阅读说明：本技术 一种圆弧形固态脉冲形成线及其设计方法 (Arc-shaped solid-state pulse forming line and design method thereof ) 是由 伍友成 曹龙博 何泱 于 2019-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种圆弧形固态脉冲形成线及其设计方法,所述脉冲形成线至少包括上圆弧形金属板、下圆弧形金属板和若干陶瓷电容器,所述陶瓷电容器并排的设置于所述上圆弧形金属板与下圆弧形金属板之间,且所述陶瓷电容器的两端分别与所述上圆弧形金属板与下圆弧形金属板电性连接；所述上圆弧形金属板上还设有上金属板充电端口和上电极头；所述下圆弧形金属板上还设有下金属板充电端口和下电极头；所述上电极头与下电极头相互错开,分别朝上和朝下放电。本发明装置具有尺寸小和重量轻的特点,且多个圆弧形固态脉冲形成线易于组合形成同轴型结构,能够有效减小高阻抗高电压脉冲产生装置的体积和重量。(The invention discloses an arc-shaped solid-state pulse forming line and a design method thereof, wherein the pulse forming line at least comprises an upper arc-shaped metal plate, a lower arc-shaped metal plate and a plurality of ceramic capacitors, the ceramic capacitors are arranged between the upper arc-shaped metal plate and the lower arc-shaped metal plate side by side, and two ends of each ceramic capacitor are respectively and electrically connected with the upper arc-shaped metal plate and the lower arc-shaped metal plate; the upper arc-shaped metal plate is also provided with an upper metal plate charging port and an upper electrode head; the lower arc-shaped metal plate is also provided with a lower metal plate charging port and a lower electrode tip; the upper electrode tip and the lower electrode tip are staggered with each other and discharge upwards and downwards respectively. The device has the characteristics of small size and light weight, and the plurality of arc-shaped solid-state pulse forming lines are easy to combine to form a coaxial structure, so that the volume and the weight of the high-impedance high-voltage pulse generating device can be effectively reduced.)

一种圆弧形固态脉冲形成线及其设计方法

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，尤其涉及一种圆弧形固态脉冲形成线及其设计方法。

背景技术

脉冲形成线是脉冲功率技术中用来产生高功率电脉冲的一种技术，在国内外已广泛使用。在大型高功率或超高功率脉冲装置中，一般采用去离子水或变压器油作为脉冲形成线的储能介质，以承受兆伏特级的工作电压和产生百纳秒级脉宽的电脉冲，这类脉冲形成线的尺寸非常大，长度达到数米甚至数十米，而重量达到数吨。

工作电压数十千伏特的脉冲形成线一般采用固体绝缘材料作为储能介质，由于没有液体介质，其使用维护更方便。但要使脉冲功率装置拥有较小的体积和较轻的重量，则须要脉冲形成线储能介质具有较高的储能密度、较大的介电系数以及较好的结构设计。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，提供了一种圆弧形固态脉冲形成线及其设计方法，陶瓷电容器沿半圆弧型排列与上下金属板构成脉冲形成线，具有尺寸小和重量轻的特点，放电产生方波脉冲的平顶占比高，输出电压达到数十千伏特。且多个圆弧形固态脉冲形成线易于组合形成同轴型结构，能够有效减小高电压脉冲产生装置的体积和重量。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种圆弧形固态脉冲形成线及其设计方法，所述脉冲形成线至少包括上圆弧形金属板、下圆弧形金属板和若干陶瓷电容器，所述陶瓷电容器并排的设置于所述上圆弧形金属板与下圆弧形金属板之间，且所述陶瓷电容器的两端分别与所述上圆弧形金属板与下圆弧形金属板电性连接；所述上圆弧形金属板上还设有上金属板充电端口和上电极头；所述下圆弧形金属板上还设有下金属板充电端口和下电极头；所述上电极头与下电极头在水平方向相互错开，分别朝上和朝下放电，其中，陶瓷电容器的高度h，上圆弧形金属板和/或下圆弧形金属板的宽度w和中心线长度l，以及上圆弧形金属板和下圆弧形金属板的间距H通过如下方法配置：步骤S1：根据用户对脉冲形成线特征阻抗Z₀、脉冲宽度t₀的需求，计算出储能电容的电容量C＝Z₀×t₀；步骤S2：根据工作电压U₀、储能电容的电容量C和陶瓷电容器储能介质的耐压特性，计算得到陶瓷电容器的高度h；步骤S3：再由陶瓷电容器的高度h、圆弧形金属板的宽度w和中心线长度1、上下电极的间距H仿真计算形成线的电感L；步骤S4：由

计算出形成线的特征阻抗，通过设置参数w、1、H以达到Z₁＝Z₀。

根据一个优选的实施方式，各陶瓷电容器采用并联的连接方式设置于所述上圆弧形金属板与下圆弧形金属板之间。

根据一个优选的实施方式，所述充电电源与所述上金属板充电端口或下金属板充电端口间设有开关器件。

根据一个优选的实施方式，所述电阻负载与所述上电极头或下电极头之间设有开关器件。

根据一个优选的实施方式，所述电阻负载还设有负载接地端电极，经所述负载接地端电极接地。

根据一个优选的实施方式，所述上圆弧形金属板和下圆弧形金属板的板体形状和尺寸相同，且采用铜板构成。

根据一个优选的实施方式，所述上圆弧形金属板和下圆弧形金属板的圆弧角设置为140°与170°之间。优选地，所述上圆弧形金属板和下圆弧形金属板的圆弧角设置为160°。

