本發(fā)明涉及一種新型的marx發(fā)生器技術(shù)，具體涉及一種通過(guò)單級(jí)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整pfn-marx輸出波形的整形方法，屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，主要用于高電壓脈沖方波的產(chǎn)生和整形。

背景技術(shù)：

脈沖功率技術(shù)是以一種較低的功率儲(chǔ)存能量，將其以高得多的功率變換為脈沖電磁能量并釋放到特定負(fù)載上的電物理技術(shù)。marx是脈沖功率裝置中形成高壓脈沖的重要方式之一。

marx發(fā)生器的基本原理可以簡(jiǎn)單地概括為：若干電容器通過(guò)并聯(lián)充電后再以串聯(lián)方式放電產(chǎn)生高電壓脈沖。其相關(guān)概念于1923年由marxe教授提出，因而被命名為“marx發(fā)生器”，最早被用于雷電沖擊電壓實(shí)驗(yàn)。pfn-marx，是利用脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(pulseformingnetwork，簡(jiǎn)稱(chēng)pfn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)marx發(fā)生器中的級(jí)電容，在獲取電壓疊加的同時(shí)，利用pfn可以輸出方波的特性來(lái)獲取良好的輸出電壓波形。此類(lèi)裝置具有電壓倍增和長(zhǎng)脈沖輸出的特點(diǎn)，在長(zhǎng)脈沖輸出時(shí)具有與脈沖形成線(xiàn)類(lèi)似的特性，其將升壓模塊和脈沖形成模塊整合起來(lái)，降低了脈沖功率系統(tǒng)的復(fù)雜度，減小了裝置體積并提高了可移動(dòng)性。

pfn有多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，在脈沖功率技術(shù)中，常見(jiàn)的有等電容等電感網(wǎng)絡(luò)以及guillemin網(wǎng)絡(luò)。由于guillemin網(wǎng)絡(luò)中多采用特定容值電容器，制造和采購(gòu)的難度加大，難以廣泛應(yīng)用。而等電容等電感網(wǎng)絡(luò)得益于脈沖電容器的商品化和較低的造價(jià)，目前仍是最常用的網(wǎng)絡(luò)形式。在實(shí)際應(yīng)用中，等電容等電感pfn一旦l和c確定，其網(wǎng)絡(luò)的輸出特性也確定，而當(dāng)其應(yīng)用到marx發(fā)生器中時(shí)，又常常受結(jié)構(gòu)尺寸限制以及寄生參數(shù)的影響，很難獲得理想的輸出波形，這時(shí)再對(duì)相關(guān)參數(shù)做改動(dòng)將變得非常困難。另外，在需要降低pfn-marx輸出阻抗時(shí)，各種寄生參數(shù)影響變得更為嚴(yán)重，為此需要減少節(jié)數(shù)以換取低阻輸出，此時(shí)更是難以獲得較好的方波輸出。因此尋求簡(jiǎn)易調(diào)整marx輸出波形特性的方法對(duì)于marx的模塊化、緊湊化以及應(yīng)用范圍的拓展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)難點(diǎn)是通過(guò)一種合適的方法，解決pfn-marx中等電容等電感網(wǎng)絡(luò)輸出波形調(diào)整困難以及pfn節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)少時(shí)輸出波形質(zhì)量差等問(wèn)題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種pfn-marx發(fā)生器輸出波形的整形方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、構(gòu)建一個(gè)相等節(jié)電容和相等節(jié)電感的n級(jí)m節(jié)pfn-marx發(fā)生器，所述m節(jié)(一般m≤5)脈沖電容器(稱(chēng)為節(jié)電容，c0)依次并聯(lián)組成單級(jí)pfn，相鄰的節(jié)電容之間采用電感(稱(chēng)為節(jié)電感，l0)進(jìn)行連接，所述單級(jí)pfn均包含兩個(gè)電極，n個(gè)(一般n≤20)單級(jí)pfn通過(guò)n個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行串聯(lián)：第一級(jí)pfn的兩個(gè)電極，其中一個(gè)電極和第一級(jí)開(kāi)關(guān)的一端相連，另一個(gè)電極和負(fù)載接地端相連；第二級(jí)pfn的一個(gè)電極和第一級(jí)開(kāi)關(guān)的另外一端相連，同時(shí)通過(guò)一個(gè)電感或電阻(稱(chēng)為隔離電感l(wèi)g或隔離電阻rg)和第一級(jí)pfn的接地端相連，第二級(jí)pfn的另外一個(gè)電極和第二級(jí)開(kāi)關(guān)的一端相連，同時(shí)通過(guò)電感或電阻同第一級(jí)pfn的非接地端相連；……；依此類(lèi)推，第n級(jí)pfn的一個(gè)電極和第(n-1)個(gè)pfn的開(kāi)關(guān)一端相連，同時(shí)和第(n-1)級(jí)pfn的接地端通過(guò)一個(gè)電感或者電阻相連，第n級(jí)pfn的另外一個(gè)電極和第n個(gè)開(kāi)關(guān)的一端相連，第n個(gè)開(kāi)關(guān)的另一端和負(fù)載rl相連；

