一种紧凑型同轴结构超高倍压直流脉冲变换器的制作方法

本发明涉及的高压直流脉冲变换器属于高压直流脉冲电源技术，特别是涉及一种紧凑型同轴结构超高倍压直流脉冲变换器。

背景技术：

1、高压直流脉冲变换器广泛应用于雷达、医疗设备、粒子加速器、高压试验及脉冲功率技术等领域，随着设备小型化需求的不断提高，如何在有限空间内实现超高倍压输出同时保证绝缘可靠性、散热效率和电磁兼容性，成为本领域亟待解决的技术难题。

2、现有高压直流脉冲源主要采用以下几种方案：

3、1.平面分立元件倍压组合方案，该方案在pcb或绝缘支架上平铺焊接硅堆、电容和均压电阻，靠增大元件间距并喷涂绝缘漆来满足耐压要求，脉冲输出需额外叠加调制级，该方案的缺陷在于：体积随输出电压近似正比增长，焊点及小曲率连接处场强集中，缺乏整体匀场措施；耐压所需厚绝缘层导热性能差，局部温升加速绝缘老化。

4、2.模块化级联方案， 各倍压单元独立灌封，模块间用高压导线或连接器串联，平面或阶梯排布，该方案同样存在体积较大的问题，且脉冲引入需附加空间，寄生参数不均导致动态级间压降失衡，需要额外均压电阻链补偿，增加了功耗和元件数量。

5、3.同轴层叠式方案， 倍压元件沿中心轴逐级堆叠，级间垫环形绝缘片或灌封料，该方案虽在一定程度上改善了空间利用率，但多数仅能输出单一直流，难以集成脉冲发生部件，环形电极边缘和介质界面仍是场强畸变区。

6、4.油浸/充气封闭式方案， 倍压组件浸入绝缘油或充入高压气体，利用高击穿介质压缩间距，该方案的缺陷在于：密封腔体积较大，脉冲引入需高压隔离，系统复杂；液体、气体辅助散热带来密封与维护风险；灌封介质与固体绝缘热膨胀系数失配，冷热循环易产生界面剥离或气隙。

7、此外，现有方案在控制方面多采用模拟调节或低速数字管理，缺乏纳秒级故障保护及闭环实时调节能力，难以在极限工况下保证输出稳定和器件安全，人机交互通常为本地简单面板，无法实现远程实时监控与参数灵活配置，目前未见单台变换器能够同时提供可调直流高压和可调脉宽、幅值单脉冲输出，并兼顾高可靠、易制造、高速控制和远程智能管理。

技术实现思路

1、本发明提供了一种紧凑型同轴结构超高倍压直流脉冲变换器，旨在通过螺旋同轴层叠布局、等电位屏蔽筒、高导热匹配封装介质、双路调制集成设计、数字高速环路控制及远程人机交互，在紧凑空间内解决多路输出下的电场集中、散热、均压、精密调控和快速保护问题。

2、本发明解决上述技术问题的方案如下：一种紧凑型同轴结构超高倍压直流脉冲变换器，包括上位机控制单元、主控部件和高压源。

3、所述上位机控制单元用于设定运行参数并实时监控变换器状态，通过该上位机控制单元，操作人员可远程设定直流输出电压、脉冲幅值、脉宽和重复频率等参数，并实时获知设备运行状态，实现对变换器的智能化远程管理，有效降低对操作人员专业门槛的要求，同时提高变换器使用的安全性和便捷性。

4、所述主控部件包括低压调制电路和数字控制与保护系统，所述低压调制电路包含直流调制电路和脉冲调制电路，分别产生低压高频脉冲和幅值、脉宽可调的调制脉冲，该双通道集成设计使得单台设备即可同时实现直流高压和可调单脉冲两种输出模式，无需外接附加调制级，大幅简化了系统构成，拓宽了设备的应用场景。

