二极管d2的正极之间；所述电容c24连接在所述电感l24的尾端和所述二极管d2的正极之间；所述电容c25连接在所述电感l25的尾端和所述二极管d2的正极之间；所述二极管d2串联在所述二极管d1与地线之间，所述二极管d2的负极连接地线，所述二极管d2的正极连接所述二极管d1的负极；所述电感l21的首端连接二极管d2的负极。

8.如权利要求7所述的pfn脉冲发生器，其特征在于，所述第二线圈组包括分别缠绕在闭合磁环两端的初级线圈spt12和次级线圈spt22；所述初级线圈spt12的首端连接所述初级充电单元的输出端；所述初级线圈spt12的尾端连接地线；所述初级线圈spt12的尾端和所述次级线圈spt22的尾端为同名端：所述次级线圈spt22作为所述第二线圈组的饱和电感与所述电感l21为同一个元件。

9.如权利要求8所述的pfn脉冲发生器，其特征在于，第三级pfn模块连接在所述第二级pfn模块与地线之间，与所述第一级pfn模块和第二级pfn模块构成级联形式；所述可饱和脉冲变压器单元设有第三线圈组为所述第三级pfn模块的供电；所述第三线圈组的次级线圈作为饱和电感，与所述第三级pfn模块的初级lc电路共用一个电感。

10.如权利要求1-9任一项所述的pfn脉冲发生器，其特征在于，所述pfn脉冲发生器通过调整所述pfn单元中每一级pfn模块的电容器和电感的参数或数量来控制输出阻抗、脉宽；通过所述可饱和脉冲变压器单元的线圈组的匝数和磁芯尺寸调节输出电压。

技术总结
本发明适用脉冲功率技术领域，具体涉及一种PFN脉冲发生器，该PFN脉冲发生器包括依次连接的初级充电单元、可饱和脉冲变压器单元、PFN单元和负载单元；本发明通过将PFN脉冲发生器电路中可饱和变压器副边即次级线圈，作为PFN模块中的LC电路的一部分，通过次级线圈与LC电路共同使用一个电感，消除了可饱和变压器电感对输出波形和上升时间的影响，保证了输出波形的质量。同时，通过在PFN脉冲发生器电路中的PFN单元中采用多级PFN模块串联的级联结构，使每一级PFN模块依次叠加进行串联放电，有效提高了PFN脉冲发生器的输出电压。

技术研发人员：庄杰,庄龙宇,饶俊峰,石富坤
受保护的技术使用者：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4