納秒高壓脈沖源、Marx發(fā)生器及其電路仿真模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明Marx發(fā)生器的緊湊型納秒高壓脈沖源，省掉了現(xiàn)有高壓脈沖源中的峰化回路，由Marx發(fā)生器、控制單元、高壓直流充電電源三部分組成，其中Marx發(fā)生器包括殼體、脈沖電容器、氣體火花開關(guān)，殼體、脈沖電容器、氣體火花開關(guān)均為圓柱形，且三者同軸設(shè)置，殼體包括金屬殼身及位于殼身兩端與殼身固定連接的輸入端絕緣支撐蓋和輸出端絕緣支撐蓋。本發(fā)明Marx發(fā)生器全電路仿真模型，對自擊穿開關(guān)采用PSPICE模型進(jìn)行模擬，在電路模型創(chuàng)建時，可以直接調(diào)用該P(yáng)SPICE模型塊，對于該模型，僅需設(shè)置少數(shù)參數(shù)即可，使用非常方便。
【專利說明】納秒高壓脈沖源、Marx發(fā)生器及其電路仿真模型
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于脈沖功率【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及ー種高壓脈沖源及其Marx發(fā)生器及Marx發(fā)生器的電路仿真模型。
【背景技術(shù)】
[0002]脈沖功率技術(shù)是研究強(qiáng)電脈沖功率放大的技術(shù)，它以較低功率在較長的時間內(nèi)儲存電場或磁場能量，然后借助于各種開關(guān)進(jìn)行快速能量切換、脈沖壓縮、功率放大，在很短時間內(nèi)將脈沖電磁能量釋放到特定的負(fù)載上，也就是說將脈沖能量在時間尺寸上進(jìn)行壓縮，以獲得在極短時間內(nèi)的高峰值功率輸出。
[0003]1996年IEC頒布了 EMP波形的最新標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-2-10，即脈沖上升時間
2.3±0.5ns，半高寬23±5ns。2007年頒布的美軍標(biāo)MIL-STD-461F也采用了這ー標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的最大特點(diǎn)是所要求的瞬變脈沖電磁場上升時間變快，脈寬變窄。
[0004]為此研發(fā)緊湊型納秒高壓脈沖源，為瞬變電磁場產(chǎn)生裝置提供前級驅(qū)動源，使得產(chǎn)生的電磁環(huán)境滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為開展戰(zhàn)略武器系統(tǒng)、高新技術(shù)武器系統(tǒng)和軍用衛(wèi)星相關(guān)的HEMP效應(yīng)及其生存能力評估考核技術(shù)研究提供基礎(chǔ)和保障，同時這種高壓脈沖源也可作為其它特定負(fù)載的前級驅(qū)動源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種緊湊型納秒高壓脈沖源，能夠驅(qū)動天線負(fù)載在空間產(chǎn)生瞬變電磁場，瞬變脈沖電磁場具有上升時間變快，脈寬變窄的特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0007]ー種Marx發(fā)生器，包括殼體、脈沖電容器、氣體火花開關(guān)，其特殊之處在于:所述殼體、脈沖電容器、氣體火花開關(guān)均為圓柱形，且三者同軸設(shè)置，
[0008]所述殼體包括金屬殼身及位于殼身兩端與殼身固定連接的輸入端絕緣支撐蓋和輸出端絕緣支撐蓋，
[0009]所述脈沖電容器的高壓輸入端靠近輸入端絕緣支撐蓋且與直流電壓引入端連接，所述脈沖電容器的高壓輸出端與氣體火花開關(guān)的高壓電極連接，所述氣體火花開關(guān)的低壓電極靠近輸出端絕緣支撐蓋且與位于輸出端絕緣支撐蓋外側(cè)的高壓輸出端連接，
[0010]所述脈沖電容器的高壓輸出端套在殼體內(nèi)的接地圓盤的中心孔內(nèi)，并通過位于高壓輸出端處的環(huán)形連接板與接地圓盤固定連接。
[0011]還包括位于殼體下方支撐殼體的基座。
[0012]一種緊湊型納秒高壓脈沖源，其特殊之處在于:包括控制單元、高壓直流充電電源及Marx發(fā)生器，
