可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报4（2017）95利用峰化电容MadhuP alatia， RituAgarwa lb， Archana Sharmab，Nagabhushan a G.R.一a部。地址：印度卡纳塔克邦Jakkasandra Post 562112b印度马哈拉施特拉邦孟买BARC APPD能量学和脉冲功率科，邮编400085接收日期：2015年12月16日;接收日期：2016年7月2日;接受日期：2016年10月3日2016年11月24日在线发布摘要本文讨论了由峰值电容、火花隙和负载电路组成的峰值电路的分析、仿真和设计。峰化电路与200 kV、20 J Marx发生器一起用于产生亚纳秒脉冲。一个高压室，以适应峰值电路的设计和制造和测试高达70公斤/厘米2的压力。峰化电路的电容和电感的总估计值分别为10 pF和72 nH在满充电电压下，峰值电容器在15 ns内充电至394.6 kV的峰值电压此时输出开关闭合根据分析仿真，输出电流上升时间（匹配负载为85▲）为2.53 kA和0.62 ns。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：Marx发生器;峰值电容;上升时间;预脉冲电流;电感;电容1. 介绍在诸如高功率微波（HPM）、脉冲激光驱动器等的某些应用中，需要非常快的上升时间-即使在将内部电感减小到实际可实现的极限之后，也不可能通过直接使用马克思发生器来产生这种超快脉冲因此，除了Marx发生器之外，还开发了峰值电路布置（Sundarajan等人，2005;Prabaharan和Shyam，2015;Holt等人，2009）和使用（Kekez和Liu，1994;Cadilhan等人，2008;Schilling等人，1995年）。峰化电路由一个极低值低电感电容器、一个峰化火花隙开关和负载电路组成早期研究人员对Marx发生器以及用于产生快速电流脉冲的峰值电路进行的设计，开发和工作简要介绍如下：Sundarajan等人（2005）设计&开发了600 kV Marx发电机。无峰化电路时上升时间为70 ns，有峰化电路时Prabaharan和Shyam（2015）开发了一种峰值电容器，并与Marx发生器一起使用。根据FFT峰值频率计算出500 ps的上升时间 Holt等2009年，使用了峰值电路*通讯作者。电子邮件地址：mfmadhu@gmail.com（M. Palati）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.10.0102314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。96M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95Fig. 1.带峰值电路的Marx示意图。图二.峰值电路和负载的示意图。到Marx的输出，并获得7.6 ns的上升时间。Kekez和Liu（1994）研究了一台600 kV、60 J的带峰值电路的Marx发电机。无峰化电路时上升时间为3.34ns，有峰化电路时上升时间为0.4ns。Schilling等人（1995）提出了一种12级高压Marx发生器，带有一个转移电容和低电感峰化电容。输出电压为970 kV，上升时间为8.6ns。峰化电路的原理图如图1所示，CP为峰化电容。峰化开关是一个火花隙，Zo是负载阻抗，通常与峰化电路的特性阻抗匹配。最初，峰值开关打开。Marx被充电到所需电压并放电到非常低的电感峰值电容器CP中。由于RLC电路具有低R的瞬态特性，峰值电容两端的电压几乎是Marx这里，L是马克思的电感当峰化电容器两端的电压达到峰值时，峰化开关（即火花隙）会产生火花。峰值电容器以非常快的上升时间和短的持续时间向负载放电。2. 峰化电路峰化电路和负载的原理图如图所示。 二、峰化电路中的主要元件是高压电容器。它具有低电容值，具有极低的电感。共同M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）9597一.Σ×COR×实践中使用圆柱形电容器（Sundarajan等人，2005;Prabaharan和Shyam，2015），具有合适直径长度的中空不锈钢圆柱体形式的内外电极。长度为l、内电极和外电极的直径分别为a和b的圆柱形电容器的电容C由下式给出：2πεεl=ln。 b（一）这里，ε0是自由空间8的绝对介电常数。854 10−12 F/ m。εr是有机玻璃的相对介电常数，等于3.3。众所周知，空气的相对介电常数是1。峰化电容的电容通常非常小，10 pF至小于100 pF，以实现所需的非常快的上升时间。