(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマルクス発生器であって、前記複数のマルクス発生器が並列に接続されている、複数のマルクス発生器と、
共通インターフェースであって、前記共通インターフェースは、前記複数のマルクス発生器の各マルクス発生器から１つ以上の制御信号を送受信するように構成される、共通インターフェースと、
変圧器であって、前記変圧器は、前記複数のマルクス発生器のうちの第１のマルクス発生器から第１の出力信号を受信するための第１の巻線と、並列に接続された前記複数のマルクス発生器のうちの第２のマルクス発生器から第２の出力信号を受信するための第２の巻線と、を備える、変圧器と、
を備える、パルスを生成するための電子デバイス。 
【請求項２】
前記複数のマルクス発生器の各マルクス発生器は電流を出力するように構成され、前記変圧器は各マルクス発生器によって出力される前記電流を実質的に等しくするように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記変圧器は、複数の一次巻線であって、前記複数の一次巻線の各一次巻線は、前記複数のマルクス発生器のうちの１つのマルクス発生器に関連付けられる、複数の一次巻線と、二次巻線と、を含み、各一次巻線は前記複数のマルクス発生器によって生成された複数の信号のうちの１つを受信し、及び前記二次巻線は受信した前記複数の信号に基づいて出力パルスを送信する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記複数のマルクス発生器の各マルクス発生器は１つ以上のスイッチを含み、前記１つ以上のスイッチのうちの各スイッチは２０００ボルト未満の陽極ピーク電圧定格を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
各スイッチは、５００アンペアの陽極ピーク電流比を有する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
各スイッチは、１マイクロ秒以下のターンオン時間を有する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
前記共通インターフェースは、出力パルスの１つ以上の仕様に関してユーザからコマンドを受信するように構成され、前記受信した仕様に基づいて、各マルクス発生器の１つ以上の設定を調整するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記共通インターフェースは、前記複数のマルクス発生器の各マルクス発生器の過電流状態を検出するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記共通インターフェースは、前記複数のマルクス発生器の各マルクス発生器に発生している１つ以上の電弧放電を検出するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
複数のドループ補償ユニットをさらに備え、各ドループ補償ユニットは、前記複数のマルクス発生器のうちの１つに関連付けられ、各ドループ補償ユニットは出力パルスの平坦性を維持するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
複数のマルクス発生器であって、前記複数のマルクス発生器が並列に接続されている、複数のマルクス発生器と、
共通インターフェースであって、前記共通インターフェースは、前記複数のマルクス発生器の各マルクス発生器から１つ以上の制御信号を送受信するように構成される、共通インターフェースと、
変圧器であって、前記変圧器は、前記複数のマルクス発生器に接続され、前記複数のマルクス発生器から複数の信号を受信し受信した前記複数の信号に基づいて出力パルスを生成するように構成され、前記変圧器は、並列に接続された前記複数のマルクス発生器のうちの第１のマルクス発生器から前記複数の信号の第１の信号を受信するための第１の巻線を備え、並列に接続された前記複数のマルクス発生器のうちの第２のマルクス発生器から第２の出力信号を受信するための第２の巻線を備え、前記複数のマルクス発生器から受信された前記複数の信号はそれぞれ、５００アンペアを超える出力電流及び２０００ボルトを超える出力電圧を有する、変圧器と、
を備える、パルスを生成するための電子デバイス。
【請求項１２】
並列な前記複数のマルクス発生器は、前記変圧器の一次巻線上で電気的に絶縁され、磁気的に結合されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記変圧器の一次巻線上で前記複数のマルクス発生器により生成される磁気信号は、巻線比によって前記変圧器の二次巻線上で出力信号へと加算及び変換される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記複数のマルクス発生器の各マルクス発生器にそれぞれ関連付けられる複数のドループ補償ユニットであって、前記複数のドループ補償ユニットのそれぞれが、主マルクス放電ステージに並列及び直列なダイオード及びコンデンサの構成を通して、ドループ補償を得る、複数のドループ補償ユニットをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願に対する参照］
本出願は２０１７年６月１９日に出願された「SYSTEMS AND METHOD FOR PARALLELED IDENTICAL MARX GENERATORS」という名称の米国仮出願第６２／５２１，８１９号の利益を主張し、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
［技術分野］
【０００２】
本開示は、高電圧パルスを生成するためのシステム及び方法に関する。より詳細には、本開示は、ソリッドステートスイッチによって制御される高電圧パルスを生成するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの応用例は、高電圧パルスを送達することができるパルス電源を必要とする。分光計、クライストロン、加速器、レーダ送信機、高インピーダンス電子銃、イオン管、液体分極セル等は、高電圧パルスを必要とする適用の例である。従来のシステムでは、パルス電源は、高電圧パルス形成ネットワークと、スパークギャップ又はサイラトロンなどの何らかの種類のスイッチと、を使用する。
【０００４】
これらの種類のパルス電源は、多くの場合、マルクス発生器の原理を使用して作成される。一般に、マルクス発生器は、一群のコンデンサを並列に充電し、次いでコンデンサを直列に放電することによって電圧パルスを生成する回路である。図１は、典型的なマルクス発生器の一例を示す。図１において、充電電圧１０１がパルス形成ネットワーク１００に印加される。ステージコンデンサ１０４は、抵抗１０２を介して並列に充電される。スパークギャップ１０６は、特定の条件が満たされるまで、コンデンサ１０４が負荷１０８に放電するのを妨げる。
【０００５】
マルクス発生器は並列に充電されるので、電圧パルスの大きさは、追加の充電セクションを追加することによって増加させることができる。しかしながら、共に積み重ねることができるセクションの数は、浮遊容量によって実質的に制限されることが分かっている。パルス形成ネットワーク内のセクションの数が増加するにつれて、対地浮遊容量が増加する可能性がある。浮遊容量は、電圧パルスの立ち上がり時間及び／又は立ち下がり時間に悪影響を及ぼすことがある、接地へと向けられる寄生電流を引き起こす可能性がある。したがって、浮遊容量は、パルス発生器に含まれ得るセクションの数を制限する。
【０００６】