5、所述高压源包括直流升压变压器、脉冲升压变压器、螺旋同轴层叠倍压整流网络、等电位屏蔽筒、高导热绝缘介质填充层和脉冲触发源。

6、所述直流升压变压器和脉冲升压变压器分别接收所述直流调制电路和所述脉冲调制电路输出的低压激励并进行升压，两台变压器独立工作，分别服务于直流电路和脉冲电路，保证了两路输出之间互不干扰，为后续倍压和脉冲调制提供各自所需的电压等级。

7、所述螺旋同轴层叠倍压整流网络由多级高压电容和高压硅堆组成，各级沿圆周按象限顺序螺旋上升布置，相邻级在轴心附近通过低阻抗焊接互连，形成螺旋同轴层叠结构，该螺旋同轴层叠结构使得各级元件在三维空间内均匀分布，大幅压缩了倍压网络的轴向和径向尺寸，同时使各级对等电位屏蔽筒的寄生电容趋于一致，为结构自均压提供了拓扑基础。

8、所述等电位屏蔽筒同轴套设于所述螺旋同轴层叠倍压整流网络外部，接内部参考电位形成等电位腔，等电位屏蔽筒与上述螺旋同轴层叠结构协同作用，使各级对等电位屏蔽筒的寄生电容及级间电容分布对称、大小接近，在高频脉冲工况下实现结构自均压，省去了传统方案中必不可少的均压电阻链，降低了功耗和电路复杂度；同时，该等电位屏蔽筒还起到静电屏蔽作用，阻断高压电场向外耦合，改善了电磁兼容性能，降低了输出纹波。

9、所述高导热绝缘介质填充层填充于高压区导体间、导体与等电位屏蔽筒之间以及pcb隔离槽内，实现无空隙全填充，该高导热绝缘介质填充层不仅承受高电压、提供绝缘屏障，还能将内部元件产生的热量高效传导至外部壳体，消除了传统空气间隙中易发生局部放电的隐患，同时解决了高压部件散热困难的问题；其热膨胀系数与接触的金属及pcb材料相匹配，冷热循环中不剥离、不开裂，保证了长期绝缘可靠性。

10、所述脉冲触发源同轴安装于所述螺旋同轴层叠倍压整流网络末级高压引出端之上，接收所述脉冲升压变压器输出的高压调制脉冲，经快速开关调制后输出叠加于直流电平上的高压单脉冲，该脉冲触发源与倍压网络同轴集成的结构布局，避免了长高压引线带来的分布参数和电磁干扰问题，使得输出脉冲前沿陡峭、幅值精确可控。

11、进一步，所述螺旋同轴层叠倍压整流网络的各级电容与pcb之间的缝隙中设置有放电电阻和硅堆，所述放电电阻用于在断电后泄放电容残余电荷，该放电电阻在设备断电后将储存在倍压电容中的高压电荷安全泄放，避免残余电荷对操作人员造成电击危险，提高了设备维护安全性，同时该放电电阻不参与工况均压，消除了其功耗对系统效率的影响。

12、进一步，所述pcb上于不同电位区域之间开设有隔离槽，所述隔离槽在灌封工艺中为高导热绝缘介质提供流通通道，该隔离槽的开设确保了灌封时绝缘介质能够彻底填充所有缝隙、消除内部气泡，使电场分布更均匀，同时增大了沿面爬电距离，有效抑制了沿面放电。

13、进一步，所述等电位屏蔽筒配合接地隔离板构成高低压间的静电屏蔽结构，切断高压脉冲电场向低压电路的耦合路径，该屏蔽结构有效抑制了高压侧容性耦合对低压控制电路的干扰，保证了控制系统的稳定性，降低了输出纹波和脉冲抖动。

14、进一步，所述直流升压变压器和脉冲升压变压器的初、次级绕组分段绕制，初次级间、次级段间及绕组-磁芯间设有多层绝缘屏障，次级高压出线端加装均压体，该分段绕制和多层绝缘屏障设计增大了爬电距离、减弱了层间场强，使变压器能够可靠承受高电压；均压体抑制了出线端的电场集中和局部放电，提高了变压器的绝缘寿命。

