高功率脉冲马克思发生器.docx

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高功率脉冲马克思发生器

高功率脉冲马克思发生器

摘要

脉冲是短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。

脉冲功率技术是一门新兴的技术。

从上世纪70年代后期，随着核物理技术、电子束、加速器、激光、放电理论和等离子体技术的研究和日益广泛的应用，脉冲功率技术才得到重视和迅速的发展。

本论文首先介绍了仿真软件Multisim的发展以及在电路模拟方面的各种功能，然后介绍了高功率脉冲技术的发展、应用和MARX发生器的原理，同时结合Multisim设计电路，最后对MARX发生器的元件参数和仿真结果进行了研究。

本课题是通过对高功率脉冲技术知识的了解，利用Multisim软件设计出基本的MARX发生器的电路，然后对其进行仿真，最后通过对开关等元件参数的调整设计出一套能产生高功率脉冲电压的MARX发生器。

关键词：

高功率脉冲技术；MARX发生器；Multisim

Abstract

Pulsemutationisashorttime,thenquicklyreturnstoitsinitialvaluesofphysicalquantities.Pulsedpowertechnologyisanewtechnology.Inthelaterthan1970s,asnucleartechnology,electronbeam,accelerator,laser,dischargetheoryandplasmatechnologyhasbeenwidelyresearchandapplicationofpulsepowertechnologytogetattentionandrapiddevelopment.Thisthesisfirstlyintroducesthedevelopmentofsimulationsoftware,Multisimandvariousfunctionsinthecircuitsimulation,andthenintroducesthedevelopmentandapplicationofhighpowerpulsetechnologyandtheprincipleofMARXgenerator,atthesametime,combinedwithMultisimcircuitdesign,thecomponentsofMARXgeneratorparametersandsimulationresultsarestudied.

Thistopicisthroughtheunderstandingofthehighpowerpulsetechnology,usingtheMultisimsoftwaretodesignthebasiccircuitofMARXgenerator,thencarriesonthesimulation,finallythroughtheadjustmentoftheswitchelementparameters,suchasdesignasetofMARXgeneratorcangeneratehighpowerpulsevoltage.

Keywords：

HighPulsedPowerTechnology;MARXgenerator;Multisim

1绪论

1.1课题背景

利用NIMultisim11可实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：

设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便的对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，元器件种类不受限制，成本低、速度快、效率高；所设计的电路可直接在产品中使用。

对脉冲功率技术的研究，始于20世纪30年代的电容器放电产生X射线。

1938年，美国人Kingdon和Tanis第一次发表了用高压脉冲电源放电产生微秒脉冲X射线的文章。

为了适应脉冲功率技术的发展，1976年在美国举行了第一届IEEE脉冲功率技术国际会议，在这次会上“脉冲功率”这个术语被认同。

现在，各个先进工业国家的许多军用和民用研究部门、高等学校都在积极地开展脉冲功率技术及其应用的研究。

脉冲功率技术经过半个多世纪的发展，已经从高新技术、国防科研领域逐渐向工业。

民用领域延伸。

作为当代高新技术领域的重要组成部分，它的发展和应用与其他科学的发展有着密切的关系。

总之，脉冲功率技术已经在科学研究、国防工业以及工业、民用等众多领域有着极为重要的应用。

脉冲技术是当前比较活跃的一门前沿科学技术，是高新技术研究的重要技术基础之一，有着非常广泛的发展和应用前景。

1.2高功率脉冲技术研究意义及现状

随着脉冲功率技术研究的不断深入，高功率脉冲技术被越来越多地应用在工业及民用领域。

在环境工程领域，已经出现脉冲电晕等离子体法净化废气技术、高压脉冲放电废水处理、脉冲静电除尘、微生物灭菌消毒、制取臭氧等；在生物医疗领域，也出现了体外冲击波碎石技术（ESWL）、脉冲电磁场对生物培养基影响研究；其他领域还有矿井物探和水下目标探测、对岩石钻孔、高速X射线水下摄影、工业辐射源、快速加热淬火等[1]。

脉冲功率形成的过程是首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量，然后向中间储能和脉冲形成系统注入能量，接着能量经过存储、压缩、形成脉冲或转化等某些复杂过程之后最后快速释放给负载。