浮遊容量はまた、特定のセクションが見る電圧に影響を及ぼす可能性がある。さらに、１つのセクションによって見られる浮遊容量は、通常、マルクス発生器の別のセクションによって見られる浮遊容量とは異なる。浮遊容量はパルス発生器のセクション間で平衡がとれていないので、このセクションのいくつかは、より高い電圧過渡を経験することがあり、したがって誤動作することがある。全てのマルクス発生器システムは浮遊容量の影響を受けるが、パルス発生器内のコンデンサを充電するのに必要なインダクタ、抵抗、変圧器、及び絶縁電源も、そのパルス発生器に浮遊容量を追加する。言い換えると、従来のパルス発生器の構成要素は、システムに追加の浮遊容量を導入し、さらに、共に首尾よく接続され得るステージの数を低減する。
【０００７】
いくつかのシナリオでは、マルクス発生器によって出力される必要があるパルスの電力が、各種輸出及び輸入規制に準拠していない可能性がある使用技術を必要とするのに実質的に十分である可能性があり、したがって、その発生器を通商上実行不可能にする。
【発明の概要】
【０００８】
これら及び他の制限は、電圧パルスを生成するためのシステム及び方法に関する本開示の実施形態によって克服される。本開示の一実施形態では比較的低い電圧要件を有する直列電圧セルは直列に共に積み重ねることができ、各電圧セルはオン及びオフにすることができるスイッチ（ソリッドステートスイッチなど）と直列に接続されたコンデンサを含む。パルス発生器を形成するために複数の電圧セルが接続される場合、電圧セルのコンデンサは、１つ以上のスイッチを使用して並列に充電され、直列に放電される。主スイッチは少なくともコンデンサを放電するために使用され、戻りスイッチは少なくともコンデンサを充電するために使用される。
【０００９】
電圧セルが積層されるとき、例えば、コンデンサと主スイッチとが直列に接続される。これらのコンデンサは、オフにされる主スイッチによって互いに絶縁される。主スイッチがオンであるとき、コンデンサは直列に接続され、電圧パルスが生成される。主スイッチがオフであるとき、戻りスイッチは、オンにされ、電圧セル内のコンデンサを充電する電流のための戻り経路を提供してもよい。従って、コンデンサが負荷に放電するように、主スイッチがオンであるとき戻りスイッチはオフである。有利には、このコンデンサはインダクタ、抵抗器、又は絶縁電源を用いずに充電されることができ、それによって、従来のマルクス発生器に関連する浮遊容量の一部を低減する。さらに、これらのスイッチは、インダクタ、抵抗器、絶縁電源、又は降圧電源を用いることなく、補助電源の使用によって駆動することができる。
【００１０】
各電圧セル内のコンデンサは、ダイオードストリング供給ラインを介して充電することができる。充電電流の戻り経路は、戻りスイッチを介して提供される。コンデンサが充電しているとき、又は充電されているとき、連続するコンデンサ間に配置された主スイッチはオフ状態にあり、コンデンサが直列に放電するのを妨げる。主スイッチがオンにされたときには、コンデンサは直列に接続され、放電される。放電中、戻りスイッチはオフになる。コンデンサを再充電するには、主スイッチはオフになり、戻りスイッチはオンに戻る。戻りスイッチは、一実施形態では浮遊容量が放電するための経路を提供することによってパルスの立ち下がり時間を短縮するのを助けるために、放電中にオンにすることもできる。
【００１１】
電圧セルは、正又は負の電圧パルスのどちらかを生成するように構成されることもできる。一実施形態では、バイポーラパルス発生器は、正のパルスを生成するように構成された一連の電圧セルを含むコンデンサバンクを有し、負のパルスを生成するように構成された一連の電圧セルを含むコンデンサバンクに接続することができる。このバイポーラパルス発生器は、電圧セルの両方のセットの全てのコンデンサを同時に充電することができる。それぞれのコンデンサバンク内のスイッチは、正又は負のパルスのいずれかを生成するためにコンデンサの１セットを放電するように制御されることができる。さらに、ドループ管理を提供し、生成された電圧パルスの形状を管理するために、直列に充電するように構成された電圧セルが追加されてもよい。
【００１２】
各電圧セルはまた、その電圧セルによって見られる浮遊容量を平衡させる平衡ネットワークを含んでもよい。一連の電圧セル内の各電圧セルは異なる浮遊容量を「見る」ので、平衡ネットワークは電圧セルによって見られる浮遊容量に一致するように適合されることができる。これは、各セルによって見られる過渡電圧を平衡させるという利点を有する。
【００１３】
電圧セルは、どの電圧セルがアクティブであるかを制御することによって電圧パルスを調整するために使用することができる。言い換えれば、電圧パルスを生成する能力に影響を及ぼすことなく、電圧パルスを変更するために１つ以上の電圧セルを非アクティブにすることができる。同時に、特定のセルの故障は、パルス発生器がパルスを発するのを妨げない。したがって、本開示の実施形態は、電圧パルスの振幅、電圧パルスの持続時間若しくは幅、電圧パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間など、又はそれらの任意の組合せを制御することができる。
【００１４】
パルス発生器の一実施形態では、電圧セルのいくつかは、ドループ補正を提供するために使用され得るリンギング回路を含むようにさらに構成することができる。この回路は、ドループ補正がぎざぎざ又は鋸歯状ではなく滑らかであるように、ドループ補償又はドループ補正をパルス発生器の出力に提供することができる。このリンギング回路は、直列に充電し次いでリンギングコンデンサに並列に放電するコンデンサを含み、リンギングコンデンサは、滑らかなドループ補償又は補正を提供するように放電することができる。
【００１５】
本開示の別の実施形態では、電圧セルが絶縁保護を提供する。例えば、特定の電圧セルが故障した場合には、そのセルは、パルスを生成し負荷に送達するパルス発生器の能力に影響を及ぼすことなく絶縁されることができる。各電圧セルは、典型的には戻りスイッチを渡るダイオードを含む。主スイッチがオフである場合には、放電電流はこのダイオードを通って流れることができ、セルは実質的に絶縁される。
【００１６】
本開示の別の実施形態では、高電力パルスを生成するために並列マルクストポロジを採用することができ、そこで、そのシステムは、高エネルギーパルスを集合的に生成するために並列に動作するように構成された複数のマルクス発生器を含むことができる。このようにして、各マルクス発生器は、輸出／輸入規制に準拠している市販の既製のスイッチ及びコンデンサ技術を採用し続けることができる。
【００１７】
本開示の追加の特徴及び利点は、続く説明において述べられ、部分的にはこの説明から自明であり、又は本開示の実施によって学習されてもよい。本開示の特徴及び利点は、添付の請求の範囲で特に示されている方法及び組み合わせによって実現し、得られてもよい。本開示のこれらの及び他の特徴は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになり、又は以下に記載されるような本開示の実施によって学習されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】電圧パルスを生成するためにスパークギャップを使用するマルクス発生器の一例を示す。
【００１９】
【図２】一連の電圧セルを制御するためにスイッチを使用するパルス発生器の一実施形態を示す。
【００２０】
【図３Ａ】一連の電圧セルを示し、電圧セル内のコンデンサを直列に接続するために使用される主スイッチと、充電電流の戻り経路を提供する戻りスイッチとを示す。
【００２１】
【図３Ｂ】パルス発生器の一実施形態のより詳細な図であり、ダイオードストリング電源を介する各電圧セルの充電電流の経路を示し、スイッチ駆動に補助電力を供給するためのダイオードストリングを示す。
【００２２】
【図４】正の電圧パルスを生成するように構成された一連の電圧セルの一実施形態を示す。
【００２３】
【図５】負の電圧パルスを生成するように構成された一連の電圧セルの一実施形態を示す。
【００２４】
【図６】正及び負の両方のパルスを生成することができるパルス発生器の実施形態を示す。
【００２５】
【図７】電圧パルスのドループ制御を提供するように配置された電圧セルを含むパルス発生器の別の実施形態を示す。
【００２６】
【図８Ａ】、
【図８Ｂ】、
【図８Ｃ】、
