纳秒高压脉冲源、Marx发生器及其电路仿真模型的制作方法

xiaoxiao2020-9-10  2

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纳秒高压脉冲源、Marx发生器及其电路仿真模型的制作方法
【专利摘要】本实用新型Marx发生器的紧凑型纳秒高压脉冲源,省掉了现有高压脉冲源中的峰化回路,由Marx发生器、控制单元、高压直流充电电源三部分组成,其中Marx发生器包括壳体、脉冲电容器、气体火花开关,壳体、脉冲电容器、气体火花开关均为圆柱形,且三者同轴设置,壳体包括金属壳身及位于壳身两端与壳身固定连接的输入端绝缘支撑盖和输出端绝缘支撑盖。本实用新型Marx发生器全电路仿真模型,对自击穿开关采用PSPICE模型进行模拟,在电路模型创建时,可以直接调用该PSPICE模型块,对于该模型,仅需设置少数参数即可,使用非常方便。
【专利说明】纳秒高压脉冲源、Marx发生器及其电路仿真模型
【技术领域】
[0001]本实用新型属于脉冲功率【技术领域】,涉及一种高压脉冲源及其Marx发生器及Marx发生器的电路仿真模型。
【背景技术】
[0002]脉冲功率技术是研究强电脉冲功率放大的技术,它以较低功率在较长的时间内储存电场或磁场能量,然后借助于各种开关进行快速能量切换、脉冲压缩、功率放大,在很短时间内将脉冲电磁能量释放到特定的负载上,也就是说将脉冲能量在时间尺寸上进行压缩,以获得在极短时间内的高峰值功率输出。
[0003]1996年IEC颁布了 EMP波形的最新标准IEC61000-2-10,即脉冲上升时间
2.3 ±0.5ns,半高宽23 ± 5ns。2007年颁布的美军标MIL-STD-461F也采用了这一标准。标准的最大特点是所要求的瞬变脉冲电磁场上升时间变快,脉宽变窄。
[0004]为此研发紧凑型纳秒高压脉冲源,为瞬变电磁场产生装置提供前级驱动源,使得产生的电磁环境满足标准规定,为开展战略武器系统、高新技术武器系统和军用卫星相关的HEMP效应及其生存能力评估考核技术研究提供基础和保障,同时这种高压脉冲源也可作为其它特定负载的前级驱动源。

【发明内容】

[0005]本实用新型提供一种紧凑型纳秒高压脉冲源,能够驱动天线负载在空间产生瞬变电磁场,瞬变脉冲电磁场具有上升时间变快,脉宽变窄的特点。
[0006]本实用新型的技术解决方案如下:
[0007]一种Marx发生器,包括壳体、脉冲电容器、气体火花开关,其特殊之处在于:所述壳体、脉冲电容器、气体火花开关均为圆柱形,且三者同轴设置,
[0008]所述壳体包括金属壳身及位于壳身两端与壳身固定连接的输入端绝缘支撑盖和输出端绝缘支撑盖,
[0009]所述脉冲电容器的高压输入端靠近输入端绝缘支撑盖且与直流电压引入端连接,所述脉冲电容器的高压输出端与气体火花开关的高压电极连接,所述气体火花开关的低压电极靠近输出端绝缘支撑盖且与位于输出端绝缘支撑盖外侧的高压输出端连接,
[0010]所述脉冲电容器的高压输出端套在壳体内的接地圆盘的中心孔内,并通过位于高压输出端处的环形连接板与接地圆盘固定连接。
[0011]还包括位于壳体下方支撑壳体的基座。
[0012]一种紧凑型纳秒高压脉冲源,其特殊之处在于:包括控制单元、高压直流充电电源及Marx发生器,
[0013]所述控制单元包括电气控制单元和气路控制单元,所述电气控制单元是用来控制高压直流充电电源开关的合闸、分闸、高压升降,实时监测高压直流充电电源的输出电压;所述气路控制单元用于实现Marx发生器的气体火花开关的有效隔离与导通,[0014]所述高压直流充电电源为Marx发生器充电,[0015]所述Marx发生器,包括壳体、脉冲电容器、气体火花开关,所述壳体、脉冲电容器、气体火花开关均为圆柱形,且三者同轴设置,[0016]所述壳体包括金属壳身及位于壳身两端与壳身固定连接的输入端绝缘支撑盖和输出端绝缘支撑盖,[0017]所述脉冲电容器的高压输入端靠近输入端绝缘支撑盖且与直流电压引入端连接,所述脉冲电容器的高压输出端与气体火花开关的高压电极连接,所述气体火花开关的低压电极靠近输出端绝缘支撑盖且与位于输出端绝缘支撑盖外侧的高压输出端连接,[0018]所述脉冲电容器的高压输出端套在壳体内的接地圆盘的中心孔内,并通过位于高压输出端处的环形连接板与接地圆盘固定连接。[0019]还包括位于壳体下方支撑壳体的基座。[0020]一种Marx发生器全电路仿真模型,其特殊之处在于:包括电容C;、电感Ln1、电阻R1^自击穿开关PSPICE模型SwitchOl、闭合开关Switch02、对地杂散电容Cg、并联接地电阻Rg、纯电阻负载Rf,[0021]所述电容Cm、对地杂散电容Cg、并联接地电阻Rg、纯电阻负载Rf的一端接地,所述电容Cm的另一端与对地杂散电容Cg的另一端之间串联电感Lm、电阻Rm及自击穿开关PSPICE模型 SwitchOl,[0022]所述对地杂散电容Cg与并联接地电阻Rg的另一端共结点,所述并联接地电阻Rg的另一端与纯电阻负载Rf的另一端之间串联闭合开关Switch02,所述纯电阻负载Rf与闭合开关Switch02的结点处加电压。[0023]上述自击穿开关PSPICE模型SwitchOl包括电弧电感Ls、电弧电阻R、间隙电容Cs、结构电感Ljl、结构电感Lj2以及结构电容Cj,[0024]所述结构电感Ljl、电弧电阻R、电弧电感Ls、结构电感Lj2依次串联,所述结构电容Cj串联在结构电感h的另一端与结构电感Lp的另一端之间,所述间隙电容Cs的一端连接在结构电感h与电弧电阻R之间,所述间隙电容的另一端连接在电弧电感Ls与结构电感Lj2之间,所述电弧电阻R为可变电阻。[0025]本实用新型的有益效果:[0026]1、本实用新型Marx发生器,通过合理的部件设计及布局,具有紧凑型的特点,同时大大降低了发生器的电感值。[0027]2、本实用新型紧凑型纳秒高压脉冲源,通过对Marx发生器进行合理的设计,使得高压脉冲源在省掉峰化回路的情况下,也可在负载上获得上升时间为2.3ns,脉冲宽度为25ns的高压脉冲输出,因此本实用新型相对于现有设计来讲具有结构简单的优点,同时本实用新型对高压脉冲源的三大组成部分进行模块化设计,使得本实用新型具有轻便、易于移动、能方便的用于不同负载的好处。[0028]3、本实用新型Marx发生器全电路仿真模型,对自击穿开关采用PSPICE模型进行模拟,在电路模型创建时,可以直接调用该PSPICE模型块,对于该模型,仅需设置少数参数即可,使用非常方便。
【专利附图】