步驟二、將上述pfn-marx中的任意一級(jí)單元(在實(shí)際中為了方便調(diào)試，通常選用第一級(jí)，并將其命名為調(diào)整級(jí)，其它各級(jí)命名為非調(diào)整級(jí))調(diào)整為k節(jié)pfn(一般k≥m)，采用非等節(jié)電容形式，每節(jié)電容分別為c1、c2、…、ck，電感仍為l0，即除該單元采用等節(jié)電感非等節(jié)電容的網(wǎng)絡(luò)形式外，其他各級(jí)的pfn網(wǎng)絡(luò)依然采用等節(jié)電容等節(jié)電感網(wǎng)絡(luò)形式；

步驟三、由于調(diào)整級(jí)和非調(diào)整級(jí)采用了不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，所以pfn-marx的總輸出不再是傳統(tǒng)pfn-marx各級(jí)輸出波形的直接疊加，而是調(diào)整級(jí)和非調(diào)整級(jí)的綜合作用的結(jié)果，也因此很難得到波形調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確解析解，但可以通過(guò)非調(diào)整級(jí)對(duì)調(diào)整級(jí)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行預(yù)估。調(diào)整級(jí)的電容值要求滿(mǎn)足c1+c2+…+ck≤mc0，初始參數(shù)選擇c1＝c2＝...＝ck＝mc0/k，然后再根據(jù)波形的實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。一般的，調(diào)整級(jí)的第k節(jié)脈沖電容器ck電容值較大，而其它的節(jié)電容值c1、c2、…、ck-1較??；

步驟四、通過(guò)spice類(lèi)仿真軟件采用數(shù)值模擬計(jì)算得方式確定調(diào)整級(jí)中各節(jié)電容c1、c2、…、ck的大小。首先，為縮短輸出波形前沿，需適當(dāng)減小c1值；其次，為獲得較好的平頂和后沿特性，則需適當(dāng)調(diào)整c2、c3、…、ck-1值；最后調(diào)整ck值補(bǔ)償前幾節(jié)電容值改變所引起的脈沖寬度變化。實(shí)際上，從時(shí)域上看，c1、c2、…、ck對(duì)輸出波形的影響分別依次對(duì)應(yīng)方波脈沖平頂?shù)那岸?、中段、后沿和脈寬。

在上述方案中，所述節(jié)電容可選用薄膜介質(zhì)電容器、陶瓷介質(zhì)電容器、云母介質(zhì)電容器、復(fù)合介質(zhì)電容器等低內(nèi)感的脈沖電容器。

在上述方案中，所述除調(diào)整級(jí)之外其它級(jí)的節(jié)電容、節(jié)電感參數(shù)選取根據(jù)負(fù)載要求的脈沖寬度和特性阻抗確定。

在上述方案中，所述隔離電感l(wèi)g一般大于10μh，隔離電阻rg一般大于10kω。

上述方案中，pfn-marx的輸出脈寬和特征阻抗可通過(guò)下述公式計(jì)算：

非調(diào)整級(jí)的脈寬和特征阻抗為：

上式中，m為非調(diào)整級(jí)的節(jié)數(shù)，ls為開(kāi)關(guān)及連線(xiàn)電感，lc為電容器內(nèi)感，τ1為非調(diào)整級(jí)的脈沖寬度，zm1為非調(diào)整級(jí)的特征阻抗；

調(diào)整級(jí)的脈寬和特征阻抗為：

上式中，k為調(diào)整級(jí)的節(jié)數(shù)，k≥m，τ2為調(diào)整級(jí)的脈沖寬度，

zm2為調(diào)整級(jí)的特征阻抗；

則pfn-marx的輸出阻抗為：

z＝(m-1)zm1+zm2,

pfn-marx的輸出脈沖寬度為：

τ≈τ1

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的單級(jí)電容參數(shù)調(diào)節(jié)方法可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)pfn-marx輸出脈沖的前沿、平頂質(zhì)量、后沿以及脈寬進(jìn)行調(diào)整，克服了多級(jí)marx波形難以調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。此外，本發(fā)明對(duì)于實(shí)現(xiàn)脈沖功率系統(tǒng)的緊湊小型化也有顯著價(jià)值。在對(duì)等電容等電感pfn-marx發(fā)生器實(shí)現(xiàn)緊湊化的同時(shí)僅通過(guò)調(diào)整單級(jí)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)較好的波形輸出，將極大的拓寬其應(yīng)用范圍。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明將通過(guò)實(shí)施例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中：