【図８Ｄ】パルス発生器においてドループ制御を提供する一部のパルス発生器の実施形態を示す。
【００２７】
【図９】本開示の例に従う例示的な並列マルクス発生器トポロジを示す。
【００２８】
【図１０】本開示の例に従う例示的な変圧器を示す。
【００２９】
【図１１】本開示の例に従う別の例示的な並列マルクストポロジを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本開示は、電圧パルスを生成するためのシステム及び方法に関する。本開示の実施形態は、電圧パルスの振幅、電圧パルスの持続時間若しくは幅、電圧パルスの立ち上がり時間、電圧パルスの立ち下がり時間など、又はそれらの任意の組合せを制御することができる。本開示のいくつかの実施形態は、変圧器の使用なしに、電圧パルスを生成し送達することができる。
【００３１】
本開示の実施形態は、典型的にはコンデンサとスイッチとの両方を直列に有する、電圧セルを含む。一連の電圧セルにおける最初の及び最後の電圧セルは、負荷に接続するように適合されてもよい。戻りスイッチもまた、ほとんどの電圧セルに含まれる。この戻りスイッチは、ダイオードチェーン又はダイオードチェーン供給ラインを介して供給される充電電流のための経路を提供する。有利には、この戻りスイッチは、従来のパルス発生器において普及しているインダクタ、抵抗器、及び絶縁電源の使用を排除する。このスイッチ駆動はまた、補助ダイオードチェーンを介してエネルギーを供給されてもよく、それによって、さもなければスイッチ駆動に補助電力を供給するために必要とされるだろうインダクタ、抵抗器、絶縁電源、及び降圧電源の必要性を排除する。また、これらの構成要素の排除は、本明細書に記載のシステム及び方法に関連付けられる対地浮遊容量を低減し、これは、より多くの電圧セル又はセクションを直列に積み重ねることを可能にする。
【００３２】
図２は、高電圧パルスを生成して負荷に送達するためのパルス発生器又はシステムの一実施形態のブロック図を示す。より具体的には、システム２００は、高電圧パルスを生成し、負荷２０６に送達する。システム２００において、スイッチトキャパシタバンク２０２は、典型的には直列に配置された１つ以上のコンデンサ又は電圧セル２１０を含む。電圧セル２１０は、電圧パルスとして負荷２０６に送達されるエネルギーを格納するために使用される。
【００３３】
電圧セル２１０は、典型的にはスイッチドライバ２０４によって制御されるスイッチ２１２に関連付けられる。制御信号２０８を制御することによって、スイッチドライバ２０４は、スイッチ２１２をオン／オフにすることができる。スイッチ２１２の状態は、電圧セル２１０が負荷２０６を介して充電しているか放電しているかを決定する。一実施形態では、このスイッチを特定の時間にオン及び／又はオフに切り替えることができる。制御信号２０８のタイミングは、電圧パルスの立ち上がり時間、電圧パルスの立ち下がり時間などを変更することができる。本開示のいくつかの実施形態はまた、波形が整形されるか、又はさもなければ制御されることを可能にする。
【００３４】
一実施形態では、より多くの電圧セルを直列に接続することができるように、浮遊容量の影響が低減される。より多くの電圧セルを直列に接続することができるので、より低い電圧源を使用して、より大きな電圧パルスを生成することができる。また、スイッチドライバは、より低い電圧向けに定格化されることができる。その結果、パルス発生器のコスト及びサイズは、典型的には低減される。
【００３５】
システム２００の一実施形態では、電圧セルは、スイッチ２１２の状態を制御することによって、並列に充電され、直列に放電される。システム２００の利点の１つは、１つ以上の電圧セル２１０が、システム２００が負荷２０６に高電圧パルスを送達することを妨げることなく故障し得ることである。システム２００は、正の電圧パルスを送達するか、負の電圧パルスを送達するか、又は正の若しくは負の電圧パルスのいずれかを送達する（バイポーラ出力）ように構成され得る。さらに、制御信号２０８は、電圧パルスの持続時間、電圧パルスの大きさ、電圧パルスの立ち上がり時間など、又はそれらの任意の組合せを制御するために使用されることができる。一実施形態では、この制御信号は、スイッチドライバ２０４に光学的に結合していてもよい。
【００３６】
図３Ａは、高電圧パルスを格納及び／又は負荷に送達するためのシステムの一実施形態の図を示す。より具体的には、図３Ａは直列に接続された数個の電圧セルを示すが、当業者はより多くの又はより少ない電圧セルが含まれ得ることを理解することができる。各電圧セルは同様に構成され、（ｉ）コンデンサを他の電圧セルと並列又は独立に充電し、（ｉｉ）コンデンサを直列に放電するために、共に動作する。例えば、電圧セル３６２は、この例では電荷を格納するために使用されるコンデンサ３６６を含む。同時に、電圧セル３７４内のコンデンサ３７８も電荷を格納している。電荷を格納するとき、スイッチ３６４及び３７６（並びに他の電圧セルにおける同様のスイッチ）はオフである。したがって、コンデンサ３６６及び３７８は、並列に又は独立して充電することができる。
【００３７】
コンデンサ３６６及び３７８は供給ライン３８８によって充電され、スイッチ３６４及び３７６がオフであるため、供給ライン３８８を介して供給される充電電流のための戻り経路を提供するために、戻りスイッチ３６８及び３８０はオンになる。図３Ａに示されるように、供給ライン３８８はダイオードストリングであり、典型的には、電圧セルを分離するための１つ以上のダイオードを含む。スイッチ駆動３７０及び３８２は、それぞれスイッチ３６４及び３７６の状態を制御する。スイッチ駆動３７２及び３８４は、それぞれ戻りスイッチ３６８及び３８０の状態を制御する。制御ライン３９０は、スイッチ３６４、３７６の状態及び戻りスイッチ３６８、３８０の状態を制御するために使用されることができる。
【００３８】
スイッチ３６４、３７６をオンにし、戻りスイッチ３６８、３８０をオフにしたときには、コンデンサ３６６、３７８は、接続され、負荷３９２に直列に放電する。言い換えれば、コンデンサ３６６、３７８を直列に接続し、放電することは、負荷３９２に印加される高電圧パルスを生成する。スイッチ３６４、３７６をオフにすることは、パルスを終了させ得る。したがって、パルスの持続時間は、スイッチ３６４及び３７６を制御することを介して制御され得る。言い換えれば、機能していない電圧セルは、パルスが生成されること、又は負荷３９２に送達されることを妨げない。別の実施形態では、ダイオードがスイッチを渡って配置される。このダイオードは、例えば、スイッチ３６４、３７６が動作しないときにのみ放電経路を提供してもよい。したがって、スイッチ３６４、３７６は、コンデンサ３６６、３７８が充電されるとき、電圧セル内のコンデンサを依然として絶縁することができる。
【００３９】
図３Ｂは、高電圧パルス発生器の一実施形態を示す。この実施形態は３つの電圧セルを含むが、前述したように、当業者はより多くの又はより少ないステージが含まれ得ることを理解することができる。この例では、コンデンサ３１０、３１４、及び３１８は電荷を格納する。電荷は、スイッチ３０８、３１２、及び３１６をオフ状態にすることによって格納される。
【００４０】
コンデンサ３１０、３１４、及び３１８を充電するとき、戻りスイッチ３３２、３３４、及び３３６はオン状態にあり、主スイッチ３０８、３１２、及び３１６はオフである。経路３２６は、コンデンサ３１８を充電する電源３０４からの電流の経路を示す。同時に、電源３０４は、コンデンサ３１４を充電するために経路３２４を介して電流を送達する。経路３２４は、コンデンサ３１４を通った後、接続３３０を介して戻りスイッチ３３６を通過する。ダイオード３２０、並びに戻りスイッチ３３４及び３３６を通る同様の経路が、コンデンサ３１０を充電するために使用される。コンデンサ３１０を充電する電流は、接続３２８を通過し、次いで戻りスイッチ３３４及び３３６を通る。
【００４１】