考虑到可用性，以下方面是相关的：外电极：内径为122 mm的不锈钢空心圆柱体= b，内电极：外径为a的不锈钢圆柱体考虑10 pF作为峰化电容器的值，并且l = 50 mm，从等式（1），a = 49 mm。对于有机玻璃的非常快的脉冲，最大电场应大大低于25 kV/mm至30 kV/mm的击穿强度（Watson，1973）。 最大电场发生在内电极的表面上，并且由等式（1）给出。（二）2VPV/ m（2）Emax=a×ln .b一这里，V P是峰值电容器两端产生的电压，几乎是Marx标称空载输出（200 kV）的两倍，如第3节所示。因此，对于Vp= 400 kV，由等式（2）、电场为18 kV/mm，与有机玻璃的击穿强度（25 kV/mm）相比相当安全。2.1. 峰值电容器峰值电容器的电感由下式给出：L=μo× ln。b× l（3）P2π a其中：μo= 4π10−7H/m，a = 49mm，b = 122 mm，峰化电容器长度l = 50 mm使用上述公式中（3），LP< 10 nH.2.2. 峰化开关峰值开关最常见的是火花隙。由于火花隙电容值较低，其阻抗与负载阻抗Zo相比非常高。因此，在峰化开关的火花放电之前，间隙电容上出现了非常大的电压份额。在火花隙击穿之前出现在Z0两端的电压被称为这种预脉冲是最小化，通过使用通过将这种结构放置在充满高压气体的绝缘室中，可以实现更高的击穿电压。由于没有直接的公式来估计图1所示的圆锥形电极的电感。如图3所示，通过将电极分割成五个段A-E，每个段的长度为5 mm，已经进行了电感的近似估计。段98M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95−μo× μ m +μln。122磅+英寸122磅+英寸122磅+英寸122毫米× 0。001=13 8+122×0。0005Σ⎟⎠L12π60SP2π0的情况。1.nH（四）0的情况。5图三.火花隙电极示意图。应用Eq. （3）对于每一段，并将所有五段相加，一个电极的电感Le1由下式给出：我在伦敦。122磅+英寸122磅+英寸122磅+英寸122毫米× 0。005⎞20 15 10 5⎜ ⎟2π4 3 2 1⎜ ⎟因此，两个电极的电感由下式给出：2L e − 1= 2 × 13。8 nH 128 nH圆锥体的底板厚度为2.5 mm，直径为60 mm。该连接件连接峰值电容器和火花隙电极。其电感由下式给出：L=. μo× ln。122英尺× 2英尺。5× 10 −3= 0。4nH（5）2.3. 电极间火花路径电感火花路径相对于返回路径的电感Lsp由等式给出（6）下面。可以假设电弧是直径为0.1 mm的导体火花通道的长度是1 mm的间隙长度直径为122 mm的金属圆柱形壳体是返回路径。因此，火花路径的电感由下式给出：L=. μo× ln。122× 10 −31. 5nHM. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）9599（6）100M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95L2=++2π50cu2π40LF22πRLlf=22π×ln2.4. 负载电阻负载电阻器是外径为45 mm、长度为50 mm的有机玻璃管，填充有所需电阻率的硫酸铜硫酸铜管两侧的连接件长度为2.5 mm，直径为50 mm。一个连接链路的电感由下式给出：L=. μo× ln。122英尺× 2英尺。5× 10 −30. 5nH（7）对于两个连接链路，电感为1 nH。CuSO4管的内径为40 mm，这是内导体的直径，122 mm直径的外电极作为返回导体。硫酸铜电阻器相对于返回路径的电感由下式给出：L=. μo× ln。122× 50 × 10 −3= 11。2nH（8）因此，负载电阻的总电感为1 nH +11。2 nH =12。2 nH2.5. 负载电路的前向路径相对于返回路径的电感在本例中，通过使硫酸铜电阻器的LV端子穿过皮尔逊电流监测器来测量输出电流。低压端子是直径为22mm、长度为75 mm的导体。该低压端子的返回路径是一根导线，位于低压端子上方70 mm处电感由方程给出。（九）、L= 1。μo× ln。2 h长×长（9）1 .一、4 π × 10 −7. 2 ×70Σ11−3Σ2.6. 峰化电路总电感由上可知，峰化电路的总电感LPC是（峰化电容器、火花间隙电极、火花路径、负载电阻器和用于安装皮尔逊线圈的路径）的电感之和。因此，在本发明中，L PC10 nH28 nH0. 4nH1. 5nH1 nH11. 2nH19. 1nH72nH（10）很明显，这是非常小的，但不是微不足道的。3. Marx的峰化电路具有峰化电路的Marx的等效电路如图所示。 四、在PSPICE中进行了仿真，并将仿真结果与Matlab中的估计×75× 102019年。