而要形成功率大、脉冲前沿陡的电脉冲需解决三个关键技术：

初始能源储能技术、脉冲开关技术、脉冲大电流测量技术。

而根据这三大关节技术不难看出脉冲功率技术的发展趋势，即由单次脉冲向重复的高功率脉冲发展；研制高储能密度的电源；探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关；积极开辟新的应用领域。

作为当代高新技术研究的重要技术基础之一，脉冲功率技术的发展与应用与其他科学的发展有着密切的联系。

随之研究的不断深入，其相关研究成果将越来越多地转化到生产应用领域[2]。

1.3本课题研究的主要内容

在高功率脉冲技术中，MARX发生器作为现阶段应用最广的第一储能器，在相关领域的研究中占有极其重要的位置。

设计高功率脉冲MARX发生器首先应考虑的是选择一种适合自身实现功能的电路设计及接线方式；而为实现其功能最基本的考虑则是选择一组衔接良好、互感微弱、参数适中的电容、电阻及开关等元器件。

最后通过周密的计算和反复的实验整理出一组仿真结果放大效果明显，脉冲坡度陡峭的MARX发生器电路。

本文将首先研究MARX发生器的组成、原理，然后对MARX发生器的充、放电过程进行简要分析，最后对MARX发生器的参数测量和发展情况加以介绍。

熟悉使用Multisim软件，对MARX发生器电路进行结果仿真，得到波形结果。

2马克思发生器相关理论

模拟信号经过信源编码得到的信号为数字基带信号，将这种信号经过码型变换，不经过调制，直接送到信道传输，称为数字信号的基带传输。

2.1马克思发生器的概述

马克思发生器（MarxGenerator）是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由E.Marx于1924年提出，它能模仿雷电及操作过电压等过程。

所以经常用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等试验中。

2.2马克思发生器的原理

马克思满足两个基本要求：

即输出一定幅度（兆幅）的电压和具有一定时间宽度的波形。

在高功率脉冲技术中，还要求马克思发生器具有低电感，以缩短对传输线的充电时间，减轻对传输线的绝缘要求。

以下图这个简单的马克思发生器为例。

充电RRRR输出

V0C0SC0SC0SC0

触发

RRR

图2.1马克思发生器的基本线路

线路的工作原理可以简单地概括为：

“电容器并联充电，串联放电”，通常人们习惯把马克思发生器由多个电容器组成定名为马克思发生器的级数。

把每个电容量为C0的电容器（总数为n个）通过充电电阻R并联充电到电压V0，而后使所有开关S（通常充气火花间隙开关）接通，这些电容器就会全部串联起来，建立起电压幅值为nV0的高压，并在负载上产生一定脉宽波形的高压脉冲。

因为由并联充电变成串联放电，是靠火花间隙开关来实现的，所以开关放电同步的好坏，就直接决定了发生器同步性能的好坏。

电阻R在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。

为了触发放电，第一个开关通常采用三电极结构，外触发脉冲加到触发电极上，其余开关则因放电间隙上过压而相继击穿[3]。

主要元件及其功用

由图2.1可知，马克思线路的基本元件，除了充电直流电源、触发电源和负载以外，主要元件是：

高压电容器、火花间隙开关、充电电阻和接地电阻。

1、高压电容器

这类高压电容器中，对电容器的主要要求是：

总储能大和储能密度高并且他的故有电感小。

因此要求马克思发生器对传输线的充电时间要小，因此马克思发生器电路必须是低电感的，而电容器的电感又是回路电感的主要组成部分之一。

同时，也希望电容器的尺寸尽量小，质量要轻，因为外形尺寸太大时，也会给放电回路引入较大的电感。

电容放电时，实际为一衰减的L-C振荡电路，会出现反向电压和电流，在应用中不能够超过允许的反向电压、电流值，使用时必须仔细设计。

电容器的直接短路放电，一般是不允许的。

必须串入一个小电阻或小电感。

因此，在某些应用中还要专门考虑储能电容器的保护问题。

已充电的发生器的电容器中储存有大量的能量，如果某个电容器内部的绝缘体击穿，其他电容器的能量会泄放到有故障的电容器当中去，能量又很大，使电容器中油迅速分解气化，在内部产生很大的压力，从而使电容器有爆炸的危险。

