可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态MARX发生器.pdf

本发明公开了一种可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，用以解决现有Marx发生器充电电压高、电容充电不同步、气体开关寿命短、或磁开关饱和电感大、串联级数难以增大等问题。本发明由可饱和脉冲变压器SPT、Q级Marx电容器和接地电感单元、负载组成；SPT为轴对称结构，其Q组次级绕组作为磁开关，Q级Marx电容器和接地电感单元均匀排布在SPT外围圆周方向，与Q组次级绕组连接。Q级Marx电容器和接地电感单元中的每一级单元由一个Marx电容器和一个接地电感组成。本发明输入充电电压低，磁芯自动复位，各级电容均匀充电，开关串联同步建立时间短，具有高重复运行频率、固态化和长使用寿命的优势。

权利要求书一种可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器由可饱和脉冲变压器SPT、Q级Marx电容器和接地电感单元、负载load三大部分组成；可饱和脉冲变压器SPT的次级绕组作为磁开关，可饱和脉冲变压器SPT关于变压器中心对称轴(1)具有旋转对称性，位于全固态Marx发生器的中心，Q级Marx电容器和接地电感单元均匀分布在可饱和脉冲变压器SPT外围圆周方向，并与可饱和脉冲变压器SPT圆周方向均布的Q组次级绕组连接；Q级Marx电容器和接地电感单元共由Q个完全相同的单级Marx电容器和接地电感单元组成，第q级Marx电容器和接地电感单元由一个Marx电容器Cq和一个接地电感Liq组成，Cq低压端与Liq高压端相连； 
可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器在结构上由Q级单元级联，即第1级单元、……、第q级单元、……、第Q级单元；第q级单元由第q级Marx电容Cq、第q级接地电感Liq、可饱和脉冲变压器SPT第q组次级绕组磁开关MSq串联而成；Cq为高电压脉冲电容器电容，或脉冲形成线或传输线的电容，或脉冲形成网络整体等效电容、或由多个陶瓷电容器并联而成；负载load是电感、电容、电阻，或者是电感、电容、电阻的组合形式，负载load高压极接在第Q级Marx电容CQ的低压极，负载load低压极直接接地；可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器输入端(Min)即为可饱和脉冲变压器SPT初级绕组输入端(Pin)，输出端(Mout)为第Q级Marx电容CQ低压极，或是负载load的高压极；其中Q、q为正整数，1≤q≤Q，Q为3的整数倍、1或2； 
可饱和脉冲变压器SPT由变压器内芯部分、变压器初级绕组部分(P)和变压器次级绕组部分组成；变压器初级绕组部分(P)分组紧绕在变压器内芯部分分组的磁环上，变压器内芯部分关于变压器中心对称轴(1)具有旋转对称性，由磁芯(2)、磁芯隔板部分和内芯夹板部分组成；磁芯隔板部分位于磁芯(2)的磁环之间，内芯夹板部分位于磁芯(2)的顶部和底部，磁芯(2)由M块相同尺寸的磁环堆叠组成，每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装而成，每块磁环封装后的内半径为Rmi，外半径为Rmo，厚度为hm1；M块磁环均分为m组，从上至下依次为第一组磁环、…、第k组磁环、…、第m组磁环；每组磁环均由M/m块磁环沿变压器中心对称轴(1)方向堆叠组成，从上至下依次为第一块、…、第M/m块，1≤k≤m，m为正整数，M为m的整数 倍数；变压器初级绕组部分(P)由第一路初级子绕组(P1)、……、第k路初级子绕组(Pk)、……、第m路初级子绕组(Pm)组成；第k路初级子绕组(Pk)绕线的外部输入端为第k路初级子绕组输入端(Pk‑1)，第k路初级子绕组(Pk)绕线的外部输出端为第k路初级子绕组输出端(Pk‑2)；第一路初级子绕组输入端(P1‑1)、……、第k路初级子绕组输入端(Pk‑1)、……、第m路初级子绕组输入端(Pm‑1)全部并联焊接在输入端并联导线(Pa)上，输入端并联导线(Pa)宽度和厚度与每一路初级子绕组绕线整体的宽度和厚度相同，输入端并联导线(Pa)下端焊接在输入端引出导线(Pc)上，向外引出，作为初级绕组整体输入端(Pin)，输入端引出导线的厚度和宽度与输入端并联导线相同，初级绕组整体输入端(Pin)与外部初级能源相连；每一路初级子绕组均为单匝，由m1根直径均为Φp的漆包线并联绕制而成，m1为正整数，m1≥1，满足m1×Φp小于磁芯顶板铣槽(7‑2)槽宽；第一路初级子绕组(P1)由第一路初级子绕组输入端(P1‑1)引入，穿入磁芯顶板铣槽(7‑2)，从里面包围第一组磁环，再穿入第一组隔板中的隔板下板第二铣槽(9‑2)，由第一路初级子绕组输出端(P1‑2)引出；……；第k路初级子绕组(Pk)由第k路初级子绕组输入端(Pk‑1)引入，穿入第k‑1组隔板中的隔板下板第一铣槽(9‑1)，从里面包围第k组磁环后，再穿入第k组隔板中的隔板下板第二铣槽(9‑2)，初级绕线从该铣槽穿出后由第k路初级子绕组输出端(Pk‑2)引出；……；按照相同的规律，一直到第m路初级子绕组(Pm)由第m路初级子绕组输入端(Pm‑1)引入，穿入第m‑1组隔板中的隔板下板第一铣槽(9‑1)，从里面包围第m组磁环后，再穿入磁芯底板铣槽(10‑1)，初级绕线从该铣槽穿出后由第m路初级子绕组输出端(Pm‑2)引出；第一路初级子绕组输出端(P1‑2)、……、第k路初级子绕组输出端(Pk‑2)、……、第m路初级子绕组输出端(Pm‑2)全部并联焊接在输出端并联导线(Pb)上，输出端并联导线(Pb)尺寸与输入端并联导线(Pa)尺寸相同，输出端并联导线(Pb)下端焊接在输出端引出导线(Pd)上并向外引出，作为初级绕组整体输出端Pout，输出端引出导线宽度和厚度与输出端并联导线相同，初级绕组整体输出端Pout与外部地端相连； 
