具有初级加速触发的多级marx电路及脉冲功率系统的制作方法

1.本实用新型属于脉冲功率电路技术领域，更具体地，涉及一种具有初级加速触发的多级marx电路及脉冲功率系统。


背景技术：

2.脉冲功率技术首先把电能以较低的功率存储起来，然后通过开关、传输回路等在很短的时间内把能量释放给负载，从而在负载上获得很高的脉冲功率。部分脉冲功率技术是由于国防需要而发展起来的，包括：轨道炮、电磁隐身技术、探地雷达、冲击雷达、电磁对抗等。脉冲功率技术对脉冲功率系统有着极致的特性需求，需要上升前沿陡、脉宽窄的快脉冲技术。
3.雪崩晶体管abjt(avalanche bipolar junction transistor)，是一种应用于ns级和ps级脉冲功率系统的新型超高速、快前沿半导体脉冲功率器件，它可以提供极高的开关速度，能产生具有亚ns级和甚至是ps级上升沿的高峰值功率脉冲。另外，基于abjt的marx电路在第一级触发abjt，随后的abjt都会因为集电极-发射极两端电压超调使其过压击穿开通。因为abjt器件整体尺寸较小，由abjt组成的marx电路集成性好，且易触发控制，能够产生幅值远高于电源电压的脉冲，因此得到了国内外学者的广泛应用。
4.漂移阶跃恢复二极管(dsrd)是一种断路型脉冲功率开关，具有纳秒级亚纳秒级的开关速度。dsrd因其结构简单、通流能力大、高耐压、高重频，且基于dsrd的脉冲产生电路结构简单，所以被广泛用于脉冲功率领域，如探地雷达、超快光束发射器、加速器等。
5.如图1所示，为现有的传统marx电路。在实际应用过程中发现，基于abjt的marx电路在重频工作时，位于marx电路中第一级abjt在基极触发后，开通速度较慢，导致第二级的abjt出现慢速dv/dt触发，导致器件开通的区域较小，电流丝效应更明显，更易热损坏。第二级abjt热损坏成为短路点之后，由于marx电路结构的特殊性，又会导致第三级abjt的触发的dv/dt降低，热损坏现象会由第二级持续扩散至后续级。所以在marx电路产生重频脉冲的过程中，如何从根本上解决第二级abjt2中出现的热损坏现象，并且热损坏从第二级传递使器件逐级损坏的现状是个重要问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种具有初级加速触发的多级marx电路及脉冲功率系统，旨在从根本上解决在高频重复脉冲工况下，由于第二级支路中雪崩晶体管出现热损坏并导致后续级电路中雪崩晶体管器件逐级热损坏的不可逆的过程。
7.为实现上述目的，第一方面，本实用新型提供了一种具有初级加速触发的多级marx电路，包括初级加速电路和多条单极marx电路，所述初级加速电路包括漂移阶跃恢复二极管dsrd、dsrd触发电路和雪崩晶体管abjt1；
8.其中，所述多条单极marx电路位于多级marx电路中的第2～n级，所述多条marx电路接有雪崩晶体管abjt2～abjtn和脉冲负载电阻rs2～rsn，雪崩晶体管abjt1的集电极通
过电容c1与雪崩晶体管abjt2的基极和发射极相连，每条单级电路串联限流电阻rx2～rxn后连接高压直流电源dc2，相邻单级电路之间对应通过电容c2～cn连接，电容cn通过负载rl接地；所述初级加速电路用于利用漂移阶跃恢复二极管dsrd的快速关断能力施加一个高速触发脉冲到雪崩晶体管abjt1的发射极和集电极两端，使得雪崩晶体管abjt1快速过压开通，并产生快速触发脉冲到雪崩晶体管abjt2。
9.本实用新型提供的具有初级加速触发的多级marx电路，将初级加速电路应用于频繁热损坏的常规多级marx电路中，从电路结构角度可有效保证第二支路中abjt2的高效工作状态，从根本上避免abjt2因为较慢电压脉冲触发不均匀导致的热损坏问题，有效解决marx电路中由于abjt2热损坏并导致电路逐级损坏的不可逆过程，提高abjt2～abjtn在marx电路中的使用可靠性。
10.在其中一个实施例中，所述dsrd触发电路包括功率开关q1、高压直流电源dc1、磁饱和变压器tr和限流电阻r和rx1；
11.其中，所述磁饱和变压器tr的初级线圈的一端依次通过电感l、电容co1分别与功率开关q1的集电极、限流电阻r的一端相连，限流电阻r的另一端与高压直流电源dc1的正极相连，功率开关q1的发射极和磁饱和变压器tr的初级线圈的另一端分别与高压直流电源dc1的负极相连；所述磁饱和变压器tr的次级线圈的一端通过电容c02分别与漂移阶跃恢复二极管dsrd的正极、雪崩晶体管abjt1的基极和发射极相连，漂移阶跃恢复二极管dsrd的负极接地；所述限流电阻rx1的一端与高压直流电源dc2的正极相连，限流电阻rx1的另一端通过电容c03接地。
12.在其中一个实施例中，所述多级marx电路的级数为5～30级。
13.在其中一个实施例中，所述功率开关q1采用场效应晶体管。
14.第二方面，本实用新型提供了一种脉冲功率系统，包括上述所述的具有初级加速触发的多级marx电路。