[0013]所述控制単元包括電氣控制単元和氣路控制単元，所述電氣控制單元是用來控制高壓直流充電電源開關(guān)的合閘、分閘、高壓升降，實(shí)時監(jiān)測高壓直流充電電源的輸出電壓；所述氣路控制單元用于實(shí)現(xiàn)Marx發(fā)生器的氣體火花開關(guān)的有效隔離與導(dǎo)通，[0014]所述高壓直流充電電源為Marx發(fā)生器充電，
[0015]所述Marx發(fā)生器，包括殼體、脈沖電容器、氣體火花開關(guān)，所述殼體、脈沖電容器、氣體火花開關(guān)均為圓柱形，且三者同軸設(shè)置，
[0016]所述殼體包括金屬殼身及位于殼身兩端與殼身固定連接的輸入端絕緣支撐蓋和輸出端絕緣支撐蓋，
[0017]所述脈沖電容器的高壓輸入端靠近輸入端絕緣支撐蓋且與直流電壓引入端連接，所述脈沖電容器的高壓輸出端與氣體火花開關(guān)的高壓電極連接，所述氣體火花開關(guān)的低壓電極靠近輸出端絕緣支撐蓋且與位于輸出端絕緣支撐蓋外側(cè)的高壓輸出端連接，
[0018]所述脈沖電容器的高壓輸出端套在殼體內(nèi)的接地圓盤的中心孔內(nèi)，并通過位于高壓輸出端處的環(huán)形連接板與接地圓盤固定連接。
[0019]還包括位于殼體下方支撐殼體的基座。
[0020]ー種Marx發(fā)生器全電路仿真模型，其特殊之處在于:包括電容C；、電感Ln1、電阻R1自擊穿開關(guān)PSPICE模型SwitchOl、閉合開關(guān)Switch02、對地雜散電容Cg、并聯(lián)接地電阻Rg、純電阻負(fù)載Rf，
[0021]所述電容Cm、對地雜散電容Cg、并聯(lián)接地電阻Rg、純電阻負(fù)載Rf的一端接地，所述電容Cm的另一端與對地雜散電容Cg的另一端之間串聯(lián)電感Lm、電阻Rm及自擊穿開關(guān)PSPICE模型 SwitchOl,
[0022]所述對地雜散電容Cg與并聯(lián)接地電阻Rg的另一端共結(jié)點(diǎn)，所述并聯(lián)接地電阻Rg的另一端與純電阻負(fù)載Rf的另一端之間串聯(lián)閉合開關(guān)Switch02，所述純電阻負(fù)載Rf與閉合開關(guān)Switch02的結(jié)點(diǎn)處加電壓。
[0023]上述自擊穿開關(guān)PSPICE模型SwitchOl包括電弧電感Ls、電弧電阻R、間隙電容Cs、結(jié)構(gòu)電感Lp結(jié)構(gòu)電感L”以及結(jié)構(gòu)電容Cp
[0024]所述結(jié)構(gòu)電感Lp電弧電阻R、電弧電感Ls、結(jié)構(gòu)電感依次串聯(lián)，所述結(jié)構(gòu)電容Cj串聯(lián)在結(jié)構(gòu)電感I1的另一端與結(jié)構(gòu)電感L”的另一端之間，所述間隙電容Cs的一端連接在結(jié)構(gòu)電感I1與電弧電阻R之間，所述間隙電容的另一端連接在電弧電感Ls與結(jié)構(gòu)電感Lj2之間，所述電弧電阻R為可變電阻。
[0025]本發(fā)明的有益效果:
[0026]1、本發(fā)明Marx發(fā)生器，通過合理的部件設(shè)計(jì)及布局，具有緊湊型的特點(diǎn)，同時大大降低了發(fā)生器的電感值。
[0027]2、本發(fā)明緊湊型納秒高壓脈沖源，通過對Marx發(fā)生器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使得高壓脈沖源在省掉峰化回路的情況下，也可在負(fù)載上獲得上升時間為2.3ns，脈沖寬度為25ns的高壓脈沖輸出，因此本發(fā)明相對于現(xiàn)有設(shè)計(jì)來講具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，同時本發(fā)明對高壓脈沖源的三大組成部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使得本發(fā)明具有輕便、易于移動、能方便的用于不同負(fù)載的好處。
[0028]3、本發(fā)明Marx發(fā)生器全電路仿真模型，對自擊穿開關(guān)采用PSPICE模型進(jìn)行模擬，在電路模型創(chuàng)建時，可以直接調(diào)用該P(yáng)SPICE模型塊，對于該模型，僅需設(shè)置少數(shù)參數(shù)即可，使用非常方便。
【專利附圖】

【附圖說明】[0029]圖1為高壓脈沖源的一般構(gòu)成框圖；
[0030]圖2為Marx發(fā)生器；