1nHM. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95101值进行了比较。马克思包括10个阶段，每一级电容器的额定值10 nf，20 kV。在安装Marx期间，等效电容为1 nf，Marx的空载输出电压为200 kV。该输出电压被馈送到峰化电容器，并且峰化电容器两端的电压几乎变为200 kV的两倍，即，接近400 kV。当峰值电容器两端的电压达到该最大值时，峰值开关设置为火花放电因此，等效电路由两个回路组成，马克思回路ABCD和峰值回路BEFC。Marx回路由Marx的等效电容、Marx的总电感、Marx的等效串联电阻和峰化电容的电容电感组成。峰化环路由10 pF组成，其电感为10nH，作为一个分支（与Marx环路相同），所有其他组件（包括62 nH的电感LPS）作为另一个分支。102M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95.=.=-SCmsCps不M见图4。带峰化电路的Marx等效电路。短路放电实验（图1B的跨臂BC短路） 4）在200 kV、20 J Marx发生器上进行。Marx进入该短路的实验输出电流放电波形如图5（a）所示，模拟放电波形如图5（b）所示。 5（b）.放电波的周期频率为300 ns，频率为3.3 MHz。从CT 1 nF的已知值，使用Eq.（11），LT的值为2.3µ H。1fO=2πLC（十一）通过匹配如参考文献（Palati等人， 2015年）。 在更高的电流（kA量级）下，马克思的ESR为2 ▲。峰化电路的总电容和电感分别为10 pF和72 nH。因此，峰化电路的特性阻抗Z0由等式2给出。（十二）：ZLTOCT72nH85 ohms（12）10PF为了正确匹配，使峰化电路的负载阻抗等于特性阻抗（85▲）。3.1. 马克思循环（ABCD）马克思环路的等效电路如图所示。第6条（a）款安装时马克思的电容Cm = 1 nF。如上所述，Marx的总电感Lm = 2.3µ H，Marx的等效串联电阻ESR =2▲，峰化电容器的电感LP = 10 nH，峰化电容器的电容CP取10 pF，跨Cm出现的Marx的空载标称输出电压V i= 200 kV（20 kV/级* 10级= 200 kV），VP表示峰值电容I两端的电压1（s）表示Marx环路中的电流（ABCD）。为了简化分析，忽略峰化电容的内部电感（10 nH），因为该值远低于Marx电路的电感（2.3µ H）。通过使用拉普拉斯变换，回路方程由下式给出：Vi=I1（s）1+1+L s+R（13）不M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95103.Σ...好 吧ΣΣ图五. (a)实验中的电流波形为Marx的放电变成短路。(b)PSPICE的电流波形为马克思的放电变成短路。峰值电容两端的电压由下式给出：VP（s）=I（s）第1（14）条CP sVP通过除以Eq.（13）Eq.（14）简化方程由下式给出：VP（s）=Vis× s。Cm+CpCm1+Lm Cps2+RCps（十五）通过将上述值代入Eq.（15），Vp（t）的解由下式给出：1 .一、98×103−1 .一、98 × 10 3×cos 0. 21 × 10 9×t+2 × 10 −3× sin 0。21 × 10 9×te4. 3×105t（十六）104M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95ΣΣ图六、（a）马克思环的等效电路（b）峰值电容器两端的电压（峰值开关火花放电在PSPSICE中对图6（a）所示的Marx环路（ABCD）进行了仿真，峰值电容两端的电压波形如图6（a）所示。 6（b）.从图6（b）可以看出，跨CP的电压达到其峰值所花费的时间为15 ns，峰值为394.6 kV。通过将t = 15 ns的该值代入等式（15），我们得到394.6 kV的峰值输出电压。这些值与电路分析的结果完全吻合。3.2. 峰化回路分析峰值回路的等效电路如图所示。 7（a）凡其中，VP = 394.6 kV，LP = 10 nH，CP = 10 pF，LPS = 62 nH ZO = 85▲。I（s）表示峰化回路（BEFC）中的电流在拉普拉斯形式中，I（s）（Vp⁄s）=1+s2CPLps+sZoCPsCp（十七）通过将上述值代入Eq.（17）简化，我们得到五、48 ×1012I（s）=第二章+。1 .一、18×109×s+。1 .一、39×1018ΣΣ（十八）Eq的解（17）由Matlab给出：五、37× 10 3× sin（1. 02× 109×t）I（t）=.e0。59 ×109×t（十九）M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95105图7.