根据一个优选的实施方式，且上圆弧形金属板或下圆弧形金属板的外弧半径142mm、内弧半径106mm、中心线弧长368mm、总厚度15.5mm。

根据一个优选的实施方式，所述陶瓷电容器沿上圆弧形金属板或下圆弧形金属板的中心线间隔1mm-2mm排列设置。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：通过本发明圆弧形固态脉冲形成线的结构设计，陶瓷电容器沿半圆弧型排列与上下金属板构成脉冲形成线，通过调整陶瓷电容器参数、上下铜板宽度及间距、形成线长度等参数，可以调节形成线特征阻抗、工作电压、输出脉冲宽度。通过多个圆弧形固态脉冲形成线组合易于形成同轴型结构，且上下电极头相互错开的结构设计可以减小多个圆弧形固态脉冲形成线层叠时的高度，使高电压脉冲产生装置更加紧凑，具有更小的体积和更轻的重量，适用于紧凑型高阻抗脉冲功率源等设备研制及高电压快脉冲应用等领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的电路原理示意图；

其中，1-上圆弧形金属板，2-下圆弧形金属板，3-陶瓷电容器，4-上金属板充电端口，5-下金属板充电端口，6-上电极头，7-下电极头，8-电阻负载，9-负载接地端电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1：

参考图1所示，图中示出了一种圆弧形固态脉冲形成线及其设计方法。

具体地，所述脉冲形成线至少包括上圆弧形金属板1、下圆弧形金属板2和若干陶瓷电容器3。所述陶瓷电容器3并排的设置于所述上圆弧形金属板1与下圆弧形金属板2之间。且所述陶瓷电容器3的两端分别与所述上圆弧形金属板1与下圆弧形金属板2电性连接。

优选地，各陶瓷电容器3采用并联的连接方式设置于所述上圆弧形金属板1与下圆弧形金属板2之间。

优选地，所述上圆弧形金属板1和下圆弧形金属板2的板体形状和尺寸形同，且采用铜板构成。

优选地，所述上圆弧形金属板1和下圆弧形金属板2的圆弧角可以设置为140°与170°之间。

进一步地，在一个实施例中，所述上圆弧形金属板1和下圆弧形金属板2的圆弧角设置为160°。且上圆弧形金属板1或下圆弧形金属板2的外弧半径142mm、内弧半径106mm、中心线弧长368mm、总厚度15.5mm。陶瓷电容器3采用8个电容量1.5nF的钛酸钡复合陶瓷电容器。能够实现最高充电电压达到60kV以上，在2.4Ω阻抗匹配负载上产生了脉冲前沿小于5ns、半高宽66ns的方波脉冲，平顶电压大于30kV。

优选地，所述陶瓷电容器沿上圆弧形金属板或下圆弧形金属板的中心线间隔1mm-2mm排列设置。

优选地，所述上圆弧形金属板1上还设有上金属板充电端口4和上电极头6。

优选地，所述下圆弧形金属板2上还设有下金属板充电端口5和下电极头7。

优选地，在演示单个圆弧形固态脉冲形成线如何产生高电压方波脉冲时，所述上金属板充电端口4与所述下金属板充电端口5间设置有充电电源。通过所述充电电源完成对上圆弧形金属板1与下圆弧形金属板2间陶瓷电容器3的充电。所述充电电源与所述上金属板充电端口4或下金属板充电端口5间设有开关器件。优选地，所述上电极头6和下电极头7之间设有电阻负载8。所述电阻负载8与所述上电极头6或下电极头7之间设有开关器件。通过所述上电极头6和下电极头7完成对电阻负载8释放高电压方波脉冲。进一步地，所述电阻负载8还设有负载接地端电极9，经所述负载接地端电极9接地。

如图2所示，图中还公开了本脉冲形成线电路原理图。图1中U为充电电源，S1为充电开关，C1～Cn为n个电容量相同的陶瓷电容器，L1～Ln为圆弧形电极上形成的分布电感；S2为放电开关，RL为放电负载。

优选地，所述陶瓷电容器C1～Cn并联于所述充电电源两端。且所述放电负载RL与各陶瓷电容器并联。当闭合开关S1，断开开关S2时，实现对各电容充电。当断开开关S1，闭合开关S2时，实现对放电负载的放电。

优选地，所述圆弧形固态脉冲形成线的设计或制备方法包括：

步骤S1：根据用户对形成线特征阻抗Z₀、脉冲宽度t₀的需求，计算出储能电容的电容量C＝Z₀×t₀。

步骤S2：根据工作电压U₀、储能电容的电容量C和陶瓷电容器储能介质的耐压特性，设计陶瓷电容器的高度h和个数。

步骤S3：再由陶瓷电容器的高度h、圆弧形金属板的宽度w和中心线长度l、上下电极或上下圆弧形金属板的间距H仿真计算形成线的电感L。

步骤S4：由

计算出形成线的特征阻抗，通过调整w、l、H参数达到Z₁＝Z₀。

优选地，设计还中要求：陶瓷电容沿圆弧形金属板中心线间隔1mm-2mm排列。最后朝着减小形成线尺寸的方向对各设计参数进行优化。

本发明的脉冲形成线利用具有高储能密度陶瓷电容器作为储能单元，多个电容量相同的陶瓷电容沿一条圆弧线(少于1/2圆)排列，并与上下圆弧形(少于1/2圆)金属板连接在一起，上下圆弧形金属板同一端沿某个方向各伸出一定长度，作为放电开关电极。陶瓷电容通过上下圆弧金属板充电，放电开关导通后在负载上产生高电压方波脉冲。同时，通过调整陶瓷电容器参数、上下铜板宽度及间距、形成线长度等参数，可以调节形成线特征阻抗、工作电压、输出脉冲宽度等，易于组合形成同轴型结构，能够有效减小高电压脉冲产生装置的体积和重量。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。