磁芯隔板部分由磁芯顶板(7)、磁芯中间隔板和磁芯底板(10)三部分组成，均采用绝缘材料制成；磁芯顶板(7)位于第一组磁环顶端，磁芯中间隔板将m组磁环分别隔离开，磁芯底板(10)位于第m组磁环的底部；磁芯顶板(7)为圆环状板，磁芯顶板(7)内半径为R1，外半径为R2，厚度不超过10mm；磁芯顶板(7)外侧壁边缘均布有3个磁芯顶板豁口(7‑1)，3个磁芯顶板豁口(7‑1)呈中心对称分布，半径均为R0，每个磁芯顶板豁口(7‑1)对应的圆心角度为θ0，磁芯顶板豁口(7‑1)底部相对于变压器中心对称轴(1)的距离为Rmo；3个磁芯 顶板豁口(7‑1)中的一个豁口中心位于磁芯顶板(7)俯视图的x轴上，且该豁口关于x轴对称；磁芯顶板(7)上表面的一象限内铣有磁芯顶板铣槽(7‑2)，磁芯顶板铣槽(7‑2)沿径向延伸，槽中心线与磁芯顶板(7)俯视图x轴夹角为θ1；磁芯顶板(7)上表面与内芯顶盖(3)压紧，磁芯顶板(7)下表面与第一组磁环顶部压紧；磁芯中间隔板共分成相同的m‑1组，从上到下依次为第一组隔板、…、第k组隔板、…、第m‑1组隔板；每一组隔板均由磁芯隔板上板(8)和磁芯隔板下板(9)组成，磁芯隔板上板(8)位于磁芯隔板下板(9)上面，二者重叠在一起；磁芯隔板上板(8)的形状和半径尺寸与磁芯顶板(7)相同，磁芯隔板上板厚度不大于2mm；磁芯隔板上板外侧壁边缘挖有3个磁芯隔板上板豁口(8‑1)，呈中心对称分布，3个磁芯隔板上板豁口(8‑1)半径亦均为R0，对应圆心角度亦为θ0，3个磁芯隔板上板豁口(8‑1)的位置与3个磁芯顶板豁口(7‑1)完全相同；每一组隔板中的磁芯隔板上板(8)上表面均与磁环压紧，下表面与磁芯隔板下板(9)的上表面压紧；磁芯隔板下板(9)形状和尺寸与磁芯顶板(7)相同，但磁芯隔板下板(9)的上表面一象限内铣有两个槽，即隔板下板第一铣槽(9‑1)和隔板下板第二铣槽(9‑2)；隔板下板第一铣槽(9‑1)与磁芯顶板铣槽(7‑2)的结构、尺寸和位置完全相同，隔板下板第二铣槽(9‑2)中心线与磁芯隔板下板(9)上表面的y轴方向夹角为θ2，θ2≤30°，隔板下板第二铣槽(9‑2)几何尺寸与隔板下板第一铣槽(9‑1)尺寸完全相同；磁芯隔板下板外侧壁边缘挖有3个中心对称的磁芯隔板下板豁口(9‑3)，磁芯隔板下板豁口(9‑3)尺寸和位置与磁芯顶板豁口(7‑1)完全相同；每组隔板的磁芯隔板下板(9)下表面均与磁环压紧；m‑1组隔板与m组磁环的连接关系如下：第一组磁环底部与第一组隔板中的磁芯隔板上板(8)上表面压紧，第一组隔板中的磁芯隔板上板(8)下表面与第一组隔板中的磁芯隔板下板(9)上表面压紧，第一组隔板中的磁芯隔板下板(9)下表面与第二组磁环顶部压紧；……；第k组磁环底部与第k组隔板中的磁芯隔板上板(8)上表面压紧，第k组隔板中的磁芯隔板上板(8)下表面与第k组隔板中的磁芯隔板下板(9)上表面压紧，第k组隔板中的磁芯隔板下板(9)下表面与第k+1组磁环顶部压紧；……；第m组磁环底部与磁芯底板(10)顶部压紧；磁芯底板(10)形状和尺寸与磁芯顶板(7)相同，但是磁芯底板(10)下表面的磁芯底板铣槽(10‑1)中心线与隔板下板第二铣槽(9‑2)的中心线平行且在变压器垂直方向对齐，磁芯底板铣槽(10‑1)尺寸与磁芯顶板铣槽(7‑2)和隔板下板第二铣槽(9‑2)的尺寸相同；磁芯底板(10)外侧壁边缘挖有磁芯底板豁口(10‑2)，磁芯底板豁口(10‑2)的尺寸、数目和位置与磁芯顶板豁口(7‑1)的尺寸、数目和位置分别相同；磁芯底板(10)下表面与内芯底板(4)上表面压紧；安装时应确保3个磁芯顶板豁口(7‑1)、3个磁芯隔板上板豁口(8‑1)、3个磁芯隔板下板豁口(9‑3)、3个磁芯底板豁口(10‑2)分别在3条直线上对齐； 
内芯夹板部分由内芯顶盖(3)、内芯底板(4)、内芯底板支脚(5)、固定连杆(6)组成，均采用绝缘材料；固定连杆(6)在圆周方向以均匀分布的模式对内芯夹板部分进行锁紧；采用3根固定连杆(6)均匀分布并紧锁内芯夹板部分；内芯底板(4)为圆环板结构，内半径为R1，外半径为R3，满足R1<Rmi<Rmo<R2<R3，厚度不小于15mm；内芯底板(4)上表面铣有3个呈扇形、在圆周方向均布的内芯底板扇形铣槽(4‑1)，内芯底板扇形铣槽(4‑1)对应的扇形圆心角均为Ψ1，槽深不大于10mm，铣槽沿径向贯穿内芯底板(4)外缘和内缘，由于铣槽加工而在内芯底板(4)上表面出现3个相同且均布的扇形凸台即内芯底板扇形凸台(4‑2)，与3个内芯底板扇形铣槽(4‑1)相间交替分布，每个内芯底板扇形凸台圆心角均为Ψ2，满足Ψ1+Ψ2=90°；内芯底板(4)下表面与3个内芯底板扇形凸台(4‑2)相对的位置分别均布3个内芯底板螺孔，与3个内芯底板支脚(5)拧紧配合；3个内芯底板扇形凸台(4‑2)的外边缘各开有1个内芯底板通孔(4‑3)，3个内芯底板通孔(4‑3)在圆周方向均布，通孔半径均为R4，每个内芯底板通孔(4‑3)中心距变压器中心对称轴(1)的距离为Rmo+R4；内芯顶盖(3)的结构与内芯底板(4)的结构相同，亦为圆环板结构，内芯顶盖(3)内半径为R1，外半径为R3，厚度不小于15mm；在圆周方向，内芯顶盖(3)下表面在与内芯底板(4)相对的位置同样铣有3个均布的内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)，槽深不大于10mm，铣槽亦沿径向贯穿内芯顶盖(3)外缘和内缘，内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)对应的扇形中心角均为Ψ1，内芯顶盖(3)下表面由于铣槽而出现的3个相同且均布的内芯顶盖扇形凸台(3‑2)圆心角均为Ψ2；内芯顶盖扇形凸台(3‑2)上与3个内芯底板通孔(4‑3)在垂直方向上正对的位置，亦均布有3个内芯顶盖通孔(3‑3)，通孔半径均为R4；固定连杆(6)是3根半径为R4的圆柱体，其两端均有螺纹，3根固定连杆(6)的长度长于所有磁环厚度、磁芯隔板部分总厚度、内芯顶盖(3)厚度与内芯底板(4)厚度之和；固定连杆(6)紧靠对齐的磁芯顶板豁口(7‑1)、磁芯隔板上板豁口(8‑1)、磁芯隔板下板豁口(9‑3)和磁芯底板豁口(10‑2)，固定连杆(6)上端穿过3个内芯顶盖通孔(3‑3)，由连杆螺帽锁紧，固定连杆(6)下端穿过3个内芯底板通孔(4‑3)，由连杆螺帽锁紧； 
变压器次级绕组部分由共磁芯的Q组次级绕组沿圆周方向排布而成，每一组次级绕组又由组内相邻的N路线绕式子绕组并联组成，N路线绕式子绕组共磁芯，均紧绕在全部M块磁环上，N、M均为正整数；变压器次级绕组部分由第一组次级绕组(S1)、……、第s组次级绕组(Ss)、……、第Q/3组次级绕组(S(Q/3))、第Q/3+1组次级绕组(S(Q/3+1))、……、第Q/3+s组次级绕组(S(Q/3+s))、……、第2Q/3组次级绕组(S(2Q/3))、第2Q/3+1组次级绕组(S(2Q/3+1))、……、第2Q/3+s组次级绕组(S(2Q/3+s))、第Q组次级绕组(SQ)组成，s为整数， 