第一次会议。（a）峰化环路的等效电路（b）负载上的模拟输出电流波形用PSPSICE对图7（a）所示的峰化回路（BEFC）进行了仿真，输出电流波形如图7（a）所示。 7（b）.从图7（b）中可以观察到，电流从零达到其峰值所需的时间为1 ns，峰值为2.53 kA。10%-90%的通过将t= 1 ns代入等式我们得到2.53 kA的输出电流，这与从仿真获得的值相同然而，在实践中，不使用Pearson电流监控器，负载电路的电感将小19.1 nH（见公式10）。（9））。对于这种配置，电流的峰值为2.95 kA，零至峰值上升时间为0.88 ns。传统的10%至90%上升时间为0.53 ns。这建立了通过该技术实现亚纳秒上升时间输出电流4. 峰化电路马克思与输出开关和峰化电路的示意性安排如图所示。8.第八条。为Marx充电的主要电源包括单相自动Transformer、230 V/7800 V高压Transformer和倍压整流电路。在闭合开关S时，在倍压整流器电路的输出处可用的最大电压为22kV。在考虑充电效率之后，每级电容器被充电到20 kV的电压，并且在马克思竖立时，马克思输出端上的总空载电压接近200 kV（每级20 kV）。106M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95见图8。带有输出开关和峰值电路的200 kV Marx示意图。阶段 * 10个阶段）。峰值电容器被充电到接近马克思电压的两倍，即400 kV，并且该电压被放电到负载中，从而产生非常快的脉冲。峰化电路的尺寸图和制作模型分别如图9和图10输出开关由直径为49 mm的火花隙电极组成，因为这些电极允许可调节的间隙距离。这些电极被安置在一个长的中空有机玻璃圆柱形腔室安排，以避免外部表面闪络。根据给出的尺寸设计并制造了额定值为10pF、400 kV的峰化电容器有机玻璃是内外电极之间的电介质。在峰化开关电极的任一侧，有机玻璃（峰化电容器的有机玻璃）是波纹状的，以避免表面闪络。火花隙电极之间的间隙距离由锁紧螺母调节有机玻璃腔室的壁厚和所有接头的设计都能承受高压，并在高达70 kg/cm2的压力下进行测试，没有任何可测量的泄漏。负载电阻器是中空有机玻璃管内的硫酸铜溶液。硫酸铜的浓度为14.25 g/l硫酸铜（硫酸铜电阻器，2016），以获得所需的电阻值85▲。M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95107见图9。 峰化电路尺寸图。见图10。峰化电路的制作模型。108M. Palati等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）95在目前的情况下，规定在负载电阻器之后包括皮尔逊线圈。直径为22 mm的LV端子延长了75 mm，以纳入Pearson电流监测器。低压端子的端点连接到返回路径，返回路径连接到马克思接地点。然而，DSO的可用Pearson电流监测衰减器探头的上升时间为几纳秒。因此，未尝试测量上升时间。实际上，输出脉冲的特征在于来自输出的辐射能量的频谱。由于没有可用的设施，因此无法进行试验。5. 结论本文对该峰化电路进行了详细的设计、分析和仿真。一个低价值的10 pF的峰值电容与低电感10 nH和峰值开关与锥形火花间隙电极（以尽量减少预脉冲电流）已建成。对整个电路进行了分析和仿真研究。峰化电容两端的峰值电压为394.6 kV，达到峰值的时间为15 ns。峰化开关预计在15 ns时火花放电。因此，在第二阶段，峰化电容器通过峰化开关负载（85▲）放电。放电电流的峰值为2.53 kA，上升时间为0.62 ns。根据模拟，在没有Pearson电流监测器布置的情况下，上升时间为0.53 ns。因此，在Marx的基础上，采用峰化电路，通过分析和仿真实现了亚纳秒级的上升时间。由于没有进行这些测量的设施，因此没有进行实验。确认这项工作得到了孟买BARC核科学研究委员会的支持，批准号：2010/34/44/BRNS。我们非常感谢他们。作者感谢班加罗尔Jain大学工程技术学院电气电子工程系主任，他们在开展这项研究工作中不断给予的支持和鼓励。引用Cadilhan，B.，佩卡斯坦湖，Reess，T.，Gibert，A.，2008. 采用低杂散电感结构改善Marx发生器的上升时间. IETElectr.PowerwerAppl.2（4），248-255。硫酸铜电阻器，[在线]可访问：http://www.pulsedpower.net/Applets/pulsedPower/CopperSulfateResistor。霍尔特，T. 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