[发明专利]一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器

说明书

本发明涉及一种准方波脉冲发生器，具体涉及一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，属于脉冲功率技术领域。所述脉冲发生器由脉冲形成模块、脉冲升压模块、负载三大部分组成。脉冲形成模块的输入端与初级储能系统的输出端相连接，脉冲形成模块的输出端与脉冲升压模块的输入端相连接，脉冲升压模块的输出端与负载相连接。本发明要解决的技术问题是克服现有脉冲形成模块所需网络节数过多、寿命短、输出波形平顶稳定性较差和脉冲升压模块波形畸变严重、脉冲升压比低等不足，提出了一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，具有成本较低、网络节数少、免维护、电压升压比高且脉冲波形无畸变等优势，实现了平顶稳定性好的高电压长脉宽准方波脉冲输出。

技术领域

本发明涉及一种准方波脉冲发生器，具体涉及一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器，属于脉冲功率技术领域，主要用于高电压准方波脉冲的产生，可以应用于高功率微波、消毒、食品和废水处理等领域。

背景技术

脉冲功率技术起源于20世纪60年代初期，随着现代工业、农业、环保、医学、生物电子学和国防等众多领域的发展，研究和发展具有高功率、长脉宽、集成紧凑化和长使用寿命等特点的准方波脉冲发生器是一个亟待解决的重要问题。

根据储能类型不同，脉冲发生器可分为电感储能型和电容储能型。电感储能型装置具有储能密度高的优点，易于实现系统小型化。然而此类脉冲功率发生器往往需要一个能提供大电流的电源，另外稳定的断路开关制造难度较大。电容储能型装置具有能量转换效率高、重频运行能力强、阻抗调节范围大等优点，实际上目前大多数发生器仍然采用电容储能方式。电容储能型脉冲发生系统通常可分为四大模块：初级储能模块、脉冲形成模块、升压模块和负载，其中，脉冲形成模块和升压模块是整个系统的核心部分。

在脉冲形成模块中主要有两大类：脉冲形成线技术(PFL)和脉冲形成网络技术(PFN)。在输出超过200ns的长脉冲时，PFL由于成本高、体积巨大，较少被采用；而PFN具有储能密度高等优势，是产生长脉冲输出的主要技术途径。随着材料技术迅猛发展，陶瓷和云母等一系列新型高介电常数的材料已经逐渐进入实用化阶段。这类材料由于具有高介电常数和良好的耐压特性，能够使储能部件缩减到相当小的体积，同时还能保证一定功率容量；而其固态化的特性又有利于模块化组装和更好的环境适应性，为PFN的应用打下了良好的基础。脉冲形成网络可以分为等电容等电感网络和Guillemin网络。已有的关于等电容等电感网络的技术报道包括李志强，杨建华和张建德等2014年在《强激光与粒子束》上发表的论文《固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器》【李志强，杨建华，张建德，等，“固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器”，强激光与粒子束，2014，Vol.26，No.6，065004】(下文称背景技术一)。该网络得益于脉冲电容器的商品化和较低的造价，目前仍是最常用的脉冲形成网络形式，但其输出准方波时所需网络节数较多且波形受寄生参数影响较大，波形平顶质量较差；而Guillemin网络可分为串联谐振式网络、反谐振式网络、链形网络、梯形网络和等电容网络，其中，由一节LC串联谐振网络和多节LC并联谐振网络构成的反谐振网络，由于其能将LC串联放电电路(比如Marx发生器)的正弦输出波形调制成方波波形且可降低对电容器内感和绝缘要求而具有非常现实的意义。由于Guillemin网络多采用特定值的电容和电感，制造和采购的难度较大，通常要设计五节或五节以上的网络才能输出波形质量较好的方波，网络节数多且易受结构尺寸限制以及寄生参数的影响，波形难以调节，而减少网络节数又无法获得理想的准方波脉冲输出，难以广泛应用。因此，寻求一种成本较低、网络节数少、免维护、长寿命、适合工业应用的准方波脉冲发生器对于实现高功率脉冲驱动源的紧凑化、固态化发展具有重要的意义。