且1≤s≤Q/3；Q组次级绕组完全相同；第一组次级绕组(S1)、……、第s组次级绕组(Ss)、……、第Q/3组次级绕组(S(Q/3))刚好位于第一个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第一个内芯底板扇形铣槽(4‑1)对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布；第Q/3+1组次级绕组(S(Q/3+1))、……、第Q/3+s组次级绕组(S(Q/3+s))、……、第2Q/3组次级绕组(S(2Q/3))刚好位于第二个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第二个内芯底板扇形铣槽(4‑1)对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布；第2Q/3+1组次级绕组(S(2Q/3+1))、……、第2Q/3+s组次级绕组(S(2Q/3+s))、第Q组次级绕组(SQ)刚好位于第三个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第三个内芯底板扇形铣槽(4‑1)对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布；这Q组次级绕组分别穿过3个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和3个内芯底板扇形铣槽(4‑1)对应的区域，并包围全部磁芯；每一组次级绕组所占据的扇形空间的圆心角均为Ψ3，0<Ψ3≤3Ψ1/Q，每一组次级绕组内的N路线绕式子绕组共磁芯，且N路线绕式子绕组相互紧挨，并沿圆周方向依次排列； 
m路初级子绕组全部位于第1个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第1个内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域内； 
在每一对内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，均依次分布有Q/3个Marx电容器和接地电感单元； 
第一级Marx电容器和接地电感单元由螺线管电感器Li1、第一级Marx电容器C1和Z型连接片(15)组成；螺线管电感器Li1由圆柱支撑体(13)和螺线管绕组(14)组成；圆柱支撑体(13)为实心圆柱，由绝缘材料制成；螺线管绕组(14)由高压导线沿圆柱支撑体(13)长度方向螺旋绕制而成，并由圆柱支撑体(13)支撑，螺线管绕组(14)为单层或多层绕线结构；螺线管绕组(14)高压端与第一级Marx电容器低压螺栓(C1‑2)通过导线相连，螺线管绕组(14)低压端与第一个次级绕组低压极连接片(12)通过导线和螺栓进行连接，并接地；第一级Marx电容器C1外表面为绝缘材料保护壳，Li1与C1满足：1/ωcC1>>ωcLi1、1/ωdC1<<ωdLi1，且Li1远远大于第一组次级绕组(S1)的饱和电感，其中ωc为Marx发生器充电角频率，ωd为Marx发生器放电的角频率；C1顶部中间位置有两个第一级电容高压极螺栓(C1‑1)，两个第一级电容高压极螺栓(C1‑1)与第一个Z型连接片(15)连接紧固，第一个Z型连接片(15)与第一个次级绕组高压极连接片(11)通过螺栓连接紧固；通过第一个次级绕组高压极连接片(11)，第一个Z型连接片(15)与第一组次级绕组中第一路子绕组高压端(S11‑2)、……、第一组次级绕组中第n路子绕组高压端(S11‑2)、……、第一组次级绕组中第N路子绕组高压端(S1N‑2)均相连；第一级Marx电容器C1底部中间位置亦有两个第一级电容低压极螺栓(C1‑2)，两个第一级电容低压极螺栓(C1‑2)与第二个次级绕组低压极连 接片(12)、第二级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组(14)低压端通过导线连在一起； 
第二级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料相同，只是与第二级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第二个Z型连接片(15)、第二个次级绕组高压极连接片(11)、第二个次级绕组低压极连接片(12)，并且两个第二级电容低压极螺栓(C2‑2)与第三个次级绕组低压极连接片(12)、第三级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组(14)低压端通过导线连在一起；……；第q级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料相同，只是与第q级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第q个Z型连接片(15)、第q个次级绕组高压极连接片(11)、第q个次级绕组低压极连接片(12)，并且两个第q级电容低压极螺栓(Cq‑2)与第q+1个次级绕组低压极连接片(12)、第q+1级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组(14)低压端通过导线同时连在一起，此时1<q<Q；……；第Q级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料和相同，只是与第Q级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第Q个Z型连接片(15)、第Q个次级绕组高压极连接片(11)、第Q个次级绕组低压极连接片(12)，并且两个第Q级电容低压极螺栓(CQ‑2)直接与负载load高电压输出极(Mout)相连。 
如权利要求1所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于所述第一组次级绕组(S1)由完全相同的N路线绕式次级子绕组组成，即第一组次级绕组中第一路子绕组(S11)、……、第一组次级绕组中第n路子绕组(S1n)、……、第一组次级绕组中第N路子绕组(S1N)，1≤n≤N，且n为正整数；每一路次级子绕组的绕线匝数为Ns，绕线均为金属导线，Ns为正整数；第一组次级绕组中第一路子绕组(S11)由金属导线从第一个内芯底板扇形铣槽(4‑1)的槽边缘沿径向向内穿入内芯底板扇形铣槽(4‑1)，金属导线穿出内芯底板扇形铣槽(4‑1)后沿所有磁环内壁向上，再从内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)中沿径向向外穿出，沿所有磁环外壁向下再次到达内芯底板扇形铣槽(4‑1)处，完成第1匝绕线的布线；按照此规律沿磁环圆周逆时针方向共密绕Ns匝绕线，完成第一组次级绕组中第一路子绕组(S11)的布线；第一组次级绕组中第一路子绕组高压输出端(S11‑2)由螺杆穿过内芯顶盖(3)外边缘，拧在第1个次级绕组高压极连接片(11)上，次级绕组高压极连接片(11)共有Q个，次级绕组高压极连接片(11)与内芯顶盖(3)上表面紧贴、且位于内芯顶盖(3)上表面外边缘；第一组次级绕组中第一路子绕组低压端(S11‑1)由螺杆穿过内芯底板(4)外边缘，拧在第1个次级绕组低压极连接片(12)上，次级绕组低压极连接片(12)共有Q个， 