[发明专利]一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器

说明书

本发明公开了一种基于脉冲形成网络和压敏电阻的高压脉冲发生器，目的是解决现有高压脉冲发生器产生的脉冲后期波形平顶下降以及能量浪费严重等问题。本发明由Marx发生器、MOV组件、电感L₁、负载Z、放电开关S₁、LC滤波支路组成，LC滤波支路由电感L₂和电容C₂并联而成，Marx发生器、L₁以及LC滤波支路构成两节脉冲形成网络；LC滤波支路串联在Marx发生器和L₁之间，L₁串联在LC滤波支路和MOV组件间，Marx发生器与LC滤波支路间接有S₁；Z、MOV组件、Marx发生器并联。本发明不需要脉冲形成线，能产生波形平顶稳定的高压脉冲方波，且能有效提高能量利用效率。

技术领域

本发明涉及高功率脉冲驱动源技术领域的高压脉冲发生器，尤其涉及一种将压敏电阻和脉冲形成网络相结合而构成的高压脉冲发生器。

背景技术

高功率脉冲驱动源能够产生具有准确波形的纳秒高压脉冲，能将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，来获得在极短时间内的高功率脉冲输出。在高功率脉冲驱动源技术中，如何产生具有准确波形的瞬时脉冲至关重要。一种基本的方法是利用Marx发生器和脉冲形成线来产生脉冲。但由于Marx发生器和脉冲形成线体积巨大，使其在实际应用方面受到了限制。所以小型化一直是高功率脉冲驱动源技术追求的目标之一。目前的一个基本思路是减少能量转移环节，例如不用脉冲形成线直接从Marx发生器产生方波。传统的高功率脉冲驱动源主要基于火花隙开关和液体储能介质，它们的寿命、稳定性和可靠性都有一定的限制。实现脉冲功率系统的固态化是高功率脉冲驱动源技术研究的另一个关键问题。

金属氧化物压敏电阻(Metal-Oxide Varistor,MOV)是一种多晶陶瓷，具有电阻值对外加电压敏感变化的特性，主要用于限制电路中出现的瞬态过电压、吸收浪涌能量。基于MOV的稳压特性，可以将其应用于高功率脉冲驱动源领域中高压脉冲方波的产生。用MOV代替传统脉冲形成线来产生高压脉冲方波，一方面大幅减小了系统体积，有利于实现高功率脉冲驱动源系统的固态化和小型化；另一方面也将促进相关半导体材料领域的进步和发展，为半导体材料提供更广泛的应用空间。随着高功率脉冲驱动源系统应用场景的不断扩展，这种结构紧凑、全固态化的高压脉冲发生器具有广阔的应用前景。

美国研究人员M.C.Clark在其发表的学术论文“A New,Compact Pulsed PowerSystem Based on Surge Arrestor Technology”【IEEE Pulsed Power Conference,2009,pp:938-943】(《一种基于浪涌避雷器技术的新型紧凑化脉冲功率系统》【2009年国际脉冲功率会议论文集，第938-943页】)中介绍了一种利用MOV来产生脉冲方波的高压脉冲发生器，以下简称技术方案一。该高压脉冲发生器的原理图如图1所示。该高压脉冲发生器由Marx发生器、MOV组件、电感L₁、负载Z、放电开关S₁以及撬断开关S₂组成。Marx发生器、MOV组件以及负载Z三者是并联关系；在Marx发生器和MOV组件之间接有放电开关S₁和电感L₁，在MOV组件和负载Z之间接有撬断开关S₂。Marx发生器产生高压脉冲，经过MOV组件的电压钳制作用，在负载Z上得到脉冲方波输出。此高压脉冲发生器输出波形如图2(该图是《一种基于浪涌避雷器技术的新型紧凑化脉冲功率系统》论文中的原图)所示，其中横坐标表示时间(Time)，单位为微秒(usecs)，纵坐标表示电压(Volts)，单位为伏特；输出电压幅值V_max约为-350kV，脉冲波形平顶(90％V_max-90％V_max对应的时间尺度)约0.2us(0.7us-0.9us)。