【附图说明】[0029]图1为高压脉冲源的一般构成框图;
[0030]图2为Marx发生器;
[0031 ] 图3为采用的气体火花开关;
[0032]图4为高压脉冲源的等效电路;
[0033]图5为Marx发生器电路仿真模型;
[0034]图6为气体火花开关电参数模型;
[0035]图7为模拟预测输出波形。
【具体实施方式】
[0036]如图1所示,高压脉冲源由三大部分组成,包括初级储能和脉冲产生系统及负载系统。初级储能系统由初级能源供电(初级能源由动力电供电),以相对慢(s量级)的储能通过开关产生高电压或大电流脉冲s量级),同时快速传递给脉冲储能部件,再通过开关将脉冲整形和压缩,由传输线将脉冲电磁能量传递给负载,最终在负载上产生纳秒高压脉冲,前两部分组成高压脉冲源。
[0037]现有的纳秒高压脉冲源一般采用Marx发生器+峰化回路或二级脉冲压缩电路获得快的脉冲上升时间,而对于电压幅值IOOkV左右的高压脉冲源,可通过对Marx发生器合理设计,使Marx发生器的总电感满足一定要求,利用脉冲电容器通过高气压、小间隙直接对负载放电的原理实现。
[0038]为使高压脉冲源总电感量达到要求,本实用新型对Marx发生器的结构进行了合理设计,如图2所75, Marx发生器包括壳体1、脉冲电容器2、气体火花开关3,壳体1、脉冲电容器2、气体火花开关3均为圆柱形,且三者同轴设置,壳体I包括金属壳身及位于壳身两端与壳身固定连接的输入端绝缘支撑盖4和输出端绝缘支撑盖5。
[0039]脉冲电容器的高压输入端靠近输入端绝缘支撑盖且与直流电压引入端连接,脉冲电容器的高压输出端与气体火花开关的高压电极连接,气体火花开关的低压电极靠近输出端绝缘支撑盖5且与位于输出端绝缘支撑盖外侧的高压输出端连接。脉冲电容器的高压输出端套在壳体内的接地圆盘7的中心孔内,并通过位于高压输出端处的环形连接板14与接地圆盘7固定连接。壳体下方设置有支撑壳体的基座6。
[0040]使用上述Marx发生器的紧凑型纳秒高压脉冲源,省掉了现有高压脉冲源中的峰化回路,由三部分组成,即Marx发生器、控制单元、高压直流充电电源,且三者采用模块化设计。
[0041]其中控制单元包括电气控制单元和气路控制单元,电气控制单元是用来控制高压直流充电电源开关的合闸、分闸、高压升降,实时监测高压直流充电电源的输出电压;气路控制单元用于实现气体火花开关的有效隔离与导通。
[0042]高压直流充电电源为正IOOkV直流电源,是通过全波整流实现直流高压输出,而后通过充电电阻对Marx发生器的脉冲电容器充电,当充电达到预定值时,气体火花开关击穿导通,脉冲电容器对负载放电,最终在负载上产生高压脉冲。
[0043]图3为本实用新型所采用的气体火花开关的结构,主要包括高压电极11与高压电极基座10、低压电极13与低压电极基座12、绝缘气体腔室9以及充放气标准气嘴8。对气体火花开关的要求是导通时间短(小于5ns),工作稳定。[0044]图4为高压脉冲源的等效电路,其中C为脉冲电容器,Kl为开关,L为负载,据图4的等效电路,建立一阶齐次微分方程:
【权利要求】
1.一种Marx发生器,包括壳体(1)、脉冲电容器(2)、气体火花开关(3),其特征在于:所述壳体(1)、脉冲电容器(2)、气体火花开关(3)均为圆柱形,且三者同轴设置, 所述壳体(1)包括金属壳身及位于壳身两端与壳身固定连接的输入端绝缘支撑盖(4)和输出端绝缘支撑盖(5), 所述脉冲电容器(2)的高压输入端靠近输入端绝缘支撑盖(4)且与直流电压引入端连接,所述脉冲电容器(2)的高压输出端与气体火花开关(3)的高压电极连接,所述气体火花开关(3)的低压电极靠近输出端绝缘支撑盖(5)且与位于输出端绝缘支撑盖外侧的高压输出端连接, 所述脉冲电容器(3)的高压输出端套在壳体内的接地圆盘(7)的中心孔内,并通过位于高压输出端处的环形连接板(14)与接地圆盘(7)固定连接。