次级绕组低压极连接片(12)与内芯底板(4)下表面紧贴、且位于内芯底板(4)下表面外边缘；第一组次级绕组中第二路子绕组(S12)、……、第一组次级绕组中第n路子绕组(S1n)、……、第一组次级绕组中第N路子绕组(S1N)，均完全按照第一组次级绕组中第一路子绕组(S11)的绕线分布方式，紧靠着第一组次级绕组中与各自相邻的其它路子绕组，沿磁环圆周逆时针方向依次绕制；第一组次级绕组中除第1路子绕组外的其余N‑1路子绕组高压输出端(S12‑2)、……、(S1N‑2)全部由螺杆拧在第1个次级绕组高压极连接片(11)上；第一组次级绕组中除第1路子绕组外的其余N‑1路子绕组低压端(S12‑1)、……、(S1N‑1)全部由螺杆拧在第1个次级绕组低压极连接片(12)上；每一组次级绕组中的全部子绕组高压输出端均同时连接在同一个次级绕组高压极连接片(11)上，每一组次级绕组中的全部子绕组低压端均同时连接在同一个次级绕组低压极连接片(12)上；Q组沿磁环圆周方向依次分布的次级绕组，分别对应亦沿圆周方向均布的Q个次级绕组高压极连接片(11)和Q个次级绕组低压极连接片(12)；第s组次级绕组(Ss)的N路Ns匝次级子绕组和第一组次级绕组(S1)的N路Ns匝次级子绕组的绕线材料、结构、和绕线方式完全相同；完全按照第一组次级绕组(S1)的分布规律，在第一个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第一个内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角均为Ψ1的扇形区域内，紧挨着第一组次级绕组(S1)沿磁环圆周逆时针方向完成第s组次级绕组(Ss)的布线；最终在第一个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第一个内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角均为Ψ1扇形区域内，依次完成第一组次级绕组(S1)、……、第s组次级绕组(Ss)、……、第Q/3组次级绕组(S(Q/3))的布线；完全按照第一组次级绕组(S1)、……、第s组次级绕组(Ss)、……、第Q/3组次级绕组(S(Q/3))的布线方式，在第二个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第二个内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ1扇形区域，沿磁环圆周逆时针方向依次完成第Q/3+1组次级绕组(S(Q/3+1))、……、第Q/3+s组次级绕组(S(Q/3+s))、……、第2Q/3组次级绕组(S(2Q/3))的布线；完全按照第一组次级绕组(S1)、……、第s组次级绕组(Ss)、……、第Q/3组次级绕组(S(Q/3))的布线方式，在第三个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第三个内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域，沿磁环圆周逆时针方向依次完成第2Q/3+1组次级绕组(S(2Q/3+1))、……、第2Q/3+s组次级绕组(S(2Q/3+s))、第Q组次级绕组(SQ)的布线。 
如权利要求1所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于所述圆柱支撑体(13)半径不超过40mm、长度小于M×hm1；绕制螺线管绕组(14)的高压导线的直径ΦL≤5mm，螺线管绕组(14)长度不大于圆柱支撑体(13)的长度；所述Cq为砖块形状，其宽度不大于100mm，厚度不超过50mm，长度不大于M×hm1，hm1为单块 磁环高度。 
如权利要求1所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于当Q=1时，可饱和脉冲变压器外围边缘仅有1个Marx电容器和接地电感单元，可饱和脉冲变压器仅有1组次级绕组，而该次级绕组的N路次级子绕组均匀分布在3个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角均为Ψ1的扇形区域内，次级绕组高压极连接片(11)和次级绕组低压极连接片(12)的数目均为1个，所有的N路次级子绕组沿磁环圆周方向均匀排布，且同时并联在同一个次级绕组高压极连接片(11)和次级绕组低压极连接片(12)上；N为3的正整数倍；3个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的3个圆心角均为Ψ1的扇形区域内共均分N路次级子绕组，每个扇形区域内均分N/3路次级子绕组。 
如权利要求1所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于当Q＝2时，在第一对内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，无Marx电容器和接地电感单元分布，在第二对内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，分布有1个Marx电容器和接地电感单元，在第三对内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，亦分布有1个Marx电容器和接地电感单元；第1个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域内没有次级绕组分布；第一组次级绕组的N路次级子绕组均匀分布在第二个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第二个内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域内；第二组次级绕组的N路次级子绕组均匀分布在第三个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第三个内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ1扇形区域内。 
如权利要求2所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于所述金属导线直径为Φs，Φs不大于内芯底板扇形铣槽(4‑1)和内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)的深度，且NsΦs≤R1×Ψ3/N，其中R1为磁芯顶板(7)的内半径。 