附图说明
15.图1是传统marx电路的电路原理图；
16.图2是本实用新型一实施例提供的具有初级加速触发的多级marx电路的电路原理图。
具体实施方式
17.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
18.图1为传统marx电路的电路原理图，如图1所示，充电过程中，整个marx电路由高压电源dc通过限流电阻rx(1～n)对脉冲放电电容c(1～n)充电，使得雪崩晶体管abjt(1～n)工作在临界雪崩区。marx电路工作过程中，首先是由触发电路qd触发abjt1开通，电容c1通过abjt1放电形成回路c1-abjt1-rs2-c1，在rs2上产生负脉冲，使得在abjt2上产生慢速dv/dt的电压斜坡，abjt2两端超过一定耐压值，随后过压开通，使得c2与c1串联放电，形成回路c2-abjt2-c1-abjt1-rs3-c2，在rs3上产生负脉冲，使得在abjt3上产生快速dv/dt的电压斜
坡，abjt3两端超过一定耐压值，过压开通，随后依次开通剩余abjt(4～n)，使得电容c(1～n)串联放电，最终在负载rl上产生电压脉冲，完成一次脉冲放电。重复脉冲时，由于abjt2重复地由慢速dv/dt触发，导致器件局部开通，形成具有破坏性的电流丝，没有足够的自然散热时间，使得abjt2在重频脉冲工况下极易热损坏，使得基于abjt的marx电路不具备重频工况下的可靠性。
19.图2为本实用新型一实施例提供的具有初级加速触发的多级marx电路，如图2所示，该多级marx电路包括初级加速电路和依次级联的多条单极marx电路。需要说明的是，本实施例提供的多级marx电路的级数具体可根据脉冲峰值的需求级联效率，比如5～30级，本实施例不作限制。
20.其中，多条单极marx电路位于在多级marx电路中的第2～n级，其电路结构与传统marx电路中的第2～n级marx电路的电路结构相连，即由雪崩晶体管abjt(2～n)、限流电阻rx(2～n)、电容c(2～n)和脉冲负载电阻rs(2～n)组成。其中，多条marx电路接有雪崩晶体管abjt2～abjtn和脉冲负载电阻rs(2～n)，每条单级电路串联限流电阻rx2～rxn后连接高压直流电源dc2，相邻单级电路之间对应通过电容c2～cn连接，电容cn通过负载rl接地。
21.初级加速电路包括漂移阶跃恢复二极管dsrd、dsrd的触发电路和雪崩晶体管abjt1，雪崩晶体管abjt1的集电极通过电容c1与雪崩晶体管abjt2的基极和发射极相连。
22.在本实施例中，考虑到在传统多级marx电路中，第一级的雪崩晶体管abjt1是由基极触发，其开通速度比后续级的雪崩晶体管abjt2～abjtn过压触发的开通速度慢10倍左右，造成施加到abtj2上的触发脉冲比abtj3～abjtn的较平缓，导致abtj2开通不均匀，出现频繁热损坏现象。为此，本实施例提供的初级加速电路通过利用dsrd的快速关断能力产生超快前沿的触发脉冲施加在abjt1的发射极和集电极两端，使得abjt1快速过压开通，并产生快速触发脉冲到abjt2，进而使得后级marx电路在abjt1被触发的情况下，abjt2～abjtn依次开通，直至电容c1～cn串联放电并最终在负载r
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上产生电压脉冲，可避免marx电路中的abjt2因为触发不均匀而造成的大面积损坏，有效提高abjt2～abjtn在marx电路中的使用可靠性。
23.具体地，本实施例提供的dsrd的触发电路可采用功率开关q1、高压直流电源dc1、磁饱和变压器tr和限流电阻r和rx1的组成电路。各器件的连接关系为：磁饱和变压器tr的初级线圈的一端依次通过电感l、电容co1分别与功率开关q1的集电极、电阻r的一端相连，电阻r的另一端与高压直流电源dc1的正极相连，功率开关q1的发射极和磁饱和变压器tr的初级线圈的另一端均与外部高压直流电源dc1的负极相连；磁饱和变压器tr的次级线圈的一端通过电容c02分别与漂移阶跃恢复二极管dsrd的正极、雪崩晶体管abjt1的基极和发射极相连，漂移阶跃恢复二极管dsrd的负极接地；限流电阻rx1的一端与高压直流电源dc2的正极相连，限流电阻rx1的另一端通过电容c03接地。具体地，本实施例提供的功率开关q1可采用场效应晶体管。
24.基于dsrd的触发电路电路结构的具有初级加速触发的多级marx电路的工作原理为：
25.充电过程中，高压直流电源dc1通过限流电阻r对初级加速电路中的电容c01充电，高压直流电源dc2通过限流电阻rx(1～n)对脉冲放电电容c(1～n)、电容c03充电，使得abjt(1～n)工作在临界雪崩区。
