【《三种纳秒脉冲电源概述》1300字】

三种纳秒脉冲电源概述(1)马克思回路德国的E.马克思在1923年获得专利，设计出了如下图所示的产生高电压的冲击发生器多级回路，也被命名为马克思回路。其基本原理就是通过电容的并联充电，串联放电产生高电压脉冲。传统的Marx回路采用如下图所说的球隙开关，各个球隙预先加压至耐压值，当作用电压稍稍增加便会击穿。其优点在于触发简单、电压等级高（可以达到兆伏），流通能力强（可以达到上百千安培），但同时也存在着脉宽不可调，频率低、电极烧蚀与体积大的问题。针对这些问题，固态型Marx电路相比于传统型，成为了更为常用的纳秒脉冲高压电路。固态型Marx电路用IGBT等固态开关取代了球隙开关等，具有脉宽可调，高频率，长寿命，小体积且稳定的优势，但元件的耐压以及设备绝缘问题导致了电压电流等级被限制的问题，但相比于传统的Marx电路，已经存在着不可忽视的优越性。图1.2传统马克思回路原理图(2)直流脉冲驱动源直流脉冲驱动源（LinearTransformerDriver,LTD）相比于Marx电路多了变压器的结构。W.Jiang在2010曾开发了使用24个MOSFET制作的LTD电源[7]，2012年W.Jiang的研究中一个含有10模块的LTD堆被研究来证明同步的脉冲叠加。[8]2014年的研究中，该电源的输出电压是30个module的叠加。[9]同步开关时，输出累加为29kV交流电压，最大电流为交流240A，脉冲宽度从50-170ns。不同步开关时，输出波形脉冲形状可调，用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）可产生控制信号，调制波形。传统脉冲源通过压缩来调整脉冲时间宽度，但由于能量固定往往会导致脉冲强度提高，而这会提高对开关的要求，并因储能元件影响着系统的复杂性，且输出波形相对单调缺乏灵活性。图1.5脉冲压缩示意图但LTD不同于脉冲的压缩，通过叠加多个低强度脉冲，得到一个相对强的脉冲，更加紧凑简洁。因为开关不需要承受全部电压，所以对于整个系统的能量输出没有基础性的限制。图1.6能量叠加示意图LTD的能量叠加概念可以进一步扩展为脉冲的调制，通过时间相关的叠加，小脉冲可以得到一个所需的输出波形图1.7脉冲调制示意图大气压下气体放电的特征是动态阻抗变化，调节输出电压控制负载电流对某些应用有实际意义。比如，电压脉冲较短，放电电流低，但是相同电压水平持续一段时间后放电电流会增加，由于中心电极附近等离子体的发展。为了减少尖峰负载电流，要减少脉冲后段的负载电压，但开始又要有足够的电压来发生放电，所以用LTD堆来控制电压波形。图1.8使用LTD堆控制电压波形例如，在图c的情况中，就可以通过叠加12个如a图的输出波形与18个如b图的输出波形得到良好的控制，而图d则是通过使9个开关开关两次，当后面电流下降时重新调制使其提升。这种电源未来的努力方向是减少波前时间，最低脉冲宽度，从而达到更精确的波形控制。同时，更高频的FPGA也会被需要。以后甚至可以用算法来设计脉冲波形，自行调整振幅和波形来适应负载的变化。r图1.3LTD电路原理图(3)传输线脉冲变压器传输线脉冲变压器（TransmissionLinePulseTransformer,TLT）,其拓扑原理图如下图所示。相比于前述两种电路，这种电路也保持着串联输入，并联输出的特点。下图中2n条传输线在输入端并联，在输出端串联。当传输线阻抗和负载阻抗匹配时，每当输入端输入一个脉冲，输出端都可以得到其放大2n倍