脉冲功率技术的优化应用之路

脉冲功率技术是将相对较长的时间内存储起来的能量在很短的时间内迅速释放出来的一门科学技术。众所周知，能量（E）等于功率（P）乘以功率作用时间（t），即：E＝Pt。由此可知：当能量一定时，缩短时间（脉冲压缩）就可以增大功率，这就是脉冲功率技术的基本原理。换言之，实现短时间脉冲化和得到大的功率密切相关。图1-1描述了功率P与时间t的关系：图1-1a在1s时间内的输入功率为1kW，假设没有能量损失，图1-1b在1μs内将这些能量释放，则输出功率达到1GW。

图1-1 功率P与时间t的关系（能量E一定）

a）输入波形 b）输出波形

图1-2所示的是利用LC振荡回路的4段LC反转型高电压发生器。首先，给如图1-2所示各电容充电，之后闭合开关（S₁，S₂），LC回路开始谐振，以转换时间τ＝π（LC）2加入主开关，可以得到电压值为充电电压4倍的高电压。这种方式可以简便地用于产生高电压的场合。但是随着电压极性的反转，大的应力会使电路很不安全，所以不太实用。

实用的方式多为给电容并联充电、串联放电的Marx发生器。图1-3所示为6段Marx发生器的基本电路。首先，各电容通过充电电阻充电，充电之后，闭合开关，电容中存储的电荷经过开关放出（首先选定的CR时间常数较大），可以得到电压值为充电电压6倍的高电压。这种方式多用于用单机产生大的脉冲功率的场合。

对于较小单脉冲功率、高重复频率工作的民用脉冲功率发生器，多用图1-4所示的电荷移动型高电压发生电路。首先，按照C₁→L₁→L₂回路充电后，闭合开关，电流按照C₁→C₂→L₁回路流过。C₁中存储的电荷由谐振转移到C₂中，并提供给负载。

用图1-4所示方式得到的高电压不太适合直接接在负载上，经常是在进行脉冲波形整合后再接到负载上。对于波形整合，通常使用电感比较大的同轴线路，把这种线路称为脉冲成形线路（Pulse Forming Line，PFL）。图1-5所示是使用同轴传输线路的脉冲功率发生电路。

图1-2 LC反转型高电压发生器

图1-3 Marx发生器的基本电路(www.xing528.com)

图1-4 电荷移动型高电压发生电路

图1-5 使用同轴传输线路的脉冲功率发生电路

另外，由同轴线路构成的PFL的单位长度中的静电容量（C）和电感（L）由式（1-1）和式（1-2）给出：

由以上两式可知，同轴线路的阻抗

脉宽是由电磁波在同轴线路中往返时间决定的，应满足式（1-4）的要求

由此知道，若使用纯水（相对介电常数ε_r为80）作为电感体，要得到脉宽50ns的脉冲，需用长度为84cm的同轴线路。