一种基于变阻抗PFN的倍压脉冲发生器及脉冲产生方法与流程

本发明涉及脉冲发生器及脉冲产生方法，具体涉及一种基于变阻抗pfn的倍压脉冲发生器及脉冲产生方法。

背景技术：

1、脉冲形成网络(pfn)因其拓扑结构灵活多变、脉冲参数易于调制等特点广泛应用于脉冲发生器，通过多级pfn单元并联充电-串联放电的叠加模式，提升输出脉冲电压峰值。pfn单元通常采用分立电容和电感进行组网设计，通过调节电容值和电感值来改变pfn单元的阻抗和电长度，从而改变匹配负载阻值、脉冲宽度和前沿等特性参数，在脉冲发生器中得到广泛应用。

2、基于传统的单脉冲形成网络的脉冲发生器，在阻抗匹配情况下，输出脉冲峰值电压为充电电压的1/2；基于blumlein型等阻抗的双脉冲形成网络的脉冲发生器，在阻抗匹配情况下，输出脉冲峰值电压为充电电压的1倍。为提升输出脉冲峰值电压，一般通过增加pfn单元的级数或增大负载电阻来实现。然而，增加pfn单元级数，不可避免的会引入新的寄生和杂散参数，对输出波形质量产生影响；开关也会随着pfn单元级数的增加而增多，多路开关同步精度的降低，也会造成输出脉冲峰值降低、波形前沿变缓等问题；此外，增大负载电阻，与pfn单元阻抗不匹配，还会导致输出效率降低。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于变阻抗pfn的倍压脉冲发生器及脉冲产生方法，以解决现有的脉冲发生器为提升输出脉冲峰值电压，增加pfn单元级数，会引入新的寄生和杂散参数，对输出波形质量产生影响，开关也会随着pfn单元级数的增加而增多，多路开关同步精度的降低，也会造成输出脉冲峰值降低、波形前沿变缓；或者，增大负载电阻，与pfn单元阻抗不匹配，会导致输出效率降低的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种基于变阻抗pfn的倍压脉冲发生器，其特殊之处在于：包括充电单元、负载电阻rl、n级脉冲形成网络单元、n个开关kr和n个接地电感ls，n≥1；

3、所述充电单元包括直流充电电源dc和n个充电隔离电感lc；

4、所述直流充电电源dc的输出端分别与n个充电隔离电感lc一端连接；每个所述充电隔离电感lc的另一端连接一个开关kr的一端；每个开关kr两端并联一级脉冲形成网络单元；

5、每级所述脉冲形成网络单元均包括pfn1、pfn2和pfn3；

6、pfn1的a端与相应开关kr的一端连接，pfn1的b端与相应开关kr的另一端连接，pfn1的c端与pfn3的a端连接，pfn1的d端与pfn3的b端连接；

7、pfn2的c端与接地电感ls一端连接；pfn3的c端与pfn2的d端连接，pfn3的d端和接地电感ls另一端连接；

8、所述n个接地电感ls依次串联；第一级脉冲形成网络单元中pfn3的d端连接负载电阻rl的另一端，并接地。第n级脉冲形成网络单元中pfn2的c端接负载电阻rl的一端。

9、进一步地，所述pfn1包括依次串联的m节拓扑结构网，m≥3，每节所述拓扑结构网包括一个电容c1和两个电感l1，两个电感l1的一端分别与电容c1的两端连接，电容c1的两端作为该节拓扑结构网的输入端，两个电感l1的另一端作为该节拓扑结构网的输出端，第1节拓扑结构网输入端分别作为pfn1的a端和b端，第m节拓扑结构网输出端分别作为pfn1的c端和d端；

10、所述pfn2包括依次串联的m节拓扑结构网，每节所述拓扑结构网包括一个电容c2和两个电感l2；两个电感l2的一端分别与电容c2的两端连接，电容c2的两端作为该节拓扑结构网的输出端；两个电感l2的另一端作为该节拓扑结构网的输入端；第1节拓扑结构网输入端分别作为pfn2的c端和d端；第m节拓扑结构网输出端分别作为pfn2的a端和b端；