2.根据权利要求1所述的Marx发生器,其特征在于:还包括位于壳体下方支撑壳体的基座(6)。
3.一种紧凑型纳秒高压脉冲源,其特征在于:包括控制单元、高压直流充电电源及Marx发生器, 所述控制单元包括电气控制单元和气路控制单元,所述电气控制单元是用来控制高压直流充电电源开关的合闸、分闸、高压升降,实时监测高压直流充电电源的输出电压;所述气路控制单元用于实现Marx发生器的气体火花开关的有效隔离与导通, 所述高压直流充电电源为Marx发生器充电, 所述Marx发生器,包括壳体(1)、脉冲电容器(2)、气体火花开关(3),所述壳体(1)、脉冲电容器(2)、气体火花开关(3)均为圆柱形,且三者同轴设置, 所述壳体(1)包括金属壳身及位于壳身两端与壳身固定连接的输入端绝缘支撑盖(4)和输出端绝缘支撑盖(5), 所述脉冲电容器(2)的高压输入端靠近输入端绝缘支撑盖(4)且与直流电压引入端连接,所述脉冲电容器(2)的高压输出端与气体火花开关(3)的高压电极连接,所述气体火花开关(3)的低压电极靠近输出端绝缘支撑盖(5)且与位于输出端绝缘支撑盖外侧的高压输出端连接, 所述脉冲电容器(3)的高压输出端套在壳体内的接地圆盘(7)的中心孔内,并通过位于高压输出端处的环形连接板(14)与接地圆盘(7)固定连接。
4.根据权利要求3所述的紧凑型纳秒高压脉冲源,其特征在于:还包括位于壳体下方支撑壳体的基座(6)。
5.一种用于权利要求1所述的Marx发生器全电路仿真模型,其特征在于:包括电容Cm、电感Lm、电阻Rm、自击穿开关PSPICE模型SwitchOl、闭合开关Switch02、对地杂散电容Cg、并联接地电阻Rg、纯电阻负载Rf, 所述电容Cm、对地杂散电容Cg、并联接地电阻Rg、纯电阻负载Rf的一端接地,所述电容Cm的另一端与对地杂散电容Cg的另一端之间串联电感Lm、电阻Rm及自击穿开关PSPICE模型 SwitchOl, 所述对地杂散电容Cg与并联接地电阻Rg的另一端共结点,所述并联接地电阻Rg的另一端与纯电阻负载Rf的另一端之间串联闭合开关Switch02,所述纯电阻负载Rf与闭合开关Switch02的结点处加电压。
6.根据权利要求5所述的Marx发生器全电路仿真模型,其特征在于: 所述自击穿开关PSPICE模型SwitchOl包括电弧电感Ls、电弧电阻R、间隙电容Cs、结构电感Ljl、结构电感Lj2以及结构电容Cp 所述结构电感Ljl、电弧电阻R、电弧电感Ls、结构电感Lj2依次串联,所述结构电容Cj串联在结构电感h的另一端与结构电感Lp的另一端之间,所述间隙电容Cs的一端连接在结构电感h与电弧电阻R之间,所述间隙电容的另一端连接在电弧电感Ls与结构电感Lp之间,所述电弧电阻R为可变 电阻。
【文档编号】H03K3/02GK203423662SQ201320564494
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年7月4日
【发明者】郭恩全, 黄建军, 翟锋涛, 刘顺坤, 郭永峰 申请人:陕西海泰电子有限责任公司

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