圖1是本發(fā)明的電路示意圖；

圖2是單級(jí)電容參數(shù)變化對(duì)負(fù)載輸出波形的影響；

圖3(a)是按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的3級(jí)2節(jié)pfn-marx的電路；

圖3(b)是未調(diào)整的3級(jí)2節(jié)pfn-marx的電路；

圖4是圖3(a)、(b)模型的輸出波形對(duì)比；

圖5是圖3(a)模型的實(shí)驗(yàn)波形；

圖6是按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的5級(jí)4節(jié)pfn-marx電路；

圖7是圖6模型與未調(diào)整模型輸出波形對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1所示電路為本發(fā)明的基本電路。該電路是以n級(jí)m節(jié)等節(jié)電容等節(jié)電感pfn-marx為基礎(chǔ)，將第一級(jí)pfn更換為k節(jié)非等電容pfn所得，此時(shí)第一級(jí)為調(diào)整級(jí)。調(diào)整級(jí)節(jié)電容數(shù)k一般大于等于m，節(jié)電容值分別為c1～ck，除調(diào)整級(jí)之外的其它各級(jí)節(jié)電容值均為c，各級(jí)節(jié)電容器分別通過(guò)電感值為l的節(jié)電感依次并聯(lián)。各級(jí)之間采用級(jí)聯(lián)開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接，ls為開(kāi)關(guān)及引線(xiàn)電感，lc為電容器內(nèi)感，lg為隔離電感，rl為負(fù)載阻抗。電路的工作原理為：首先對(duì)各級(jí)電容器進(jìn)行充電至u0。充電完畢后，當(dāng)pfn-marx對(duì)負(fù)載放電時(shí)，除第一級(jí)外，其他各級(jí)均產(chǎn)生相同的準(zhǔn)方波電壓信號(hào)，級(jí)聯(lián)開(kāi)關(guān)k1至kn依次導(dǎo)通，電壓疊加倍增后，第一級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其他各級(jí)的方波調(diào)制并對(duì)負(fù)載放電，輸出更優(yōu)質(zhì)的準(zhǔn)方波脈沖信號(hào)。

本發(fā)明的基本電路中，根據(jù)脈寬和負(fù)載的需求，在初步確定非調(diào)整級(jí)的l0和c0后，調(diào)整級(jí)的電容值c1～ck根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)確定。c1～ck在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)于負(fù)載波形的影響規(guī)律具有普適性。其中，c1影響脈沖平頂?shù)淖钋岸?，緊接著c2～ck-1依次影響脈沖平頂?shù)闹卸魏秃笱?，ck影響脈沖寬度。根據(jù)c1～ck對(duì)輸出波形的影響規(guī)律確定其值大小，一般的，c1～ck-1取值較小，ck取值較大。本發(fā)明中調(diào)整級(jí)電容參數(shù)的影響規(guī)律適用于單極性充電以及雙極性充電的pfn-marx發(fā)生器。

為進(jìn)一步詳細(xì)闡述c1～ck對(duì)輸出波形的影響規(guī)律，將圖1電路簡(jiǎn)化為5級(jí)4節(jié)pfn-marx，簡(jiǎn)化后電路的第一級(jí)節(jié)電容分別為c1、c2、c3、c4，第二至五級(jí)節(jié)電容均為c0，各級(jí)節(jié)電感均是l0，為節(jié)電容并聯(lián)的連接電感。分別調(diào)整第一級(jí)電容參數(shù)，負(fù)載輸出波形如圖2所示。從圖中可以看出，c1容量減小時(shí)，輸出前沿?zé)o變化，后沿略微提升，平頂質(zhì)量變差；分別減小c2、c3，脈沖后沿亦有所改善，平頂質(zhì)量得到改善；調(diào)整c4時(shí)，脈沖寬度得以調(diào)整，前后沿及平頂幾乎不受影響。c1～c4分別對(duì)應(yīng)于脈沖信號(hào)的不同位置，通過(guò)綜合調(diào)整c1～c4的容量，使得脈沖輸出信號(hào)的平頂、后沿和脈寬得以調(diào)整。