コンデンサの放電中、スイッチ３０８、３１２、及び３１６は、それぞれスイッチ駆動３３８、３４２、及び３４６に供給される制御信号を用いてオンにされる。同時に、制御信号は、戻りスイッチ３３２、３３４、及び３３６をオフにするために、スイッチ駆動３４０、３４４、及び３４８に送達される。戻りスイッチ３３２、３３４、及び３３６がオフになると、放電電流は、戻りスイッチを介して流れず、負荷３０６に送達される。
【００４２】
図３Ｂに示されるように、接続３２８はワイヤ又は短絡として示され、接続３３０はインダクタとして示されている。典型的には、電圧セル内の全ての接続は同じであるが、本開示の追加の実施形態を説明するために、この例では２つの種類の接続が示されている。この接続が接続３３０のようなインダクタである場合、スイッチ３１６をオンにすることと戻りスイッチをオフにすることとの間のタイミングを遅らせることができる。誘導接続３３０は、パルスの前縁の立ち上がり時間を増加させることができる。
【００４３】
例えば、スイッチ３０８、３１２、及び３１６がオンになり、戻りスイッチ３３２、３３４、及び３３６もオンになると、電流は、接続３３０のような誘導接続に構築され始める。インダクタンスを構築させた後、戻りスイッチ３３２、３３４、及び３３６をオフにすることができる。したがって、スイッチ３０８、３１２、及び３１６をオフにし、戻りスイッチ３３２、３３４、及び３３６をオンにするのに遅延がある。次いで、誘導接続３３０に格納されたエネルギーは、コンデンサ２１０、３１４、及び３１８から放電されているエネルギーに加えられる。誘導接続３３０の誘導エネルギーをコンデンサ３１０、３１４、及び３１８に格納された容量エネルギーと組み合わせることにより、電圧パルスの立ち上がり時間が速くなる。しかしながら、当業者は、スイッチ３０８、３１２、及び３１６をオン状態にすることと、戻りスイッチ３３２、３３４、及び３３６をオフ状態にすることと、の間に組み込まれる遅延を誘導接続が必要としないことを理解することができる。
【００４４】
パルス発生器が高電圧パルスを終了する準備ができたとき、スイッチ３０８、３１２、及び３１６は、典型的にはオフになる。高電圧パルスの立ち下がり時間は、戻りスイッチ３３２、３３４、及び３３６をオンにすることによって改善することができる。戻りスイッチを介する経路を開くことは浮遊容量及び／又は負荷容量を放電することを助けることができ、これは、高電圧パルスの立ち下がり時間を改善する。
【００４５】
この例は、主スイッチ３０８、３１２、及び３１６並びに戻りスイッチ３３２、３３４、及び３３６を制御するために使用されるタイミングが、結果として生じる電圧パルスの立ち上がり時間及び／又は立ち下がり時間を制御若しくは変更するために使用され得ることを示す。いくつかの実施形態では、電圧パルスの形状をプログラムすることもできる。
【００４６】
図４は、複数の電圧セル（本明細書ではステージ又はセクションとも呼ばれる）を含むパルス発生器のブロック図を示す。図４に示されるパルス発生器の例は、正の電圧パルスを生成する。図４は、スイッチ駆動４４８、４５２、４５６、及び４６０によって制御される主スイッチ４１４、４１６、４１８、並びに４２０と、スイッチ駆動４４６、４５０、４５４、及び４５８によって制御される戻りスイッチ４３８、４４０、４４２、並びに４４４とを使用して、前述のように接続される電圧セル４７４、４７２、４７０、及び４６８を示す。この例では、供給ライン４０４からの戻り経路は、戻りスイッチを介する充電コンデンサ４２２、４２４、４２６、及び４２６からの誘導接続４１５、４１７、及び４１９を含む。
【００４７】
図４はさらに、スイッチ駆動４４６、４４８、４５０、４５２、４５４、４５６、４５８、及び４６０（４４６〜４６０）に電力を供給するために電源４６６によって使用される補助経路４７３を示す。補助経路４７２は、補助ダイオード４７６、４７８、４８０、及び４８２（４７６〜４８２）を含む。補助ダイオード４７６〜４８２は、電源４６６を絶縁するのを助け、負荷４０２へパルスを送達するのを助ける。
【００４８】
補助ダイオード４７６〜４８２を含む補助ダイオードストリングは、ダイオードストリング内の各ダイオードの電圧降下を表す。したがって、特定のステージで利用可能な電圧は、ダイオードストリング内のダイオードの順方向電圧降下によって影響を受ける可能性がある。補助電源４６６によって提供される電圧は、ダイオードの順方向電圧降下及び／又は充電スイッチ電圧降下を克服するのに十分な電圧を単に提供する。多数の電圧セルが含まれる場合、適切な電圧レベルを提供するために、昇圧電圧源が含まれてもよい。
【００４９】
スイッチ駆動又はスイッチ４４６〜４６０は、一実施形態では、当技術分野で知られている任意の種類のソリッドステートスイッチとすることができる。バイポーラ接合トランジスタ、電界効果トランジスタ、ＩＧＢＴ、ダーリントンバイポーラトランジスタ、ソリッドステートスイッチなどは、本明細書で説明されるように使用され得るスイッチの例である。各電圧セルは、主スイッチのためのスイッチ駆動と、戻りスイッチのためのスイッチ駆動と、を含む。例えば、電圧セル４６８は、主スイッチ４１４を制御するために使用されるスイッチ駆動４４８を含む。この例では、主スイッチ４１４のゲートは、スイッチ駆動４４８によって制御される。スイッチ駆動４４６は、戻りスイッチ４３８の状態を制御する。
【００５０】
スイッチ駆動４４６〜４６０に利用可能な電圧はしばしば、連続するスイッチ駆動において、ダイオードストリング及びスイッチにおける以前のダイオード内の電圧降下によって低減される。各スイッチ駆動は、接地又はその前の電圧セルのいずれかから駆動されることができる。一実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータは、十分な電力を提供するために使用されてもよい。別の実施形態では、スイッチ及びゲート駆動は、接地から光学的に結合することができる。
【００５１】
エネルギー格納コンデンサ４２２、４２４、４２６、及び４２８は、ダイオード４０６、４０８、４１０、及び４１２並びに戻りスイッチを介して充電される。このようにコンデンサを充電することは、従来のマルクス発生器において一般的なインダクタ、抵抗器、又は絶縁電源の使用を排除する。さらに、スイッチを駆動するために必要なエネルギーは、補助経路４７３内のダイオードストリングを介して供給することもでき、さもなければ必要とされる可能性があるインダクタ、抵抗器、又は絶縁電源若しくは降圧電源の使用を排除する。このスイッチは、一例として、光ファイバ結合、変圧器結合、又は補助電力ダイオードによってトリガされることができる。
【００５２】
ダイオード４０６、４０８、４１０、及び４１２を含むダイオードストリングは、いくつかの利点を提供する。まず、ダイオードストリングは、パルス中に、各電圧セル又は電圧ステージを他の電圧セル又は電圧ステージから絶縁する。
【００５３】
図４は、平衡ネットワーク４３０、４３２、４３４、及び４３６をさらに示す。各平衡ネットワークは、典型的には抵抗器との直列のコンデンサを含み、各平衡ネットワークは、浮遊容量を接地と平衡させるのを助ける。平衡ネットワーク内の静電容量は、電圧パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間の間に、セクションからセクションへ電圧を等しく分配するのを助ける。特定の電圧セルに関連付けられる対地浮遊容量は、典型的にはパルス変圧器の他の電圧セルに関連付けられる対地浮遊容量とは異なるので、各電圧セルの静電容量及び／又は抵抗は、その電圧セルによって「見られる」浮遊容量に一致するように適合させることができる。したがって、平衡ネットワーク４３０の静電容量は、平衡ネットワーク４３２、４３４、及び４３６の静電容量とは異なっていてもよい。各平衡ネットワークの静電容量は、その浮遊容量に一致するように選択される。各平衡ネットワークにおける抵抗は、浮遊インダクタンス及び／又は浮遊容量のリンギングを低減するのを助ける。図８に示される代わりの実施形態では、リンギング回路は、電圧パルスに少なくとも滑らかなドループ補償を提供するために、パルス発生器の１つ以上の電圧セルに含まれていてもよい。
【００５４】