26.整个marx电路工作在重频工况下，高压直流电源dc1与dc2正常供电，功率开关q1触发开通，电容c01放电形成回路c01-q1-tr-l-c01，并通过磁饱和变压器tr对电容c02形成充电回路tr-c02-dsrd-tr给电容c02充电，此时漂移阶跃恢复二极管dsrd被正向导通泵浦。由于磁饱和变压器tr铁芯的磁饱和过程，电容c02充电停止并开始形成反向放电回路c02-tr-dsrd-c02并抽取dsrd中的载流子导致dsrd快速关断，使得电容c02与c03串联放电形成快速高压脉冲回路c02-tr-c03-abjt1-c02，快速高压脉冲施加到雪崩晶体管abjt1的集电极和发射极两端，导致abjt1快速过压开通。abjt1开通后，电容c1放电形成回路c1-abjt1-c02-tr-rs2-c1，并在限流电阻rs2上形成高速脉冲施加到雪崩晶体管abjt2的集电极和发射极两端，造成abjt2快速过压开通，从而电容c2与c1串联放电形成回路c2-abjt2-c1-abjt1-c02-tr-rs3-c2使得后续级abjt3～abjtn以此方式导通，最后电容c02与c1～cn串联放电并在负载rl上形成高压脉冲。
27.本实施例提供的具有初级加速触发的多级marx电路，将初级加速电路应用于频繁热损坏的常规多级marx电路中，从电路结构角度可有效保证第二支路中abjt2的高效工作状态，从根本上避免abjt2因为较慢电压脉冲触发不均匀导致的热损坏问题，有效解决marx电路中由于abjt2热损坏并导致电路逐级损坏的不可逆过程，提高abjt2～abjtn在marx电路中的使用可靠性。
28.本实用新型还提供了一种脉冲功率系统，包括上述的具有初级加速触发的多级marx电路。
29.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有初级加速触发的多级marx电路，其特征在于，包括初级加速电路和多条单极marx电路，所述初级加速电路包括漂移阶跃恢复二极管dsrd、dsrd触发电路和雪崩晶体管abjt1；其中，所述多条单极marx电路位于多级marx电路中的第2～n级，所述多条marx电路接有雪崩晶体管abjt2～abjtn和脉冲负载电阻rs2～rsn，雪崩晶体管abjt1的集电极通过电容c1与雪崩晶体管abjt2的基极和发射极相连，每条单级电路串联限流电阻rx2～rxn后连接高压直流电源dc2，相邻单级电路之间对应通过电容c2～cn连接，电容cn通过负载rl接地；所述初级加速电路用于利用漂移阶跃恢复二极管dsrd的快速关断能力施加一个高速触发脉冲到雪崩晶体管abjt1的发射极和集电极两端，使得雪崩晶体管abjt1快速过压开通，并产生快速触发脉冲到雪崩晶体管abjt2。2.根据权利要求1所述的具有初级加速触发的多级marx电路，其特征在于，所述dsrd触发电路包括功率开关q1、高压直流电源dc1、磁饱和变压器tr和限流电阻r和rx1；其中，所述磁饱和变压器tr的初级线圈的一端依次通过电感l、电容co1分别与功率开关q1的集电极、限流电阻r的一端相连，限流电阻r的另一端与高压直流电源dc1的正极相连，功率开关q1的发射极和磁饱和变压器tr的初级线圈的另一端分别与高压直流电源dc1的负极相连；所述磁饱和变压器tr的次级线圈的一端通过电容c02分别与漂移阶跃恢复二极管dsrd的正极、雪崩晶体管abjt1的基极和发射极相连，漂移阶跃恢复二极管dsrd的负极接地；所述限流电阻rx1的一端与高压直流电源dc2的正极相连，限流电阻rx1的另一端通过电容c03接地。3.根据权利要求1所述的具有初级加速触发的多级marx电路，其特征在于，所述多级marx电路的级数为5～30级。4.根据权利要求2所述的具有初级加速触发的多级marx电路，其特征在于，所述功率开关q1采用场效应晶体管。5.一种脉冲功率系统，其特征在于，包括权利要求1～4任意一项所述的具有初级加速触发的多级marx电路。

技术总结
本实用新型公开了一种具有初级加速触发的多级marx电路及脉冲功率系统，包括：初级加速电路，包括DSRD、DSRD触发电路和雪崩晶体管ABJT1；多条marx电路，包括雪崩晶体管ABJT2～ABJTn、脉冲负载电阻Rs2～Rsn和限流电阻Rx2～Rxn；初级加速电路用于利用DSRD的快速关断能力施加一个高速触发脉冲到雪崩晶体管ABJT1的发射极和集电极两端，使得雪崩晶体管ABJT1快速过压开通，并产生快速触发脉冲到雪崩晶体管ABJT2。本实用新型可避免marx电路中的ABJT2因为触发不均匀而造成的大面积损坏，有效提高ABJT2～ABJTn在marx电路中的使用可靠性。ABJT2～ABJTn在marx电路中的使用可靠性。ABJT2～ABJTn在marx电路中的使用可靠性。


技术研发人员：温凯俊 项卫光
受保护的技术使用者：武汉脉冲芯电子科技有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/10/20