[0031 ] 圖3為采用的氣體火花開關(guān)；
[0032]圖4為高壓脈沖源的等效電路；
[0033]圖5為Marx發(fā)生器電路仿真模型；
[0034]圖6為氣體火花開關(guān)電參數(shù)模型；
[0035]圖7為模擬預(yù)測輸出波形。
【具體實(shí)施方式】
[0036]如圖1所示，高壓脈沖源由三大部分組成，包括初級儲能和脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)及負(fù)載系統(tǒng)。初級儲能系統(tǒng)由初級能源供電(初級能源由動カ電供電)，以相對慢(s量級)的儲能通過開關(guān)產(chǎn)生高電壓或大電流脈沖s量級)，同時快速傳遞給脈沖儲能部件，再通過開關(guān)將脈沖整形和壓縮，由傳輸線將脈沖電磁能量傳遞給負(fù)載，最終在負(fù)載上產(chǎn)生納秒高壓脈沖，前兩部分組成高壓脈沖源。
[0037]現(xiàn)有的納秒高壓脈沖源一般采用Marx發(fā)生器+峰化回路或ニ級脈沖壓縮電路獲得快的脈沖上升時間，而對于電壓幅值IOOkV左右的高壓脈沖源，可通過對Marx發(fā)生器合理設(shè)計(jì)，使Marx發(fā)生器的總電感滿足一定要求，利用脈沖電容器通過高氣壓、小間隙直接對負(fù)載放電的原理實(shí)現(xiàn)。
[0038]為使高壓脈沖源總電感量達(dá)到要求，本發(fā)明對Marx發(fā)生器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，如圖2所不，Marx發(fā)生器包括殼體1、脈沖電容器2、氣體火花開關(guān)3,殼體1、脈沖電容器2、氣體火花開關(guān)3均為圓柱形,且三者同軸設(shè)置,殼體I包括金屬殼身及位于殼身兩端與殼身固定連接的輸入端絕緣支撐蓋4和輸出端絕緣支撐蓋5。
[0039]脈沖電容器的高壓輸入端靠近輸入端絕緣支撐蓋且與直流電壓引入端連接，脈沖電容器的高壓輸出端與氣體火花開關(guān)的高壓電極連接，氣體火花開關(guān)的低壓電極靠近輸出端絕緣支撐蓋5且與位于輸出端絕緣支撐蓋外側(cè)的高壓輸出端連接。脈沖電容器的高壓輸出端套在殼體內(nèi)的接地圓盤7的中心孔內(nèi)，并通過位于高壓輸出端處的環(huán)形連接板14與接地圓盤7固定連接。殼體下方設(shè)置有支撐殼體的基座6。
[0040]使用上述Marx發(fā)生器的緊湊型納秒高壓脈沖源，省掉了現(xiàn)有高壓脈沖源中的峰化回路，由三部分組成，即Marx發(fā)生器、控制單元、高壓直流充電電源，且三者采用模塊化設(shè)計(jì)。
[0041]其中控制單元包括電氣控制単元和氣路控制単元，電氣控制單元是用來控制高壓直流充電電源開關(guān)的合閘、分閘、高壓升降，實(shí)時監(jiān)測高壓直流充電電源的輸出電壓；氣路控制單元用于實(shí)現(xiàn)氣體火花開關(guān)的有效隔離與導(dǎo)通。
[0042]高壓直流充電電源為正IOOkV直流電源，是通過全波整流實(shí)現(xiàn)直流高壓輸出，而后通過充電電阻對Marx發(fā)生器的脈沖電容器充電，當(dāng)充電達(dá)到預(yù)定值時，氣體火花開關(guān)擊穿導(dǎo)通，脈沖電容器對負(fù)載放電，最終在負(fù)載上產(chǎn)生高壓脈沖。
[0043]圖3為本發(fā)明所采用的氣體火花開關(guān)的結(jié)構(gòu)，主要包括高壓電極11與高壓電極基座10、低壓電極13與低壓電極基座12、絕緣氣體腔室9以及充放氣標(biāo)準(zhǔn)氣嘴8。對氣體火花開關(guān)的要求是導(dǎo)通時間短(小于5ns)，工作穩(wěn)定。[0044]圖4為高壓脈沖源的等效電路，其中C為脈沖電容器，Kl為開關(guān)，L為負(fù)載，據(jù)圖4的等效電路，建立一階齊次微分方程:
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種Marx發(fā)生器,包括殼體(I)、脈沖電容器(2)、氣體火花開關(guān)(3),其特征在于:所述殼體(I)、脈沖電容器(2)、氣體火花開關(guān)(3)均為圓柱形，且三者同軸設(shè)置， 所述殼體(I)包括金屬殼身及位于殼身兩端與殼身固定連接的輸入端絕緣支撐蓋(4)和輸出端絕緣支撐蓋(5)， 所述脈沖電容器(2)的高壓輸入端靠近輸入端絕緣支撐蓋(4)且與直流電壓引入端連接，所述脈沖電容器(2)的高壓輸出端與氣體火花開關(guān)(3)的高壓電極連接，所述氣體火花開關(guān)(3)的低壓電極靠近輸出端絕緣支撐蓋(5)且與位于輸出端絕緣支撐蓋外側(cè)的高壓輸出端連接， 所述脈沖電容器(3)的高壓輸出端套在殼體內(nèi)的接地圓盤(7)的中心孔內(nèi)，并通過位于高壓輸出端處的環(huán)形連接板(14)與接地圓盤(7)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Marx發(fā)生器，其特征在于:還包括位于殼體下方支撐殼體的基座(6)。
3.一種緊 湊型納秒高壓脈沖源，其特征在于:包括控制單元、高壓直流充電電源及Marx發(fā)生器， 所述控制単元包括電氣控制単元和氣路控制単元，所述電氣控制單元是用來控制高壓直流充電電源開關(guān)的合閘、分閘、高壓升降，實(shí)時監(jiān)測高壓直流充電電源的輸出電壓；所述氣路控制単元用于實(shí)現(xiàn)Marx發(fā)生器的氣體火花開關(guān)的有效隔離與導(dǎo)通， 所述高壓直流充電電源為Marx發(fā)生器充電， 所述Marx發(fā)生器，包括殼體(I)、脈沖電容器(2)、氣體火花開關(guān)(3)，所述殼體(I)、脈沖電容器(2)、氣體火花開關(guān)(3)均為圓柱形，且三者同軸設(shè)置， 所述殼體(I)包括金屬殼身及位于殼身兩端與殼身固定連接的輸入端絕緣支撐蓋(4)和輸出端絕緣支撐蓋(5)， 所述脈沖電容器(2)的高壓輸入端靠近輸入端絕緣支撐蓋(4)且與直流電壓引入端連接，所述脈沖電容器(2)的高壓輸出端與氣體火花開關(guān)(3)的高壓電極連接，所述氣體火花開關(guān)(3)的低壓電極靠近輸出端絕緣支撐蓋(5)且與位于輸出端絕緣支撐蓋外側(cè)的高壓輸出端連接， 所述脈沖電容器(3)的高壓輸出端套在殼體內(nèi)的接地圓盤(7)的中心孔內(nèi)，并通過位于高壓輸出端處的環(huán)形連接板(14)與接地圓盤(7)固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的緊湊型納秒高壓脈沖源，其特征在于:還包括位于殼體下方支撐殼體的基座(6)。
5.ー種用于權(quán)利要求1所述的Marx發(fā)生器全電路仿真模型，其特征在于:包括電容Cm、電感Lm、電阻Rm、自擊穿開關(guān)PSPICE模型SwitchOl、閉合開關(guān)Switch02、對地雜散電容Cg、并聯(lián)接地電阻Rg、純電阻負(fù)載Rf， 所述電容Cm、對地雜散電容Cg、并聯(lián)接地電阻Rg、純電阻負(fù)載Rf的一端接地，所述電容Cm的另一端與對地雜散電容Cg的另一端之間串聯(lián)電感Lm、電阻Rm及自擊穿開關(guān)PSPICE模型 SwitchOl, 所述對地雜散電容Cg與并聯(lián)接地電阻Rg的另一端共結(jié)點(diǎn)，所述并聯(lián)接地電阻Rg的另一端與純電阻負(fù)載Rf的另一端之間串聯(lián)閉合開關(guān)Switch02，所述純電阻負(fù)載Rf與閉合開關(guān)Switch02的結(jié)點(diǎn)處加電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的Marx發(fā)生器全電路仿真模型，其特征在于: 所述自擊穿開關(guān)PSPICE模型SwitchOl包括電弧電感Ls、電弧電阻R、間隙電容Cs、結(jié)構(gòu)電感Lp結(jié)構(gòu)電感L”以及結(jié)構(gòu)電容Cp 所述結(jié)構(gòu)電感Lp電弧電阻R、電弧電感Ls、結(jié)構(gòu)電感依次串聯(lián)，所述結(jié)構(gòu)電容Cj串聯(lián)在結(jié)構(gòu)電感Lj1的另一端與結(jié)構(gòu)電感L”的另一端之間，所述間隙電容Cs的一端連接在結(jié)構(gòu)電感Ij1與電弧電阻R之間，所述間隙電容的另一端連接在電弧電感Ls與結(jié)構(gòu)電感L”之間，所述電弧電阻R為可變電阻。
【文檔編號】H03K3/02GK103457577SQ201310413098
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月4日
【發(fā)明者】郭恩全, 黃建軍, 翟鋒濤, 劉順坤, 郭永峰 申請人:陜西海泰電子有限責(zé)任公司