電源４６２は、負荷４０２の高電圧端に電力の供給を提供することができる。例えば、負荷４０２がパルス管である場合には、電源４６２は、パルス管のフィラメント又はヒータに電力を提供することができる。したがって、電源４６２は、（その電源が光学的に制御される限り）追加の装置なしに高電圧端に電力供給を提供する。
【００５５】
図５は、パルス発生器の別の実施形態を示す。図５は、図４に示すパルス発生器と同様であり、図５のパルス発生器が負の電圧パルスを発生するのに対し、図４のパルス発生器が正のパルスを発生するという相違点を有する。充電ダイオード５０２、５０４、５０６、５０８、及び５１０、並びに補助ダイオード５１２、５１４、５１６、及び５１８は、負電源５００、５２０を収容するように構成される。このスイッチ及び戻りスイッチは、負の電源にも適合される。
【００５６】
図６において、正の電圧セル６１８は正型電圧パルスを生成し、負の電圧セル６２０は負型電圧パルスを生成する。電圧セル６１８は、電圧セル６２０と直列である。この例では、電圧セル６１８内のコンデンサを充電するために使用されるダイオードストリング６０２は、接続６０６を介して電圧セル６２０の戻りラインスイッチストリング６０４に接続される。同様に、電圧セル６２０内のコンデンサを充電するために使用されるダイオードストリング６１０は、接続６０８を介して電圧セル６１８の戻りラインスイッチストリング６２２と直列に接続される。負の供給補助ダイオードストリング６１４は、逆方向ＤＣ−ＤＣ供給６１２を使用して正の供給補助ダイオードストリング６１６に接続される。正電圧セル６１８及び負電圧セル６２０の全てのコンデンサは、同時に充電されることができる。
【００５７】
図７は、ドループ補正を含むパルス発生器の実施形態を示す。より具体的には、図７は負型パルス発生器のドループ補正を示す。当業者であれば、このドループ補正は任意の極性の発生器に使用され得ることを理解するだろう。図７に示されるパルス発生器の実施形態は、前述のように複数の電圧セル７１４を含む。この例では、電圧セル７１４は、電圧セル７１４とは異なる一連のセル７０２に接続される。この例では、電圧セル７０２は、直列に充電し並列に放電するように構成される。スイッチ駆動７０８、７１６、７１８、７２０、及び７２２は、コンデンサ７０４、７２４、７２６、７２８、７３０、及び７４０が直列に充電するように、スイッチ７０６、７３２、７３４、７３６、及び７３８を制御する。同時に、電圧セル７１４の格納コンデンサは並列に充電している。しかしながら、電圧セル７０２は、ドループ補正を提供するように構成される。
【００５８】
電圧セル７０２内のスイッチがオンであるとき、コンデンサは直列に充電する。電圧パルスの間、電圧セル７０２は、電圧パルスの形状が調整され得るように放電されることができる。ある実施形態において、このドループは、電圧セル７０２内のコンデンサの放電を制御又は遅延することによって、パルス全体に渡って補正されることができる。本開示の別の実施形態では、パルスは、リセットされる必要のあるコアを有するパルス変圧器を駆動してもよい。コアリセット電流を提供するために、充電スイッチの接地端と直列にリセット電源が含まれ得る。これは、コアリセットインダクタを持つ必要性を排除する。
【００５９】
図８Ａ〜８Ｄは、ドループ補償を提供する回路を含む電圧セルの追加の実施形態を示す。図８Ａ〜８Ｄはまた、欠陥のある又は機能していない電圧セルを絶縁する能力を示す。パルス発生器が構築されるとき、そのパルス発生器は複数の電圧セルを含んでいてもよい。本開示の実施形態は、リンギング回路を含むことによってドループ補償を提供する。しかしながら、ドループ補正又はドループ補償を提供するために、これらの電圧セルのうちの１つのみ又は数個がリンギング回路を有する必要がある。電圧セルの大部分は本明細書に記載されるようなものとすることができ、必ずしもリンギング回路を含む必要はない。
【００６０】
この例では、コンデンサ８０２は、負荷に送達される電荷を格納するために使用される。直列に接続された電圧セル内の他のコンデンサも、電圧パルスとして負荷に送達されるだろう電荷を格納する。前述のように、コンデンサ８０２は、電流が充電源８２４からダイオード８３６を通って流れるときに直列に充電されることができる。電圧セル８２０内のコンデンサを充電するために使用される電流は、充電電力８２４から、オンである戻りスイッチ８１４を通って電圧セル８２０まで流れ、次いでダイオードストリング８２２を通って充電電力８２４に戻る。
【００６１】
このようにして、コンデンサ８０２は、図８Ａに示されるように、主スイッチ８１６がオフになり、戻りスイッチ８１４がオンになると充電される。このように戻りスイッチがオンになると、次の電圧セル８２０内のコンデンサに電流が流れることができる。直列接続された電圧セル内の主スイッチはオフになるので、コンデンサ８０２は放電しない。戻りスイッチ８１４を通る電流は、ダイオードストリング８２２を通って戻ることができる。このようにして、電圧セル内のコンデンサは、充電電源８２４によって効果的に並列に充電される。
【００６２】
図８Ａの電圧セル８００は、インダクタ８１２、コンデンサ８１０、並びにダイオード８０４、８０６、及び８１８も示す。ダイオード８１８及び８０６は、コンデンサ８０２が放電するのを妨げる。主スイッチ８１６がオンになると、ダイオード８０４は、コンデンサに格納された電流がコンデンサ８１０を通って放電するのを妨げ、電圧パルスが負荷に送達されることを保証する。
【００６３】
先に示したように、電圧パルスは、時間の経過と共にドループし始めることがある。コンデンサ８１０及びインダクタ８１２を含むリンギング回路は、図７に示されるドループ補償よりも滑らかなドループ補償を提供することができる。この場合、コンデンサ８０２が放電し始めると、リンギング回路はリングし始め、一実施形態では、電圧パルスにドループ補償を提供する半正弦波を作成する。有利には、これは、一実施形態において、電圧パルスに対するぎざぎざ又は鋸歯状の補償ではなく滑らかなドループ補償を提供する。
【００６４】
より具体的には、図８Ｂは、放電しドループ補償を提供している電圧セルを示す。この例では、主スイッチ８１６がオンにされ、戻りスイッチ８１４がオフにされる。したがって、直列に接続された電圧セル８００、８２０（追加の電圧セルは前述のように同様に接続されてもよい）のコンデンサ８０２は、接続される負荷へと開いたスイッチを介して接続及び放電し、そのコンデンサは直列に接続された電圧セルに並列であってもよい。
【００６５】
リンギング回路を含む電圧セルでは、ダイオード８４２、８３６、及び８４０は、コンデンサ８０２が直列に充電されることを可能にし、コンデンサを並列に放電させる。セル８００内のコンデンサ８０２は直列に充電されるが、コンデンサ８０２は前述のように他の電圧セル内の他のコンデンサと並列に充電されている。
【００６６】
その結果、電圧セル８００は、スイッチ８１６がオンにされたときにコンデンサが電圧の半分を有するように、リンギング回路と接続される。そのリンギング回路はリングし始め、コンデンサ８１０は電圧の２倍に充電される。したがって、コンデンサ８１０は正弦波で充電され、電圧パルスに滑らかなブースト補償を提供する。この例では、回路８３８は、充電が並列に放電するための経路を提供するダイオード及び抵抗器を含む。
【００６７】
ドループ補償又はドループ補正は、リンギング回路によって提供される。この例では、インダクタ８１２及びコンデンサ８０１がリングし始め、コンデンサ８１０は、充電し始めると、オンであるスイッチ８１６を通って負荷に放電することができる。このリンギングは、電圧パルスにドループ補償を提供する効果を有する。コンデンサ８１０及びインダクタ８１２の値を変化させることによって、ドループ補償を選択的に提供し、制御することができる。言い換えれば、コンデンサ８１０は、他の電圧セルのコンデンサが放電していた後に放電を開始し、それによって電圧パルスの電圧ドループを補償する。
【００６８】
