一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源

技术领域

本发明属于脉冲功率与放电等离子体领域，具体涉及一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源。

背景技术

脉冲功率技术是一种在较长时间内以较低的功率存储能量，然后在很短的时间内以数倍的功率将其转换成脉冲电磁能量的电物理技术，在所加负载上达到产生脉冲高电压、大电流的目的。

大气压等离子体作为一种特殊的低温等离子体，受到了广泛的关注。在多数情况下，人们利用交流源、直流源、微波源等产生大气压等离子体，而在这些方法下产生的大气压等离子体的温度过高，限制了其在生物医学及材料处理等方面的应用。而重频脉冲源激发的大气压等离子体具有粒子密度高、均匀程度好、热量沉积少等显著优点，并且整体功耗大大小于以上传统的激励源。利用重频脉冲源来激发大气压等离子体要求重频脉冲源具有输出电压幅值高、前沿时间短、脉宽短以及重复频率高等特点。目前国内外通常采用磁开关、MOSFET、IGBT等作为重频脉冲源的关键开关器件，但是存在体积重量大、成本高、控制电路复杂、电压上升沿受开关器件限制、电压抖动大等问题。雪崩管是一种通流能力很强、开关速度极快、体积极小的开关，可以用来产生高重频、快前沿、低抖动、高稳定性的电压、电流脉冲。基于雪崩管的Marx发生器可以产生上升时间短、抖动小、重复频率高的高压脉冲，并且体积小、重量轻、装置紧凑。然而Marx发生器的绝缘要求高，级数增多的情况下输出效率会迅速下降，并且通流能力受单只开关器件的限制。而通流能力更强的LTD电路也存在以下问题，单只雪崩管的正常工作的耐压只有300V左右,如果只采用基于雪崩管的LTD电路，则需要得到高的输出电压时所需的LTD电路级数过多，给电路的驱动和同步带来巨大的困难，严重制约了其应用的场景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源，以克服现有技术的不足，能够在大负载和小负载上都得到高幅值、抖动低、前沿陡的电压纳秒脉冲，带负载能力强，并且寿命长，可靠性高，结构简单，体积小，重量轻。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源，包括高压直流电源、触发单元和M级LTD电路，每级LTD电路包括m个分区，每个分区包括N级Marx电路，每级Marx电路包括n只串联的雪崩管，触发单元与每级LTD电路的触发输入端连接，高压直流电源1与每级LTD电路的充电回路连接，M级LTD电路的副边串联输出高压纳秒脉冲，其中，M≥1，m≥1，N≥1。

进一步的，触发单元与每个分区中第一个Marx电路的第一只雪崩管的基极相连。

进一步的，Marx电路包括n只串联的雪崩管，其中首位雪崩管的发射极接地，首位雪崩管的基极与触发单元连接，首位雪崩管的集电极与其相邻的雪崩管的发射极相连，中间位置的前一个雪崩管的集电极与其后一个雪崩管的发射极相连，最后一个雪崩管集电极和充电电阻相连。

进一步的，还包括连接于Marx电路的辅助触发电路。

进一步的，每个分区并联的N级Marx电路中前a级Marx电路均连接有一个辅助触发电路；后N-a级Marx电路不连接辅助触发电路，其中0≤a≤N。

进一步的，辅助触发电路包括辅助触发电容和辅助触发电阻，辅助触发电阻的两端与一个雪崩管的基极和发射极并联，辅助触发电容的两端分别与两个相邻的雪崩管的基极连接。

进一步的，触发单元采用信号发生器。

进一步的，信号发生器通过功率分配器连接于每一级的LTD电路。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源，包括高压直流电源、触发单元和M级LTD电路，每级LTD电路包括m个分区，每个分区包括N级Marx电路，每级Marx电路包括n只串联的雪崩管，触发单元与每级LTD电路的触发输入端连接，高压直流电源1与每级LTD电路的充电回路连接，M级LTD电路的副边串联输出高压纳秒脉冲，其中，M≥1，m≥1，N≥1，采用还有m个分区的M级LTD电路，每一个分区的Marx电路的输出端接每一级LTD电路的原边，M级LTD串联在副边输出快前沿重复频率高压纳秒脉冲，将脉冲电源的脉冲电流通流容量提高了m倍，n只雪崩管串联的雪崩管相比于单雪崩管单级Marx电路输出电压大大提高，并且在每只雪崩管的两端都并联了阻值大的均压电阻均压，防止雪崩管分压不均，输出脉冲在电压、电流、前沿方面均达到了很好的水平，并且极大地改善了每一分区Marx电路中雪崩管的导通状态，本申请采用并联集成，能够在大负载和小负载上都得到高幅值、抖动低、前沿陡的电压纳秒脉冲，带负载能力强，并且寿命长，可靠性高，结构简单，体积小，重量轻，工作稳定。