如权利要求1所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于所述次级绕组高压极连接片(11)均为厚度不超过2mm、宽度不小于20mm的金属片，每个次级绕组高压极连接片(11)的长度<2πR3，其中R3为内芯顶盖(3)的外半径；所述次级绕组低压极连接片(12)的形状、几何尺寸与次级绕组高压极连接片(11)完全相同。 
如权利要求1所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于所述每块磁环封装后的内半径Rmi、外半径Rmo、厚度hm1满足：100mm<Rmi<Rmo， 20mm<hm1<25mm。 
如权利要求1所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于所述磁芯顶板豁口(7‑1)半径R0<25mm，磁芯顶板豁口(7‑1)对应的圆心角度θ0位于5°~15°范围，磁芯顶板豁口(7‑1)底部相对于变压器中心对称轴(1)的距离Rmo满足R0<R1<Rmi<Rmo<R2；磁芯顶板铣槽(7‑2)槽宽不小于20mm，槽深度小于磁芯顶板(7)的厚度，槽中心线与磁芯顶板(7)俯视图x轴夹角θ1满足15°<θ1<50°。 
如权利要求1所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于所述初级子绕组由宽度和厚度均不大于磁芯顶板铣槽(7‑2)槽宽和槽深的铜带绕制而成。 
如权利要求1所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于所述螺线管电感器Liq在其圆柱支撑体(13)的两端，分别由两根橡皮筋(16)紧固在第q级Marx电容器Cq上，1≤q≤Q。 
如权利要求1所述的可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于第q个Z型连接片(15)是由矩形金属板折成的Z型金属片，厚度不超过2mm、宽度与第q级Marx电容器Cq宽度相同。

说明书可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器
技术领域
本发明涉及高功率脉冲调制技术领域的Marx发生器，尤其是一种采用低电感线绕式可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器。
背景技术
脉冲功率调制技术是一种把“慢”存储起来的具有较高密度的电场或磁场能量进行快速压缩、转换或直接释放给负载的电物理技术，其中的电压变换和开关技术是关键。近年来，脉冲功率调制技术在高功率微波、高功率脉冲激光、冲击波发生器、介质阻挡放电、材料表面处理、工业废气废水处理、食品杀菌消毒以及生物医学等众多领域获得了良好的应用，而这些应用对脉冲功率调制器提出了高功率、高重复运行频率、固态化和长使用寿命的要求。脉冲功率调制器中，常用的两种升压技术包括脉冲变压器技术和Marx发生器技术，二者分别属于电感储能型和电容储能型技术，就技术优势而言各有千秋，是高功率脉冲调制器系统中并列的两类最重要的升压技术。
Marx发生器是实现多台脉冲电容器先并联充电、再串联放电，从而实现输出电压叠加的一种高电压脉冲输出装置。已有的关于普通Marx发生器的技术报道包括Patrik Appelgren，Mose Akyuz和Mattias Elfsberg等2006年在美国电气和电子工程师协会(IEEE)主办的期刊《等离子体科学汇刊》(IEEE Transactions on Plasma Science)上发表的论文《一种基于反射三极管和Marx发生器的紧凑型高功率微波系统的研究》【Patrik Appelgren,Mose Akyuz and MattiasElfsberg,“Study of a compact HPM system with a reflex triode and a Marx generator,”IEEETransactions on Plasma Science,2006,Vol.34,No.5,pp.1796‑1805】，以及王莹编著的于1991年出版发行的《高功率脉冲电源》(王莹，《高功率脉冲电源》，北京：原子能出版社，1991，pp.24‑28)中的第一章“电容储能高功率脉冲电源”中第1.5节“电感隔离型Marx发生器”(下文简称背景技术一)。该类技术报道中，普通Q级(Q为整数，Q≥1)电感隔离型Marx发生器由Q个隔离电感Lc、Q个接地电感Li、Q个电容器C0、Q个气体开关G1‑GQ、主开关Gs(气体开关)和负载电阻RL组成。Q级Marx发生器共包括Q级Marx单元，每一级Marx单元包含1个隔离电感Lc、1个接地电感Li、1个电容器C0和1个气体开关。外部电源最先经过第一级Marx单元的隔离电感Lc给该单元中的电容C0充电，由于电容充电时间较长，隔离电感Lc和接地电感Li的感抗较小，充电电压波从第一级Marx单元依次迅速传播到第二级、……、第Q级Marx单元，并实现对各级Marx单元中的电容器C0依次充电，充电过程中，全部气体开关均处于关断状态。待各级电容器充电完毕后，第一级Marx单元中的气体开关G1被外部强制触发导通，导通时间为ns级，这时隔离电感Lc和接地电感Li的感抗会很大，第一级Marx单元中的C0开始对地端放电，而其余各级Marx电容由于隔离电感和接地电感的隔离作用，则近似不放电。第一级Marx单元中，G1的快速强制导通使原本充电电压为+U0的C0高压极直接与地端相连，使得C0高压端电位瞬间变为0电位(地电位)，而C0两端电压+U0却不能突变为0，C0原接地端的电位变为‑U0，以确保C0两端+U0的电势差；第二级Marx单元中的气体开关G2高压端与第二级Marx单元C0高压端连接，气体开关G2低压端与第一级Marx电容C0原接地端相连，因此当第一级Marx电容C0原接地端的电位变为‑U0后，G2两端瞬间将承受+U0‑(‑U0)=+2U0的过电压，+2U0较G1设计的极限耐压值稍高，在+2U0过电压作用下G2也快速导通，同样使得第二级Marx单元中C0原接地端的电位瞬间变为‑2U0；……；按照相同规律，直到GQ在过电压下自击穿导通，第Q级Marx单元中C0原接地端的电位瞬间变为‑QU0，Q级Marx发生器中各级电容器完全实现串联，其间，从G1被外部触发导通时刻起，直到Q级Marx发生器中各级电容器完全实现串联的这段时间即为Marx发生器建立时间；最后Q级Marx将‑QU0的负高压施加在主开关Gs上，使Gs在过电压下自击穿导通，在负载RL上形成负极性高电压脉冲输出。