図８Ｃ及び図８Ｄは、パルスが供給された後に主スイッチ８１６がオフにされた後のリンギング回路を示す。主スイッチ８１６が（他の電圧セルの主スイッチと共に）オフにされると、電圧セルのリンギング回路は絶縁状態になる。インダクタ８１２内の残留電流又はコンデンサ８１０内の電荷は、絶縁された方式でリンギング回路内で放電する。例えば、図８Ｃは、電流８２８がコンデンサ８１０からダイオード８１８を通って放電することを示している。一方、図８Ｄは、インダクタ８１２内の電流がダイオード８０６を介してコンデンサ８１０に放電することを示している。このように、図８Ａ〜Ｄに示されるリンギング回路は、電圧パルスに滑らかなドループ補償を提供する例である。
【００６９】
図８Ｄはまた、電圧パルスの生成に悪影響を及ぼすことなく、欠陥セルを絶縁することができる、又は正しく機能していない可能性があるセルを絶縁することができる、本開示の実施形態を示す。この場合、図８Ｄ（及び他の図）に示される戻りスイッチは、ダイオード８３２を含む。戻りスイッチがそのようなダイオードを含まない場合、ダイオード８３４が、この例では戻りスイッチを渡る電圧セルに含まれ得る。ダイオード８３２は、戻りスイッチ８１４がオフであり、セルに欠陥があるときに、放電電流のための経路を提供する。したがって、ダイオード８３２又は８３４は、特定の電圧セルが様々な理由で動作不能であるときにパルスが送達されることを可能にする絶縁ダイオードとなる。
【００７０】
通常、電圧セル８００が正常に動作しているとき、ダイオード８３２又は８３４は、電流がコンデンサを通って放電するように、放電中に逆バイアスされる。このセルに欠陥があるとき、スイッチ８１６をオフにすることができ、これは、放電電流がダイオード８３２又は８３４を通って欠陥のある電圧セルを迂回して通ることを可能にする。コンデンサ８０２の充電を許可するために戻りスイッチがオンになっているとき、主スイッチはオフになっており、主スイッチがオフでありダイオード８３２が逆バイアスであるときには電圧セルが実質的に絶縁されているため、電流はダイオード８３２を通って放電することができない。あるいは、放電電流はダイオードストリング８２２を通って送達され得る。
【００７１】
一実施形態では、複数の電圧セルを含むパルス発生器が構築され得る。このようなパルス発生器は、いくつかの事象に対する保護を提供する複数の冗長性を有する。電圧セルに欠陥がある場合、残りの電圧セルのコンデンサに最初に格納された電荷の量は、電圧パルスが影響を受けないように変更することができる。この場合、このパルス発生器は、特定のデューティが必要とするよりも多くの電圧セルを含んでいてもよい。また、この電圧セルは、セルに欠陥があるときであっても電圧パルスを送達することができるように構築されている。
【００７２】
言い換えれば、本開示の実施形態は、セル絶縁及び冗長性を提供する。本開示の実施形態は、いくつかの利点及び利益を提供する。立ち上がり時間及び立ち下がり時間、加えてパルスの形状は、プログラム又は制御することができる。例えば、立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、リンギング回路内の構成要素の選択によって制御することができる。立ち上がり時間及び／又は立ち下がり時間は、主スイッチ及び／又は戻りスイッチをオン／オフにするタイミングによって制御することもできる。さらに、パルスの長さをプログラムすることもできる。
【００７３】
例えば、パルス発生器は、典型的には、広範囲の電圧パルスを生成するのに十分な電圧セルを含む。場合によっては、特定のパルスを生成するために電圧セルのすべてが必要とされなくてもよい。主スイッチ及び戻りスイッチのタイミングを制御することによって、電圧パルスの長さを制御することができる。別の例では、残留電圧は放電が起こり得る別の経路を有するので、電圧パルスの立ち下がり時間は、パルスの終わりに戻りスイッチをオンにすることによって増加することができる。
【００７４】
いくつかの実施形態では、マルクス発生器によって生成されるパルスの要件は、所望のパルスを生産するために並列に使用される２つ以上のマルクス発生器を必要とするのに十分であり得る。場合によっては、並列マルクストポロジは、各マルクス発生器の電流供給を、輸出制御スイッチを必要としないように許容可能なレベルに低減するために使用されることができ、これは、このシステムに通商上の利便性の自由を与えることができる（すなわち、このシステムは、各種輸出−輸入制御規定に準拠したまま、国境を越えて出荷することができる）。他の例では、パルスの電圧及び電流要件は、高電圧、高電流ソリッドステートデバイスに関連付けられる放射損傷又は他の故障モードの可能性を最小限に抑えるように、パルス変圧器巻数比の操作によって高電力ＩＧＢＴスイッチが低減された電圧で動作することを可能にするように、並列マルクストポロジの使用を保証するのに十分足りていてもよい。
【００７５】
一例として、２０００アンペアで１００００ボルトのパルスを生成するために単一のマルクス発生器が必要とされる場合には、単一のマルクス発生器でそのようなパルスを作成するために必要とされるＩＧＢＴスイッチは市販のスイッチの電圧定格及び電流定格を超える可能性があり、２つの並列マルクス発生器であれば、電流が出力で２０００Ａに加算されるように、市販の１０００Ａスイッチを使用して採用される必要がある。一般に、市販のスイッチは、約４〜１０００アンペアの電流を扱うように設計されている。別の場合には、単一のマルクス発生器を使用して１０，０００ボルト、１０００アンペアのパルスを生成するために、１０００Ａのスイッチが採用される必要があってもよい。そのようなより高い定格のスイッチは、様々な国によって課される様々な輸出／輸入制御に違反する可能性がある。例えば、米国では、ＩＴＡＲ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｒａｆｆｉｃ  ｉｎ  Ａｒｍｓ）規制が、単一のマルクス発生器を使用して上述のパルスを生成するのに十分な電圧定格及び電流定格を有するスイッチを含むマルクス発生器の輸出を、禁止又は厳しく制限する可能性がある。例えば、現在のＩＴＡＲ規制は、２，０００ボルト以下の陽極ピーク電圧、５００アンペア未満の陽極ピーク電流定格、及び１マイクロ秒より長いターンオン時間を有するスイッチのみを許可している。パルスの電圧及び電流要件が、単一のマルクス発生器を使用して実現されるときにＩＴＡＲ調整スイッチング規制を超えるスイッチを必要とするのに十分である場合、そのようなデバイスは通商上実行可能ではない可能性がある。したがって、一例として、パルスが５００アンペアを超える電流及び２，０００ボルトを超えるパルスを必要とした場合には、そのようなパルスが単一のマルクス発生器を使用して生成されるシステムを作成するために、その発生器は、おそらく非ＩＴＡＲ準拠スイッチを必要とするだろう。
【００７６】
したがって、５００アンペアを超える電流、又は６００アンペアを超える電流、又は７００アンペアを超える電流、又は８００アンペアを超える電流を必要とする出力パルスのためには、以下で説明されるシステムであれば、ＩＴＡＲ準拠の実現を確実にするために利用することができる。
【００７７】
以下に詳細に説明される並列マルクストポロジを採用することによって、個々の各マルクスは輸出／輸入準拠のスイッチ及び他の構成要素を含むことができ、並列マルクス発生器によって作成される集合パルスは、パルスのユーザの要件を満たすのに十分に高い電圧及び電流を有するパルスを生成することができる。並列マルクス発生器技術から利益を得ることができるパルスの使用例は、電子ビーム、陽子ビーム、分光計、加速器、レーダ送信機、高インピーダンス電子銃、イオン管、液体分極セル、及びエレクトロポレーションを含む。上記のリストは、ただ高電圧パルスが必要とされる可能性がある状況例であることを理解されるべきであり、限定として解釈されるべきではない。高電圧パルスが必要とされる任意の状況は、並列マルクストポロジから利益を得ることができる。
【００７８】