进一步的，在Marx电路的基础上采用LTD电路，易于通过增加LTD级数提高输出幅值。

进一步的，在多管串联的雪崩管Marx发生器中引入辅助触发电路，使雪崩管的触发变得稳定可靠，增加了装置的稳定性和寿命。

进一步的，LTD电路通过每一级之间的磁芯实现电压的感应叠加，使整个装置的电压化整为零，每一级的LTD电路的电压较低，对绝缘的要求低。

附图说明

图1为本发明实施例中的电路原理框图。

图2为本发明实施例中带有辅助触发的N级Marx电路图。

图3为本发明实施例中脉冲电源电路图。

图4是本发明实施例中脉冲电源的单次输出时的波形示意图。

图中，1、高压直流电源；2、触发单元；3、LTD电路原边；4、LTD电路副边。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源，包括高压直流电源1、触发单元2和M级LTD电路，每级LTD电路包括m个分区，每个分区包括N级Marx电路，每级Marx电路包括n只串联的雪崩管，触发单元2与每级LTD电路的触发输入端连接，高压直流电源1与每级LTD电路的充电回路连接，M级LTD电路的副边串联输出高压纳秒脉冲，其中，M≥1，m≥1，N≥1。

具体的，触发单元2与每个分区中第一个Marx电路的第一只雪崩管的基极相连，用于生成触发脉冲并触发每一级LTD电路中每个分区的第一个Marx电路的第一只雪崩管导通。

如图2所示，还包括辅助触发电路，每个分区并联的N级Marx电路中前a级Marx电路均连接有一个辅助触发电路；后N-a级Marx电路不连接辅助触发电路，其中0≤a≤N。

如图3所示，具体的，Marx电路包括n只串联的雪崩管，其中首位雪崩管的发射极接地，首位雪崩管的基极与触发单元2连接，首位雪崩管的集电极与其相邻的雪崩管的发射极相连，中间位置的前一个雪崩管的集电极与其后一个雪崩管的发射极相连，最后一个雪崩管集电极和充电电阻相连。

辅助触发电路包括辅助触发电容和辅助触发电阻，辅助触发电阻的两端与一个雪崩管的基极和发射极并联，辅助触发电容的两端分别与两个相邻的雪崩管的基极连接。前a级(0≤a≤N)带有辅助触发电阻的Marx电路，在静态时，辅助触发电容被充电，辅助触发电路的辅助触发电容通过辅助触发电阻以及雪崩管的基级和集电极形成回路，产生泄漏电流，为雪崩管的基极提供电流，使其处于临界雪崩状态。每个分区中第一级Marx电路的第一只雪崩管在外加脉冲的作用下导通后，辅助触发电容通过辅助触发电阻和导通的雪崩管放电，在下一只的辅助触发电阻上形成正脉冲电压，触发下一只雪崩管导通，从而完成每个分区中所有雪崩管的导通。

在每个分区中第一级Marx电路完全导通后，在第二级Marx电路的第一只管子的辅助触发电阻的两端产生电位差，使其导通，第二级Marx电路的后n-1只雪崩管以及后续Marx电路中雪崩管导通原理与上述相同。

后N-a级没有辅助触发电路的Marx电路，在前a级(0≤a≤N)带有辅助触发电路的雪崩管导通后，第a+1级雪崩管工作于过压导通的状态，依次击穿，完成N-a级Marx电路中雪崩管导通。

本申请由M级LTD电路(M≥1)串联组成，每一级LTD电路等效成1：1的变压器，每一级LTD电路的输出电压在副边依次串联叠加，在副边的第一级的上端和最后一级的下端输出M倍一级LTD电路的输出电压。每一级LTD电路都分为m个分区(m≥1)，m个分区(m≥1)并联向单级LTD电路原边输出，等效成每一级原边由m路Marx电路并联输出，原边的磁芯漏感变为1/m，缩短脉冲的上升沿，并且每个分区承受实际负载上的电流的1/m，相比与单Marx电路，将脉冲电源的脉冲电流通流容量提高了m倍。每一级LTD电路的每个分区，都由N级Marx电路(N≥1)构成，每级Marx电路由n只雪崩管组成，n只雪崩管串联可以使每一级的Marx电路的输出电压提高n倍，那么N级n只雪崩管串联的雪崩管相比于单雪崩管单级Marx电路输出电压理论上提高了N*n倍，并且在每只雪崩管的两端都并联了阻值大的均压电阻均压，防止雪崩管分压不均。触发单元2采用信号发生器。