然而，传统普通的Q级Marx发生器需要采用Q个不同的气体开关进行控制，第一级气体开关需要采用外部触发系统进行强制触发，在放电电流较大的情况下，气体开关存在严重的烧蚀和抖动，难以将Marx发生器使用寿命提高到105次以上，Marx发生器级数越多，Q个气体开关整体的抖动越大，系统稳定性越差，并且开关绝缘恢复较慢，系统难以实现高重复频率运行；在普通Q级Marx发生器网络中，充电端口位于一端，远离充电端口的各级Marx电容器充电速度较慢，导致Q级Marx电容器充电不均匀，影响串联放电的电压叠加效果；由于普通Marx发生器的Q级气体开关逐级击穿导通，因此Q级Marx电容器并非是理想串联放电关系，各级电容器放电的串联存在一定的建立时间，在Marx发生器建立时间内各级电容储存的能量中的一部分将消耗在充电电阻、接地电阻以及连线电阻上，造成能量损失。因此，传统气体开关Marx发生器并不能较好地满足脉冲功率调制器高重复频率运行、固态化和长使用寿命的设计要求。
鉴于背景技术一中普通气体开关Marx发生器的缺陷，研究人员采用固态化的大功率半导体开关，研制出全固态Marx发生器。在全固态Marx发生器中，所有气体开关全部被大功率半导体开关器件(如晶闸管、绝缘栅型双极晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)替代，实现开关的全固态化和长寿命。已有的基于大功率半导体开关的全固态Marx发生器的技术报道，包括李洪涛，王传伟，王凌云等2012年在《强激光与粒子束》上发表的论文《500kV全固态Marx发生器》(李洪涛，王传伟，王凌云，等，“500kV全固态Marx发生器，”强激光与粒子束，2012，Vol.24，No.4，pp.917‑920)(下文称背景技术二)。500kV全固态重复频率Marx发生器主要由充电控制系统、脉冲功率系统(即主Marx发生器部分)、负载系统、总控及辅助系统四部分构成。充电控制系统由高压电源、中间能库及充电控制开关组成，完成市电电源向高压直流的转换。脉冲功率系统完成直流电能到高压脉冲能的转换，它由IGBT开关模块、储能及脉冲形成模块组成；IGBT开关模块完成电路切换和脉冲调制功能，它由8个3300V/1200A IGBT串联构成，设计工作电压为20kV、工作电流为1kA；IGBT开关模块还包括IGBT驱动板、IGBT驱动辅助电源系统、匀压电路等；储能及脉冲形成模块完成Marx发生器的能量储存及波形约束功能，该模块为由20nF电容器和0.1μH电感构成的18级脉冲形成网络（PFN）。500kV全固态Marx发生器由28个脉冲功率模块按照Z型线路结构连接组成。负载系统由电阻负载和油冷系统组成，用于消耗脉冲功率系统输出的脉冲电能；电阻负载采用200根6.25kΩ/150W金属膜固体电阻以每路50根并联4路串联的形式构成；油冷系统采用25#变压器油冷却。总控及辅助系统包括总控系统和由电参数检测系统、开关延迟触发系统和散热系统组成的辅助系统。在500kV全固态重复频率Marx发生器中，共计采用28×8=224个大功率IGBT开关组合来取代普通Marx发生器中的全部气体开关，实现了Marx发生器的全固态化和50Hz的重复运行频率，提高了Marx发生器使用寿命，探索出了一条可行的全固态Marx发生器技术路线。
但是，由于目前国内外大功率半导体开关技术和工艺水平限制，单管大功率半导体开关(如晶闸管、IGBT、MOSFET等)的耐压和通流能力并不能达到很高的水平，因此在几十kV至几百kV级高电压和几十kA级大电流领域，需要采用多管半导体开关串并联技术才能满足使用要求。背景技术二中，采用了224个大功率IGBT开关串并联的技术，对每个开关模块内各单管IGBT开关的均压和均流要求非常苛刻，并且保证各单管开关严格同步运行，同步精度需要控制在ns量级，且28个开关模块之间的开通延迟时间差异要求小于10ns，该系统开关的同步控制难度非常之大；数量极大的大功率半导体开关的使用，导致全固态Marx发生器成本十分高昂，难以推广和实现商品化；全固态Marx发生器配套的辅助系统众多，系统的操作控制难度大，维护较困难。
针对背景技术二中采用半导体开关数目过多，以及其导致的结构和技术复杂的问题，可以采用半导体开关支路串联电感的方法，来减小半导体开关导通瞬间所承受的脉冲大电流峰值以及脉冲电流的时间上升率，从而达到减小半导体开关数目和同步控制难度的目的。采用带复位系统的可饱和电感与大功率半导体开关串联，进而取代气体开关的全固态Marx发生器相关技术报道，包括F.Hegeler,M.W.McGeoch,J.D.Sethian等2011年在美国电气和电子工程师协会(IEEE)主办的期刊《绝缘体与电绝缘汇刊》(IEEE Transactions on Dielectrics andElectrical Insulation)上发表的论文《一种耐压的GW级固态脉冲功率系统》【F.Hegeler,M.W.McGeoch,J.D.Sethian,H.D.Sanders,S.C.Glidden and M.C.Myers,“A durable gigawatt classsolid state pulsed power system,”IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2011,Vol.18,No.4,pp:1205‑1213.】(下文称背景技术三)。12级全固态Marx发生器主要由12个100kV/60nF电容器C1‑C12、11个130μH的隔离电感Lch2‑Lch12、12个50kV级高压硅堆D1‑D12，12路阻尼电阻Rch1‑Rch12、12路48kV级集成晶闸管开关模块Thy1‑Thy12、12路独立的可饱和电感SMA1‑SMA12、12路磁芯复位电路、磁开关Msmain组成。12级全固态Marx发生器基本结构与普通电感隔离型Marx发生器结构基本相同，只是采用了多路集成晶闸管开关模块串联可饱和电感来取代多路气体开关，采用多路高压硅堆代替多路接地电感，并采用磁开关取代气体开关作为Marx发生器主开关。与背景技术二相比，单管大功率晶闸管开关耐压和通流能力明显强于单管IGBT开关，采用集成晶闸管开关模块有利于减少半导体开关数目及其同步控制复杂度。工作前，12路可饱和电感SMA1‑SMA12的磁芯由12路磁芯复位电路分别进行复位，每一路复位电路由复位电阻和复位电感组成，并由外部触发信号控制，主开关MSmain的磁芯也要先复位；工作时，外部充电电源通过30Ω充电电阻Rch0给12级Marx发生器电容C1‑C12充电，充电过程时间长达72ms，11个隔离电感Lch2‑Lch12和12路高压硅堆D1‑D12对充电过程没有影响，12路用于阻尼Marx发生器回路中振荡的阻尼电阻Rch1‑Rch12也几乎不消耗充电能量；充电过程完毕后，前两级集成晶闸管开关模块Thy1和Thy2由外部触发导通，前两级Marx发生器电容C1和C2同时放电，使前两级可饱和电感SMA1和SMA2迅速饱和导通，而后10级集成晶闸管开关模块Thy3‑Thy12由Marx发生器回路自动完成触发，后10级可饱和电感SMA3‑SMA12相继迅速饱和导通，从而使12级Marx发生器从并联充电状态转向串联放电状态，Marx发生器的建立时间小于20ns，采用12路可饱和电感SMA1‑SMA12与12路集成晶闸管开关模块Thy1‑Thy12串联的目的在于降低集成晶闸管模块的电流时间上升率，保证集成晶闸管模块安全稳定工作；12级Marx发生器电容C1‑C12串联升压过程中，作为主开关的磁开关MSmian也同时承受了不断增大的脉冲高电压对应的伏秒积，当该伏秒积达到磁开关MSmian磁芯额定伏秒积后，磁开关MSmian饱和导通，12级Marx发生器电容C1‑C12串联向外部负载放电，输出高电压脉冲。该12级全固态Marx发生器重复运行频率为20Hz，使用寿命超过1.15×107次。