根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案設(shè)計(jì)了如圖3、圖6所示兩個(gè)電路實(shí)例：

圖3所示電路為利用本發(fā)明的原則設(shè)計(jì)的第一個(gè)實(shí)例，為模擬一個(gè)輸出脈寬約150ns，特征阻抗約5ω的3級(jí)2節(jié)單極性充電的pfn-marx發(fā)生器。該發(fā)生器充電電壓為u0，隔離電感為lg＝40μh，開(kāi)關(guān)及其引線(xiàn)電感l(wèi)s為30nh，電容器內(nèi)感l(wèi)c為10nh。根據(jù)計(jì)算初步確定網(wǎng)絡(luò)的節(jié)電感為l0＝15nh，第二、三級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)電容為c0＝24nf。第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)為4節(jié)電容器并聯(lián)，采用數(shù)值模擬方法，模擬計(jì)算出第一級(jí)電容參數(shù)分別為c1＝5nf，c2＝3nf，c3＝4nf，c4＝24nf。根據(jù)計(jì)算公式：脈寬預(yù)估τ1≈145ns，特征阻抗z＝5.3ω。

理論脈寬預(yù)估約145ns，但2節(jié)pfn-marx難以輸出方波信號(hào)，在第一級(jí)的調(diào)節(jié)作用下輸出脈寬為150ns的方波信號(hào)，體現(xiàn)了調(diào)整級(jí)對(duì)輸出波形顯著的調(diào)整作用。模擬特征阻抗為5ω與理論分析基本一致，驗(yàn)證了本方案的正確性。模擬輸出結(jié)果與非調(diào)整的等電容等電感網(wǎng)絡(luò)輸出波形對(duì)比如圖4所示。仿真結(jié)果體現(xiàn)了單級(jí)電容參數(shù)修正方法對(duì)負(fù)載波形調(diào)整的顯著效果，實(shí)現(xiàn)了節(jié)數(shù)少的pfn-marx輸出優(yōu)質(zhì)方波的設(shè)計(jì)。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的方案，使輸出波形的方波特性質(zhì)量更好，優(yōu)于現(xiàn)有的技術(shù)方案。進(jìn)一步的，根據(jù)仿真計(jì)算分析，設(shè)計(jì)了該調(diào)整模型的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)與模擬參數(shù)保持一致，實(shí)驗(yàn)輸出波形如圖5所示，實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形基本一致，驗(yàn)證了本發(fā)明的可行性。

圖6是依據(jù)本發(fā)明的原則設(shè)計(jì)的第二個(gè)實(shí)例電路：為模擬一個(gè)輸出脈寬約140ns，特征阻抗約7.5ω的4節(jié)5級(jí)雙極性充電的pfn-marx發(fā)生器。該發(fā)生器第1、3、5級(jí)網(wǎng)絡(luò)充電+u0，第2、4級(jí)網(wǎng)絡(luò)充電-u0，隔離電感為lg＝40μh，開(kāi)關(guān)及其引線(xiàn)電感l(wèi)s為30nh，電容器內(nèi)感l(wèi)c為10nh。根據(jù)理論計(jì)算初步確定非調(diào)整級(jí)節(jié)電容c0＝12nf，節(jié)電感l(wèi)0＝15nh。采用與第一個(gè)實(shí)例相同的參數(shù)選取原則，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果將第一級(jí)電容參數(shù)分別設(shè)為c1＝c2＝c3＝4nf，c4＝25nf。其模擬波形與未調(diào)整的等電容c0＝12nf等電感l(wèi)0＝15nh的pfn-marx模擬輸出波形對(duì)比如圖7所示。仿真結(jié)果顯示單級(jí)網(wǎng)絡(luò)電容參數(shù)調(diào)整方式具有顯著的修正作用，驗(yàn)證了本發(fā)明設(shè)計(jì)方案的正確性及其延拓性。

在實(shí)際應(yīng)用中，采用本發(fā)明的單級(jí)電容參數(shù)調(diào)整方案的pfn-marx發(fā)生器，可有效的提升輸出波形質(zhì)量，彌補(bǔ)了在確定電容電感后波形調(diào)節(jié)不便的不足，克服了等電容等電感模型中節(jié)數(shù)少時(shí)難以形成準(zhǔn)方波的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)方波脈沖的高質(zhì)量穩(wěn)定輸出。利用該方案可設(shè)計(jì)緊湊型低阻pfn-marx的脈沖功率系統(tǒng)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施案例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。