通常采用隔离间隙，串接入吸能电阻的方法对电容器进行保护[4]。

2、火花间隙开关

早期马克思发生器的火花间隙开关大多采用空隙球，处于大气中，球的间隙距离可以方便调节。

并且把全部球隙至于同一垂线上，便于火花放电时产生紫外线或射线相互照射，达到同步。

脉冲功率技术中用的马克思发生器为了缩短火花隙的导通时间，通常采用充气火花间隙开关。

在一定的间隙距离下，利用改变充气压力，可以改变运行电压的工作范围。

利用火花间隙之间的电容耦合得到过电压，无需紫外线照射（有时还附加上电阻触发）。

对于开关的主要要求是导通时间要短，工作稳定性要好，同步抖动要小。

常用的触发开关是三电级开关和场畸变开关。

三电级开关简图见图2.2，这是应用比较广泛，而且结构简单的一种间隙开关。

当外加触发脉冲到达触发针Z上后，引起针和电极G0之间发生电火花，引起电极附近的电场畸变，加之光子照射，使主间隙形成流柱，间隙迅速闭合[5]。

图2.2三电级开关简图

三电级间隙的击穿过程可以分为两种：

一种叫做短时间击穿过程，即大间隙G1-G0先击穿，小间隙G0-Z后击穿；一种叫做长时间击穿过程，即小间隙G0-Z先击穿，大间隙G1-G0后击穿。

带中间平面的场畸变开关，如图2.3场畸变开关是利用场畸变原理来点燃间隙的。

触发电极处在两个球或圆柱电极之间的对称平面上，并取圆盘形式，中心开孔，保证电场分布不因中间平面而改变。

当外加触发脉冲到达后，中间平面道口边缘的电场分布发生了严重畸变，引起间隙的一边导通。

当一边导通后，整个间隙电压加在间隙的其余一半上，整个间隙迅速导通[6]。

图2.3带中间平面的场畸变开关

3、充电和接地电阻

马克思发生器中使用的充电电阻、接地电阻、触发电阻和限流电阻一般不影响波形，对稳定性要求不高，而且阻值比较大，所以通常选用将CuSO4溶液盛入柔性塑料管中做成水电阻，组织可调，管子两端配上封闭的铜或铝电极。

这些电阻热容量较大，能够耗散较大功率的热量，而且是柔性的，易于做到与等场强线相一致，以适应马克思发生器电绝缘强度的要求。

电阻值根据设计要求可用调配CuSO4水溶液的浓度达到。

绝缘管的长度决定于出现在它上面电位差和结构上的要求。

绝缘管的直径与吸收的能量有关。

充电电阻除应能耐受充电电流引起的发热外，还要考虑同步不好时局部放电电流流过充电电阻可能引起的升温；接地电阻在平衡充电情况下，几乎没有电流流过。

早期电力系统用的马克思发生器大部分直接暴露在大气中，尺寸结构庞大。

脉冲功率技术中用的马克思发生器都是浸在变压器绝缘油或压缩气体中，结构比较紧凑。

发生器是靠电容器串联放电来获得高压的，每台电容器1有不同的电位，应当按照电位来把电容器分布在相应的位置上。

电容器相互之间、电容器和地之间都应保持一定的绝缘距离。

因此，电容器的排列形式常常是马克思发生器结构因素的中重要的决定因素。

对马克思结构设计总的要求如下：

（1）电性能上要求绝缘可靠，不发生闪络或击穿事故。

（2）要是放电回路尽可能短，以减小电感。

（3）易于接近马克思发生器的各个部分，尤其是经常需要调节或更换的部件，以便于维修时的操作。

（4）在保证绝缘的基础上，结构尽可能紧凑。

脉冲功率系统中发生器的主要结构有两种主要形式：

一种是排列，电容器直立放置，几个电容器组成一排，用尼龙夹把电容器固定在一起，如图2.4所示。

火花间隙开关放在电容器上部，充电电阻在排与排之间连接。

另一种结构是组叠式，电容器横卧放置，如图2-5所示：

8个电容器两叠用绝缘架组合在一起，四个火花间隙开关安装在横卧的两叠电容器中间，充电电阻在组件内已连接好。

图2.4排式结构示意图图2.5卧式结构示意图

发生器从第一对触发间隙开关被触发点火后，到全部火花间隙击穿所需要的时间称为马克思发生器的建立时间（或叫动作时间）。

发生器的建立，除与电容器的充电电压、间隙工作电压、触发电压等有关之外，主要取决于系统每对间隙开关之间的杂散电容Cg和相邻排列每两对间隙开关之间的耦合电容CR（CR＞＞Cg），如果A点电位为VA，开关S1闭合以后，意味着B点电位为VB=VA+2V0，式中V0是电容器的充电电压。