背景技术三成功探索了一条200kV级全固态Marx发生器技术路线，实现了全固态Marx发生器的20Hz重复频率运行、以及107次的使用寿命。但是该技术路线没有解决普通Marx发生器中存在的各级Marx电容充电速度不一致以及充电不均匀现象；系统中采用的12路集成晶闸管模块，虽然大大降低了半导体开关的数目，但其造价和成本依然较高；背景技术三中采用了12路可饱和电感与12路集成晶闸管模块串联使用，导致系统需要采用大量的磁芯(>12块)，并且每1路可饱和电感都需要额外的辅助复位电路和外部控制系统，增加了系统的复杂度和同步控制难度。
相对于多管串并联的大功率半导体开关，体积稍大的磁开关更加适合几十kV至几百kV高电压和几十kA大电流应用领域。采用寿命更长的磁开关来取代大功率半导体开关和普通Marx发生器中的全部气体开关，进而实现普通Marx发生器的全固态化和长寿命，是一条具有重要发展前景的技术路线。完全采用磁开关取代气体开关的全固态Marx发生器的相关技术报道，包括马宾，丁卫东，李峰等2010年在《强激光与粒子束》上发表的论文《基于磁开关的重复频率冲击电压发生器》(马宾，丁卫东，李峰，等，“基于磁开关的重复频率冲击电压发生器，”强激光与粒子束，2010，Vol.22，No.3，pp.469‑473)(下文称背景技术四)。背景技术四中的3级全固态Marx发生器由电容器C3‑C5、耦合电感L11‑L32、磁开关K1‑K3和负载电容CL构成，与普通电感隔离型Marx发生器的结构基本相同，只是采用了多路共磁芯的磁开关绕组取代了普通电感隔离型Marx发生器中的气体开关，从而实现了Marx发生器的固态化。由于隔离电感L11和L12、L21和L22、L31和L32分别为由3块独立磁环相互耦合的3对耦合电感，可以在较少绕组条件下实现较大的充电隔离电感。工作时，外部充电电源从充电端口同时对各级Marx电容C3、C4和C5充电，共磁芯磁开关K1、K2和K3将承受脉冲高电压，由于充电时间较长，隔离电感L11和L12、L21和L22、L31和L32的感抗很小，不会影响充电过程；当K1、K2和K3中任何一个磁开关绕组承受的充电电压对应伏秒积达到磁芯额定伏秒积时，共磁芯结构决定不管其他几路磁开关所承受的伏秒积是否也达到磁芯额定伏秒积，磁芯都将饱和，使同时绕在公共磁芯上的3路磁开关K1、K2和K3同时强制导通，使3级Marx电容器C3、C4和C5从并联充电状态转变为串联放电状态；C3、C4和C5串联向负载电容CL放电，在CL上形成高电压脉冲。
背景技术四采用共磁芯磁开关的方法对基于磁开关的全固态Marx发生器进行了有意义的初步探索，解决了普通Marx发生器中多级气体开关抖动大的问题，利用磁芯饱和强制各路共磁芯磁开关同时导通的原理缩短了Marx发生器建立时间，并提高了普通Marx发生器使用寿命和重复运行频率，大大降低了系统的造价。但背景技术四提出Marx发生器结构仍然采用包含磁芯的线圈电感作为充电电感和隔离电感，不能解决多级Marx发生器各级电容充电速度不一致、充电不均匀的问题；并且Marx发生器中没有磁芯复位系统，磁开关饱和导通后，下一次工作便不能再输出同极性脉冲，因此该系统只能输出正负极性交替出现的双极性脉冲，并且没有磁芯复位系统的复位保证，磁芯每次工作完毕后的饱和状态是不一致的，因此系统的输出脉冲很难稳定；负载电容CL与末级Marx电容C5之间没有主开关进行隔离，将会导致Marx发生器各级电容充电电压下降，并且会在负载电容CL上产生预脉冲；背景技术四采用普通线绕式结构的磁开关，饱和电感较大，在各级Marx电容C3、C4和C5均为3~5nF量级，且负载电容CL为1nF量级的前提下，3级Marx发生器输出电压脉冲前沿时间能够小于80ns，一旦各级Marx电容C3、C4和C5增大至百nF量级，Marx发生器输出电压脉冲前沿时间将增大到亚μs甚至μs级，不利于Marx发生器输出百ns级快前沿脉冲，因此普通线绕式结构的磁开关决定全固态Marx发生器的串联级数不宜过大(Q≤5)；为了实现3级固态Marx发生器输出17kV高电压目标，固态Marx发生器外部初级回路采用了一个4:77的脉冲变压器和一个2级磁脉冲压缩网络，才将320V低电压转化为固态Marx发生器各级电容上的6kV充电电压，初级充电系统庞大且复杂。因此，如何成功解决全磁开关取代气体开关的全固态Marx发生器存在的上述重要技术问题，是决定全磁开关型全固态Marx发生器技术方案可行性和实用性的关键。
可饱和脉冲变压器是一种利用其磁芯非饱和态到饱和态的转化，实现从变压器变压功能到磁开关饱和导通功能的转化，进而在一种器件上同时实现变压器和磁开关两种独立元件功能的脉冲功率器件，可饱和脉冲变压器可使系统磁芯用量、重量、体积和造价大幅度减小，较传统脉冲功率调制器系统中分立变压器和分立磁开关的布局具有非常明显的优势。普通的可饱和脉冲变压器初级绕组和次级绕组均为单一的线绕式绕组，并不能应用于全固态Marx发生器中，取代气体开关和大功率半导体开关。但是，若对普通线绕式可饱和脉冲变压器的结构和机理进行改进和创新，在确保可饱和脉冲变压器具备较高的升压倍数(>25倍)条件下大大降低其饱和电感，则可饱和脉冲变压器将具备取代普通Marx发生器中气体开关、并将外部初级充电系统的升压部件集成在Marx发生器中，提高可允许的Marx发生器串联级数Q，成功解决现有全磁开关型全固态Marx发生器中众多固有技术问题的巨大优势。