11、所述pfn3包括依次串联的m节拓扑结构网，每节所述拓扑结构网包括一个电容c3和两个电感l3；两个电感l3的一端分别与电容c3的两端连接，电容c3的两端作为该节拓扑结构网的输入端，两个电感l3的另一端作为该节拓扑结构网的输出端，第1节拓扑结构网输入端分别作为pfn3的a端和b端，第m节拓扑结构网输出端分别作为pfn1的c端和d端。

12、进一步地，所述pfn1、pfn2和pfn3的电长度τ均为：

13、

14、其中，l1、l2、l3分别为电感l1、电感l2、电感l3的电感值；c1、c2、c3分别为电容c1、电容c2、电容c3的容值。

15、进一步地，所述pfn1的等效阻抗为z，pfn2的等效阻抗为1.5z，pfn3的等效阻抗为3z，分别通过以下公式表示：

16、

17、进一步地，所述接地电感ls的电感值≥10μh。

18、进一步地，所述负载电阻rl为无感电阻，其阻值为n*4.5z。

19、进一步地，所述电容c1、电容c2和电容c3均采用陶瓷电容。

20、进一步地，所述电感l1、电感l2和电感l3均采用铜带。

21、进一步地，所述开关kr为半导体可触发控制开关。

22、同时，本发明还提供了一种基于变阻抗pfn的倍压脉冲产生方法，采用上述的基于变阻抗pfn的倍压脉冲发生器，其特殊之处在于，包括以下步骤：

23、步骤1、直流充电电源dc通过隔离电感lc对各级pfn1、pfn2和pfn3同时充电，其中，第1级的pfn1的充电电流依次经过第1级隔离电感lc、第1级的pfn1，然后流入地；第1级的pfn3的充电电流依次经过第1级隔离电感lc、第1级的pfn3，然后流入地；第1级的pfn2的充电电流依次经过第1级隔离电感lc、第1级的pfn2、第1级的接地电感ls，然后流入地；

24、第2级的pfn1的充电电流依次经过第2级隔离电感lc、第2级的pfn1、第1级的接地电感ls，然后流入地；第2级的pfn3的充电电流依次经过第2级隔离电感lc、第2级的pfn3、第1级的接地电感ls，然后流入地；第2级的pfn2的充电电流依次经过第2级隔离电感lc、第2级的pfn2、第2级的接地电感ls和第1级的接地电感ls，然后流入地；

25、以此类推，第n级的pfn1的充电电流依次经过第n级隔离电感lc、第n级的pfn1、第n-1级的接地电感ls、第n-2级的接地电感ls……第1级的接地电感ls，然后流入地；第n级的pfn3的充电电流依次经过第n级隔离电感lc、第n级的pfn3、第n-1级的接地电感ls、第n-2级的接地电感ls……第1级的接地电感ls，然后流入地；第n级的pfn2的充电电流依次经过第n级隔离电感lc、第n级的pfn2、第n级的接地电感ls、第n-1级的接地电感ls……第1级的接地电感ls，然后流入地；

26、步骤2、充电结束后，pfn1和pfn3充电电压为u0，pfn2充电电压为-u0；控制开关kr导通，各级的pfn1在a端和b端短路，各级的pfn1和pfn3电压极性反转；各级电压叠加在负载电阻rl上输出脉冲。

27、本发明的有益效果：

28、本发明基于变阻抗pfn的倍压脉冲发生器及脉冲产生方法，单级输出脉冲峰值电压为充电电压的1.5倍，因此，在同样的输出电压要求下，所需pfn单元级数可减少1/3，减少了杂散参数的引入和开关的数量，减小脉冲发生器体积和重量，具有紧凑化和轻量化的应用前景。此外，通过调节网络中的电容和电感值，可使该变阻抗脉冲形成网络与原负载阻抗匹配，输出效率不会降低。