由电容分压加在BD之间的电压为

（2.1）

当t=0，

（2.2）

耦合电容通过电阻R放电，时间常数约为R（CR+Cg）,当

给出间隙上电位差趋近于2V0。

因此，如果S2调整在V0

n=2马克思发生器电路的特点是每两个火花间隙之间的耦合电容CR做的比Cg大得多，并且充电电阻和接地电阻也处在两个间隙之间。

在n=3的马克思发生器中，当前面的两个间隙被触发时，间隙电压达到3V0充电电压知道约为每个单间隙自击穿电压的1/3时，马克思发生器仍能够建立。

高n的马克思发生器较易排除自击穿问题。

但是与较简单的结构比较，建立时间趋于很长。

马克思发生器的自建立不总是最好的。

在某些情况下，可以触发部分或全部火花间隙，已获得短的建立时间和小的建立时间抖动。

实验研究了马克思发生器的几种排列线路，根据电容器和电阻的机械排列而定图2.6即Z型线路，由电容器排列而成Z型，此种线路火花间隙开关可以有较大的触发工作范围。

图2.6Z型线路马克思发生器电路图

图2.7即S型线路，电容器排列成S型，可以得到较低的回路电感。

图2.7S型线路马克思发生器电路图

图2.8叫做混合型线路，具有S型电容耦合和电阻触发两个特点，可以获得低的同步时间抖动。

不同线路，在开关杂散电容和极间耦合电容的分压作用影响下，加到开关上的瞬间过电压是不一样的，要根据具体线路进行分析[7]。

图2.8混合型线路马克思发生器电路图

有一种叫L-C型的马克思发生器，如图2.9此种发生器可以得到很低的电感。

在这种结构中，电容器被交替相反的极性充电，当开关闭合时，马克思发生器建立。

在共振的半周期内达到峰值电压，缺点是全部间隙在一定的时间接通，可能引起个别元件过电压或震荡。

一些小型水介质装置采用了此种电路[8]。

图2.9L-C型马克思发生器电路

马克思发生器由并联充电转变为串联放电是靠点火击穿第一级间隙或前几级间隙，其余间隙靠自然过压而逐个击穿，产生输出高压，这个过程叫同步。

通常用发生器建立时间的分散性来表示同步的好坏。

点火间隙通常用三电级或带中间平面的场畸变开关。

影响同步的主要因素是火花间隙放电的分散性，以及电路中由于寄生电容的影响，使得某些环节自然过电压倍数β降低。

为了使发生器工作可靠，同步良好，要求过电压倍数超过间隙放电的分散性范围，有人认为过压倍数β不应低于1.2倍。

减少每个火花间隙放电电压分散性是改善同步性能，减少时间抖动的一个重要途径。

要克服同步不可靠的困难，有两种方法：

一种是采用适当的回路布置，增加自然过电压；一种是利用外触发来迫使间隙击穿，触发电压从已击穿的级上用电阻耦合引到高的级上去。

对于马克思发生器同步时间抖动的要求，在多台并联运行时，或者对加速器产生的电子束和X射线的应用有严格的时间同步要求时，同步问题才显得比较突出。

一般发生器的时间抖动为几百纳秒，近几年来上百级的发生器可以做到50ns，甚至可以做到只有10ns[9]。

2.3马克思发生器的充电过程分析

虽然马克思发生器充电回路多种多样，但基本充电回路如图2.10。

电路一般缺点是每个电容器的充电时间不一样，当首端电容器充满电时，末端的电容器还可能没充满。

为使电容器上充电比较均匀，一般选保护电阻r的阻值为10倍于充电电阻R的阻值。

保护电阻不仅起保护整流元件的作用，还起到均压充电的作用[10]。

图2.10发生器充电回路

2.4马克思发生器的放电过程分析

传统的马克思发生器，主要用于高压试验室中，他是研究雷电冲击绝缘耐压实验的基础。

马克思发生器的特征参数：

级数n，每级电容的电容量C0，每级最大充电电压V0，发生器的串联电容量C=C0/n，发生器的标称输出电压Vm=nV0，发生器的最大标称储能W=0.5CVm²=0.5nC0V0²。