図９は、本開示の例に従う例示的な並列マルクス発生器トポロジを示す。並列マルクス発生器システム９００は、マルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂのそれぞれに電力（すなわち、電流）を提供するために使用される電源９０２を含むことができる。システム９０２は、高電力パルスを生成するために集合的に使用することができる２つのマルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂを含むこともできる。図９の例では、システム９０２は２つの並列マルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂを含むが、この例は限定として解釈されるべきではない。並列マルクス発生器を採用するシステムは複数（例えば、３、４、５個など）のマルクス発生器を含むことができる。当業者であれば、以下に詳細に説明されるシステム及び方法は、３つ以上の並列マルクス発生器を含む並列マルクス発生器トポロジで採用され得ることを理解するだろう。
【００７９】
各マルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂは、図１〜８に関して上述したシステム及び方法を使用して実現することができ、使用される回路のレイアウト及び構成要素に関して互いに同一であることができる。各マルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂは、電源９０２と接続され、電源９０２から電力を受信し、更に共通インターフェース９０２を含むことができる（以下でさらに詳細に説明する）。各マルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂは、変圧器９０８に出力され得る。変圧器９０８は、各マルクス発生器によって集合的に生成された電圧を昇圧させ、各マルクス発生器によって生成された電流を、パルスが採用されている状況によって必要とされる所望のレベルに降圧させることができる。電圧昇圧及び電流降圧の量は、変圧器９０８の一次巻線とこの変圧器の二次巻線との比によって決定することができる。したがって、ユーザのパルスの電圧ニーズに応じて、変圧器は、所望のパルスをもたらすことができる昇圧効果を生産するために、１次巻線と２次巻線との間の適切な比率を用いて設計されることができる。以下でさらに詳細に説明するように、変圧器９０８は、各マルクス発生器によって生成される電流を平衡させることにも役立つことができる。
【００８０】
最後に、変圧器９０８の出力は、負荷１０を駆動するために用いることができる。負荷９１０は、電子ビーム、分光計、レーダなどの、システム９０２によって作成されたパルスを利用するデバイスを表すことができる。
【００８１】
変圧器９０８は、２つの一次目的に適い得る。第１に、変圧器９０８は、マルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂから負荷９１０に出力される電圧を昇圧させるように作動することができる。電圧の昇圧及び電流の降圧の量は、変圧器の一次巻線（すなわち、マルクス発生器と相互作用する変圧器の側）と変圧器の二次巻線（すなわち、負荷９１０に接続される変圧器の側）との間の巻数の比に基づくことができる。したがって、一例では、マルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂが集合的に１，０００アンペア及び１０，０００ボルトのパルスを生産したが、１３０，０００ボルトのパルスが負荷９１０に必要とされる場合には、１次巻線と２次巻線との比は１：１３とすることができる。このようにして、この電圧は１３の倍数だけ（すなわち、１０，０００ボルトから１３０，０００ボルトへと）昇圧されるだろうし、一方で電流は１３：１の比だけ（すなわち、１，０００アンペアから約７５アンペアへと）降圧される。
【００８２】
図１０は、本開示の例に従う例示的な変圧器を示す。変圧器１００２は、２つの一次巻線１００４及び１００６を含むことができる。２つの一次巻線１００４及び１００６は、それぞれマルクス発生器９０４ｂ及び９０４ａの出力信号を受信することができる。一次巻線１００４及び１００６は、これらの一次巻線が電磁誘導を介して二次巻線に電気エネルギーを伝達することができるように、二次巻線１００８に対して構成されることができる。
【００８３】
上述のように、一次巻線１００４及び１００６と二次巻線１００８との間の巻数の比は、マルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂによって生産されるパルスの電圧よりも高い電圧を有するパルスを生成するために、電圧の所望の昇圧量を達成するように操作することができる。また、上述したように、変圧器９０８は２つの機能に適い得る。第２の機能は、各マルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂによって出力されている電流を平衡させることであり得る。
【００８４】
電流平衡の概念を説明するために、例示的なシナリオが以下に提供される。理想的にはマルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂは同じ出力電流を生成するだろうが、現実的にはこれは当てはまらない場合もある。例えば、マルクス発生器９０４ａは、５５０アンペアの電流を有するパルスを生産してもよく、一方マルクス発生器９０４ｂは、４５０アンペアの電流を有するパルスを生産してもよい。２つのマルクス発生器間の電流の不平衡は、回路の動作中に異なるように動くマルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂを有する、異なる構成要素に起因する可能性がある（これらの異なる挙動は製造上の差異／不規則性によって引き起こされる可能性がある）。例えば、システム９００の動作中に、マルクス発生器９０４ａ内のＩＧＢＴスイッチは、マルクス発生器９０４ｂ内に配置されたＩＧＢＴスイッチと比較したときに、異なる立ち上がり及び立ち下がり時間、抵抗などの異なる特性を示してもよい。これらの差は、各マルクス発生器によって生成される電流が互いに異なることにつながる可能性がある。
【００８５】
パルスを生成するときに５５０アンペアの電流を生産するマルクス発生器９０４ａと、パルスを生成するときに４５０アンペアの電流を生産するマルクス発生器９０４ｂと、の例に戻ると、出力電流のこのような不均衡は、並列マルクス発生器デバイスの寿命に全体的に影響を及ぼす可能性がある。例えば、マルクス発生器９０４ａが、マルクス発生器９０４ｂの４５０アンペアとは対照的により高い５５０アンペアで動作している場合、マルクス発生器９０４ａは、寿命が短くなるかもしれず、もしかするとマルクス発生器９０４ｂよりも速い速度で故障する可能性がある。
【００８６】
しかしながら、変圧器９０８は、負荷９１０を駆動するために最終的に使用される変圧器に、各マルクス発生器がほぼ同じ電流を供給していることを保証するように構成されることができる。当技術分野で知られているように、変圧器内部の磁界は平衡を保つ傾向がある。言い換えれば、変圧器内の磁束経路は、磁界全体にわたって均一性を維持しようとするだろう。持続時間が非常に短いパルス（例えば、２ミリ秒で充電されマイクロ秒単位で放電される、１００万分の５秒）では、変換器が存在しない場合、並列マルクス発生器トポロジの各マルクス発生器によって出力されている電流が等しくならないだろう可能性が充分になり得る。この変圧器は、各マルクス発生器によって生成されている電流が互いに対して概ね均一であることを保証するように作動することができる。図１０に示されるように、２つの並列マルクス発生器が変圧器９０８内の単一の二次巻線に結合されるように構成される構成では、変圧器９０８が、２つの一次巻線１００４及び１００６と二次巻線１００８との間の磁路１０１０を通る均一な流束を維持しようとするだろう。したがって、マルクス発生器９０４ａが５００アンペアの電流を生産する場合、磁束を均一に保とうとする変圧器９０８は、マルクス発生器９０４ｂから５００アンペアを引き出すだろう。このようにして、変圧器９０８が、一方のマルクス発生器の電流が他方のマルクス発生器によって生産されている電流を超えていることを知ると、この変圧器は、より低い電流のマルクス発生器によって生成されている電流に対してより多くの抵抗を作成することができ、したがって、イコライザとして作動することができる。