15、进一步，所述螺旋同轴层叠倍压整流网络的末级串联有限流电阻，所述限流电阻与等电位屏蔽筒及高压引出端一体化集成，该限流电阻在输出发生放电时限制瞬态电流和电流上升率，保护内部功率器件和高压结构免受过流冲击，同时抑制瞬态过压，保证了输出波形的可控性和设备的安全性；其与等电位屏蔽筒及引出端的一体化集成设计保证了输出端电场的可控性，避免引入新的场强畸变点。

16、进一步，所述数字控制与保护系统包括独立的高速adc采样单元、数字控制器、硬件比较器链和可编程逻辑，独立的所述高速adc采样单元分别采集直流通道和脉冲通道的输出电压、输出电流及关键节点电压电流信号；所述数字控制器根据设定值与采样反馈进行实时闭环调节；所述硬件比较器链和可编程逻辑对采样信号进行逐周期监测，在检测到过流、过压、打火或脉冲参数越限时触发纳秒级硬件保护动作，该数字控制与保护系统实现了对两路输出的独立精确调控，其中硬件级保护可在纳秒级时间内截断瞬时过载，与数字周期限制和软件状态监控共同构成三层防护体系，确保了极限工况下功率器件和高压结构的安全。

17、进一步，所述高压侧信号经由高带宽隔离运放构成的采样回路传至低压控制域，所述隔离运放具有高共模抑制比和低传播延迟特性，该高带宽隔离运放保证了信号在高低压隔离传送过程中的完整性和快速响应能力，使控制系统能够及时捕捉脉冲快速前沿和动态扰动，为高速闭环调节和精准保护提供了准确的实时数据。

18、进一步，所述上位机控制单元通过有线通信接口与主控部件连接，提供图形化操作界面，用于远程设定直流输出电压、脉冲幅值、脉宽和重复频率参数，并实时显示输出电压、电流、系统温度和故障指示信息，该上位机控制单元实现了设备的人机隔离操作，使操作人员可在安全距离外对设备进行精细调节和全面监控，多级权限管理和参数范围限制功能防止了误操作，提高了设备使用的安全性。

19、进一步，所述变换器为全固态封装结构，不依赖油浸或充气绝缘，该全固态封装结构免除了油浸或充气方案所需的密封腔体和辅助系统，大幅减小了体积和重量，消除了泄漏风险，使设备能够适应宽温度范围、振动等恶劣工况，实现了免维护长期稳定运行。

20、本发明的有益效果是：本发明提供了一种紧凑型同轴结构超高倍压直流脉冲变换器，具有以下优点：

21、1.整体结构自均压，简化电路：螺旋对称布局与等电位屏蔽筒配合，利用寄生电容自均压，无需额外均压电阻链，元件数量少、功耗低、可靠性高；放电电阻仅负责断电泄放残余电荷，不参与工况均压。

22、2.紧凑封装的同时解决了绝缘与散热问题：无空隙高导热介质消除场强集中，允许缩小间距下的高耐压；短径向低热阻路径高效导热，体积减小的同时散热能力显著提升。

23、3.双路输出灵活可调：单台设备集成可调直流高压和可调单脉冲输出，脉冲幅值、脉宽独立调节，满足多场景应用需求。

24、4.电场均匀，抑制局部放电和电晕：均压体、等电位屏蔽、无空隙灌封及pcb隔离槽消除曲率突变，电场分布均匀，冷热循环不剥离，绝缘寿命长。

25、5.电磁兼容性好：等电位屏蔽筒和隔离板切断高低压容性耦合，输出纹波小，脉冲前沿干净。

26、6.纳秒级快速保护：硬件比较器链和可编程逻辑实现逐周期监测和纳秒级保护动作，三层防护体系确保极限工况下设备安全。

27、7.免油浸、免充气，环境适应性好：全固态封装无泄漏风险，耐宽温、抗振动，免维护。

28、8.可实现智能远程管理：上位机图形化界面实现远程参数设定、实时监控和权限管理，降低操作门槛，提高使用安全性。

29、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。