描述一个马克思发生器时，标称输出电压和标称储能是重要指标，要决定实际输出电压幅值和波形时，还必须考虑到其他一些因素，如电阻，电感及负载参数对电路放电过程的影响。

图2.11为简化了的马克思发生器五元件电路原理图。

图2.11马克思发生器五元件原理图

Cm为发生器的串联电容；

Vm为发生器的标称电压；

Rs为发生器的串联电阻；

Rf为发生器的波前电阻；

Rp为发生器的放电电阻及波尾电阻；

Cl为发生器的负载电容及高压电极对地电容；

Vc为发生器的输出电压。

列出电路方程，经整理后：

（2.3）

式中a=CmCl（Rs+Rp+RsRf+RfRp）

b=Cm（Rs+Rp）+Cl（Rf+Rp）

初始条件t=0，Vc=0

（2.4）

利用特征方程求解：

（2.5）

（2.6）

我们感兴趣的是b*b＞4a，即电路中产生非周期震荡放电的情况，求解电路方程得到输出电压为一双指数波形：

（2.7）

由，可求得Vc（t）的最大值及其到达最大值的时间tm，分别为：

（2.8）

（2.9）

此即发生器放电时的电压转换效率或称传输效率，令为

，式中放电回路领用系数：

（2.10）

电压波利用系数：

（2.11）

因此，在一定电压波形条件下，为了获得最大的电压传输效率，应合理选择马克思回路的形式及回路的最佳参数。

通常，我们还可以把发生器的输出电压用时间常数来表示，可写成

（2.12）

式中，波前时间常数

（2.13）

波尾时间常数

（2.14）

[11]。

3Multisim简介

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

3.1Multisim的概述

软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。

Multisim的主窗口界面

界面由多个区域构成：

菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。

通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。

用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。

菜单栏

菜单栏位于界面的上方，通过菜单可以对Multisim的所有功能进行操作。

不难看出菜单中有一些与大多数Windows平台上的应用软件一致的功能选项，如File，Edit，View，Options，Help。

此外，还有一些EDA软件专用的选项，如Place，Simulation，Transfer以及Tool等。

1、File

File菜单中包含了对文件和项目的基本操作以及打印等命令。

New建立新文件

Open打开文件

Close关闭当前文件

Save保存

SaveAs另存为

NewProject建立新项目

OpenProject打开项目

SaveProject保存当前项目

CloseProject关闭项目

VersionControl版本管理

PrintCircuit打印电路

PrintReport打印报表

PrintInstrument打印仪表

RecentFiles最近编辑过的文件

RecentProject最近编辑过的项目

Exit退出Multisim

2、Edit

Edit命令提供了类似于图形编辑软件的基本编辑功能，用于对电路图进行编辑。

Undo撤消编辑

Cut剪切

Copy复制

Paste粘贴

Delete删除

SelectAll全选

FlipHorizontal将所选的元件左右翻转

FlipVertical将所选的元件上下翻转

90ClockWise将所选的元件顺时针90度旋转

90ClockWiseCW将所选的元件逆时针90度旋转

ComponentProperties元器件属性

3、View

通过View菜单可以决定使用软件时的视图，对一些工具栏和窗口进行控制。

Toolbars显示工具栏

ComponentBars显示元器件栏

StatusBars显示状态栏

ShowSimulationErrorLog/AuditTrail显示仿真错误记录信息窗口

ShowXSpiceCommandLineInterface显示Xspice命令窗口

ShowGrapher显示波形窗口

ShowSimulateSwitch显示仿真开关

ShowGrid显示栅格

ShowPageBounds显示页边界

ShowTitleBlockandBorder显示标题栏和图框

ZoomIn放大显示

ZoomOut缩小显示

Find查找

4、Place

通过Place命令输入电路图。

PlaceComponent放置元器件

PlaceJunction放置连接点

PlaceBus放置总线

PlaceInput/Output放置输入/出接口

PlaceHierarchicalBlock放置层次模块

PlaceText放置文字

PlaceTextDescriptionBox打开电路图描述窗口，编辑电路图描述文字

ReplaceComponent重新选择元器件替代当前选中的元器件

Placeas