如图3所示，本发明实施例示出的一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源，具体为3只雪崩管串联的3级Marx发生器的4分区2级LTD电路的脉冲电源，包括高压直流电源1、触发单元2、LTD电路原边3、LTD电路副边4；其中触发单元2分别与LTD电源原边3中每级LTD电路中每分区的第一级Marx电路的第一只雪崩管的基极相连接，高压直流电源1与LTD电源原边3中的充电回路相连，LTD电源副边4通过导线接示波器测量开路输出波形。

在本实施例中，信号发生器2通过1分2的功率分配器，对每一级的LTD电路输出触发脉冲，进而触发每级每分区第一级Marx电路的第一只管子同时导通。

在本实施例中，高压直流电源2的参数由Marx回路中每级串联雪崩管的个数N来确定，本实施例中，每级Marx电路中串联雪崩管的个数为3，因此本实施例的高压直流电源输出约960V电压给每级LTD电路供电。

在本实施例中，LTD电路原边3由2级LTD电路组成，两级LTD电路从上到下排列，每级LTD电路由4分区组成，每个分区的输出均绕过磁芯接地构成回路，每个分区中有3级Marx电路，Marx电路具体为Marx发生器，每级Marx电路为3个雪崩管串联，分别为依次串联的第一雪崩管Q

在本实施例中，3级Marx电路均采用辅助触发结构来使雪崩管导通，第一级Marx电路的第一只雪崩管采用外部信号发生器触发，第一级Marx电路的第一雪崩管Q

在本实施例中，用于给每一级LTD供电的高压直流电源电压Vcc设定为+960V。同时对整个过程的工作过程如下：首先串联2级LTD电路板，然后打开高压直流电源，待充电电流示数稳定后，打开信号发生器，产生触发脉冲。在每级LTD电路中每分区的第一级Marx电路的第一只雪崩管的基极接收到触发脉冲信号导通，之后由于电位差的原因，从下到上、从左到右，每级触发电路的辅助触发电阻上依次由辅助触发电容产生辅助触发脉冲使每只雪崩管依次导通，每个分区的Marx电路产生一个9倍雪崩管静态电压的输出电压脉冲，之后每分区的Marx电路的输出电压脉冲经过导体围绕磁芯放电，相当于变压器的原边为1匝，每级LTD副边均为同一个导体，2级LTD电路同时导通，在副边串联叠加输出一个电压为2倍单极LTD输出电压的纳秒脉冲电压。

本实施例中，主放电电容的充电电压为960V，由2级LTD电路板组成，每级LTD电路由4分区组成，每个分区由一个3级的Marx电路组成，每级由3只串联的雪崩管组成，所有Marx电路均采用辅助触发结构，整个脉冲电源的输出端开路，得到的输出电压波形图如图4所示，脉冲幅值为5.56kV，前沿(10％-90％)为4.08ns，半高宽为5.92ns，最大重复频率5kHz。

本申请采用多雪崩管串联的Marx电路可以提高每一级LTD的输出电压，而LTD电路的优势是将整体输出电压化整为零，对绝缘水平要求低，因此整个装置可以做的十分紧凑，减小结构电感，输出电压前沿更快，能量的利用效率更高；采用Marx和LTD电路相结合，相比于传统Marx电路，可以使每一级的LTD电路中的Marx电路中的雪崩管承受的电流变为原来的1/m，既可以应用在高负载阻抗的场合，也可以应用在低负载阻抗的场合。采用Marx和LTD电路相结合，可以使每一级的LTD电路中的Marx电路中的雪崩管承受的电流变为原来的1/m，等效成每个雪崩管的热容量增加，可以工作在更高的重复频率下。每级LTD电路的每个分区的N级Marx电路可以等效成并联后向磁芯原边输出电压，相较于一个分区的N级Marx电路，电源的等效内阻减小，可以有效提高输出脉冲的幅值，提高能量利用效率。

以上内容是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体方式仅限于此，对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明权利要求书确定的专利保护范围。