【００８７】
並列トポロジの各マルクス発生器によって提供される電流を平衡させるというこの概念は、３個、４個、又は任意の数の並列マルクス発生器を有する並列マルクス発生器トポロジにも適用することができる。したがって、この変圧器は、並列マルクストポロジに関する２つの目的に適い得る。第１に、その変圧器は、与えられた負荷に必要とされる必要な電圧及び電流を提供することができ、第２に、その変圧器は、負荷への最終的な送達のために各マルクス発生器が変圧器にほぼ等しい量の電流を提供していることを確実にするために、電流平衡を提供することができる。
【００８８】
並列マルクス発生器トポロジを採用することから利用され得る別の利点は、高電力パルスを生成するのに必要な仕事を分担するために並列マルクス発生器を使用することによって、マルクス発生器自体を、より小型のより信頼性の高い構成要素から構築できることである。例えば、並列マルクス発生器トポロジを採用することは、電力がより高いスイッチよりも典型的には高速である電流がより低いスイッチをユーザに使用させることができる。電流がより低いスイッチは、高電力スイッチと比較したとき、小さく、より軽量にすることができ、より小型のスイッチは、高電力スイッチを採用するマルクス発生器と比較したとき、より速い立ち上がり及び立ち下がり時間をシステムに次々と提供することができる。
【００８９】
また、任意の個々のマルクス発生器が故障したときには常に、システム全体ではなくシステムの一部（すなわち、故障したマルクス発生器）のみが交換される必要があろうことから、システムの故障は、より容易に軽減され得る。並列マルクス発生器トポロジの幾何学的形状は、任意の個々のマルクス発生器の容易な交換を可能にすることができる。
【００９０】
一例では、並列マルクストポロジの幾何学的形状は、任意の個々のマルクス発生器が容易に取り付けられ得る又はより広いシステムから容易に取り外され得るように構成されることを可能にし、それによって、個々のマルクス発生器が故障した場合に、迅速かつ容易な交換を可能にし得る。
【００９１】
再び図９を参照すると、システム９００は、共通インターフェース９０６も含むことができる。共通インターフェース９０６は、個々の各マルクス発生器を別個に制御する必要なしに、並列マルクストポロジ全体を制御するためのユーザインターフェースを提供することができる。この共通インターフェースは、１つのインターフェース上のユーザコマンドがマルクス発生器９０４ａ及び９０４ｂの両方において実現されることを可能にし得る。さらに、共通インターフェース９０６は、両方のマルクス発生器からの連続的な障害監視を可能にすることができ、いずれか又は両方のマルクス発生器からの任意の障害を処理するように構成されることができる。障害が発生した場合、この共通インターフェースは、共通インターフェースボックス自体を交換する必要性を取り除くことができ、したがって、障害の場合には、マルクス発生器のみを交換することが可能になる。
【００９２】
一例では、共通インターフェース９０６は、マルクス発生器の「トリガ」を可能にすることができる光デジタル変換器を含むことができる。「トリガ」とは、各マルクス発生器に対する、パルスを生成するためにその充電ＩＧＢＴを開きその放電ＩＧＢＴを閉じるためのコマンドを指すことができる。このトリガは、ユーザがパルスの終了を望むときに停止することができる。トリガを取り除くと、充電ＩＧＢＴは閉じることができ、同時に放電ＩＧＢＴは開くことができる。
【００９３】
制御インターフェース９０６はまた、障害状態が示される前に、デバイスにおいて検出され得る電弧放電の数をユーザが設定することを可能にし得る。一例では、ユーザは、システムの通常の動作で予想され得る、１０日間で４又は５個の電弧を許容することを望んでもよい。しかしながら、２５個の電弧が非常に短い時間内に発生した場合、ユーザは、電弧の高頻度の根本原因を決定するためにシステム９００をシャットダウンすることに進むことができるように、このことを通知されることを望んでもよい。
【００９４】
この制御インターフェースは、過電流状態、回路内の１つ以上のＩＧＢＴが故障したかどうか、温度状態、流量センサ、及び任意の他の一般的な障害状態を検出することもできる。いくつかの実施形態では、この共通インターフェースは、電源から電力を受信し、次いで、個々の各マルクス発生器に電力を分配することができる。一般に、全てのマルクス発生器を制御するために共通インターフェースを採用することによって、個々の各マルクス発生器は、それ自体の別個の制御インターフェースを必要としなくてもよく、したがって、システムのコスト及びフットプリントを低減することができる。
【００９５】
上述の並列マルクストポロジを実現することは、多くの利点を与えることができる。例えば、そのシステムは、高度にモジュール式であり、サービスが容易であることができ、最適化されたＬＲＵを含むことができる。さらに、そのシステムは、耐放射線性であり、低容積／フットプリントを有し、市販の既製のスイッチ及びコンデンサを含むことができ、単純なインターフェースを含み、高エネルギーパルスを生成しようとしている単一のマルクス発生器と比較したとき、より長い寿命を有することができる。
【００９６】
図１１は、本開示の例に従う別の例示的な並列マルクストポロジを示す。図１１に示されるように、システム１１００は、互いに並列に動作するように構成されている２つの並列マルクス発生器１１１ａ〜ｂを含むことができる。図１１の例では、マルクス発生器１１１０ａ〜ｂは、空冷式又は水冷式とすることができる３ステージソリッドステートマルクス発生器として示されている。並列化されたマルクス部は、３相４８０Ｖ壁電源によって次々に電力を供給される共通の高電圧源によって充電されるそれらのコンデンサを有することができる。並列化されたマルクス部補助電源システムは、共通の１２０Ｖ〜２４０Ｖの単相バスによって給電することができる。
【００９７】
システム１１００は、制御補助電源１１０５によって給電することができる共通インターフェース１１０２を含むことができる。システム１１００は、フラットトップドループ制御ユニット１１０８ａ〜ｂ（各マルクス発生器１１１０ａ〜ｂに対して１つ）を含むこともできる。（上述のような）フラットトップドループ制御ユニット１１０８ａ〜ｂは、システム１１００がフラットトップを有するパルスを生成するのを助けるために採用され得、すなわち、電圧／電流の変化は、パルスの持続時間の間、実質的に安定を保つ。
【００９８】
システム１１００は、図９に関して上述したように動作する変圧器１１１６を含むこともできる。変圧器１１１６は、システム１１００が受ける電弧放電の量を制限するために、この図に示されるようにオイルタンクに浸漬することができる。最後に、システム１１００は、並列マルクストポロジシステムによって生成されたパルスを受信する負荷１１１４に接続することができる。
【００９９】
本開示は、その精神又は本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実装されてもよい。説明した実施形態は、あらゆる点で例示的なものにすぎず、限定的なものではないとみなされるべきである。したがって、本開示の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内で生じる全ての変更は、それらの範囲内に含まれるものとする。
【０１００】
本開示及び実施例は添付の図面を参照して十分に説明されてきたが、様々な変更及び修正が当業者には明らかになることに留意されたい。そのような変更及び修正は、特許請求の範囲によって定義される開示及び実施例の範囲内に含まれているものとして理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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