目前，关于全磁开关型全固态Marx发生器的技术还处于初步探索阶段，其固有技术问题始终没有得到较好地解决；采用创新结构的可饱和脉冲变压器次级绕组取代现有Marx发生器中气体开关、半导体开关或普通磁开关的相关研究，也未见报道。本发明针对背景技术四中共磁芯磁开关型全固态Marx发生器各级电容充电不同步、磁芯缺少复位系统导致Marx发生器仅能输出双极性脉冲、对初级充电电源输出电压幅度要求高(>7.5kV)、磁开关饱和电感大等问题，采用一种多路线绕式绕组分组并联结构的可饱和脉冲变压器，并利用该可饱和脉冲变压器多路并联且共磁芯的次级绕组作为Q级Marx发生器的磁开关，实现低电压输入(<1kV)、低饱和电感、小型紧凑化、全自控、磁芯自动复位、充电均匀同步的低成本全固态Marx发生器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有全磁开关型全固态Marx发生器中，大量采用磁芯式耦合隔离电感导致系统磁芯用量增大和各级电容充电不同步、磁芯缺少复位系统导致Marx发生器仅能输出双极性脉冲、对初级充电电源输出电压幅度要求高(>7.5kV)、磁开关饱和电感大、Marx发生器串联级数难以增大等问题，采用一种兼顾高升压倍数和低饱和电感特性的、多路绕组分组并联的可饱和脉冲变压器，取代现有Marx发生器中的全部气体开关或磁开关，提供一种输入充电电压低、全自动同步控制、磁芯自动复位、各级电容均匀充电、建立时间为ns级、结构简单、体积紧凑小巧、成本低廉的百kV级全固态Marx发生器。
本发明的技术方案是：
本发明由可饱和脉冲变压器、Q(Q为正整数且Q为3的整数倍、1或2)级Marx电容器和接地电感单元、负载三大部分组成；可饱和脉冲变压器关于变压器中心对称轴具有旋转对称性，位于全固态Marx发生器的中心，Q级Marx电容器和接地电感单元均匀分布在可饱和脉冲变压器外围圆周方向，并与可饱和脉冲变压器圆周方向均布的Q组次级绕组连接。Q级Marx电容器和接地电感单元共由Q个完全相同的单级Marx电容器和接地电感单元组成，第q级Marx电容器和接地电感单元由一个Marx电容器Cq和一个接地电感Liq组成，Cq低压端与Liq高压端相连；每一级的Cq与Liq均分别由两根橡皮筋固定捆绑在一起，其中q为整数，1≤q≤Q。全固态Marx发生器输入端即为可饱和脉冲变压器输入端，全固态Marx发生器高电压输出端即为负载高压极，与第Q级Marx电容低压极相连。
可饱和脉冲变压器由变压器内芯部分、变压器初级绕组部分和变压器次级绕组部分组成；其中，变压器初级绕组部分分组紧绕在变压器内芯部分分组的磁环上，变压器次级绕组部分由共磁芯的Q组次级绕组沿圆周方向排布而成，每一组次级绕组又由组内相邻的N路线绕式子绕组并联组成，N路线绕式子绕组共磁芯，均紧绕在M块(M≥1，M和N均为正整数)磁环上。
本发明可饱和脉冲变压器的内芯部分关于变压器中心对称轴具有旋转对称性，由磁芯、磁芯隔板部分和内芯夹板部分组成；磁芯隔板部分位于磁芯的磁环之间，起隔离作用，内芯夹板部分位于磁芯的顶部和底部，用于对磁芯锁紧紧固。磁芯由M(M≥1)块相同尺寸的磁环堆叠组成，每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装而成，每块磁环封装后的内半径为Rmi，外半径为Rmo(100mm<Rmi<Rmo），厚度为hm1(20mm<hm1<25mm)。M块磁环均分为m组(m为正整数，M为m的整数倍数)，从上至下依次为第一组磁环、…、第k组磁环(1≤k≤m)、...、第m组磁环；每组磁环均由M/m块磁环沿变压器中心对称轴方向堆叠组成，从上至下依次为第一块、...、第M/m块。
磁芯隔板部分由磁芯顶板、磁芯中间隔板和磁芯底板三部分组成，均采用绝缘材料制成。磁芯顶板位于第一组磁环顶端，磁芯中间隔板将m组磁环分别隔离开，磁芯底板位于第m组磁环的底部。磁芯顶板为圆环状板，内半径为R1，外半径为R2，厚度不超过10mm；磁芯顶板外侧壁边缘均布有3个磁芯顶板豁口，3个磁芯顶板豁口呈中心对称分布，半径均为R0(R0<25mm)，每个磁芯顶板豁口对应的圆心角度θ0位于5°~15°，磁芯顶板豁口底部相对于变压器中心对称轴的距离为Rmo，满足R0<R1<Rmi<Rmo<R2；3个磁芯顶板豁口中的一个豁口中心位于磁芯顶板俯视图的横轴上，且该豁口关于该横轴对称；磁芯顶板上表面的一象限内铣有磁芯顶板铣槽，槽宽不小于20mm，槽深度小于磁芯顶板的厚度，铣槽沿径向延伸，槽中心线与磁芯顶板俯视图横轴夹角为θ1(15°<θ1<50°)。磁芯顶板上表面与内芯顶盖压紧，磁芯顶板下表面与第一组磁环顶部压紧。磁芯中间隔板共分成相同的m‑1组，从上到下依次为第一组隔板、...、第k组隔板、...、第m‑1组隔板；每一组隔板均由磁芯隔板上板和磁芯隔板下板组成，磁芯隔板上板位于磁芯隔板下板上面，二者重叠在一起。磁芯隔板上板的形状和半径尺寸与磁芯顶板相同，磁芯隔板上板厚度不大于2mm；磁芯隔板上板外侧壁边缘挖有3个磁芯隔板上板豁口，呈中心对称分布，3个磁芯隔板上板豁口半径亦均为R0，对应圆心角度亦为θ0，3个磁芯隔板上板豁口的位置与3个磁芯顶板豁口完全相同；每一组隔板中的磁芯隔板上板上表面均与磁环压紧，下表面与磁芯隔板下板的上表面压紧。磁芯隔板下板形状和尺寸与磁芯顶板相同，但磁芯隔板下板的上表面一象限内铣有两个槽，即隔板下板第一铣槽和隔板下板第二铣槽；隔板下板第一铣槽与磁芯顶板铣槽的结构、尺寸和位置完全相同，隔板下板第二铣槽中心线与磁芯隔板下板上表面的横轴方向夹角为θ2，θ2≤30°，隔板下板第二铣槽几何尺寸与隔板下板第一铣槽尺寸完全相同。磁芯隔板下板外侧壁边缘挖有3个中心对称的磁芯隔板下板豁口，磁芯隔板下板豁口尺寸和位置与磁芯顶板豁口完全相同。每组隔板的磁芯隔板下板下表面均与磁环压紧。m‑1组隔板与m组磁环的连接关系如下：第一组磁环底部与第一组隔板中的磁芯隔板上板上表面压紧，第一组隔板中的磁芯隔板上板下表面与第一组隔板中的磁芯隔板下板上表面压紧，第一组隔板中的磁芯隔板下板下表面与第二组磁环顶部压紧；......；第k组磁环底部与第k组隔板中的磁芯隔板上板上表面压紧，第k组隔板中的磁芯隔板上板下表面与第k组隔板中的磁芯隔板下板上表面压紧，第k组隔板中的磁芯隔板下板下表面与第k+1组磁环顶部压紧；......；第m组磁环底部与磁芯底板顶部压紧。磁芯底板形状和尺寸与磁芯顶板相同，但是磁芯底板下表面的磁芯底板铣槽中心线与隔板下板第二铣槽的中心线平行且在变压器垂直方向对齐，磁芯底板铣槽尺寸与磁芯顶板铣槽和隔板下板第二铣槽的尺寸相同。磁芯底板外侧壁边缘挖有磁芯底板豁口，磁芯底板豁口的尺寸、数目和位置与磁芯顶板豁口的尺寸、数目和位置分别相同。磁芯底板下表面与内芯底板上表面压紧。安装时应确保3个磁芯顶板豁口、3个磁芯隔板上板豁口、3个磁芯隔板下板豁口、3个磁芯底板豁口分别在3条直线上对齐。
内芯夹板部分由内芯顶盖、内芯底板、内芯底板支脚、固定连杆组成，均采用绝缘材料。本发明采用固定连杆在圆周方向均匀分布的模式对内芯夹板部分进行锁紧；为了使内芯夹板部分牢固连接，并且使固定连杆数目最少、在圆周方向占据的空间最小，本发明采用3根固定连杆均匀分布并紧锁内芯夹板部分的方式。内芯底板为圆环板结构，内半径为R1，外半径为R3，满足R1<Rmi<Rmo<R2<R3，厚度不小于15mm；内芯底板上表面铣有3个呈扇形、在圆周方向均布的内芯底板扇形铣槽，内芯底板扇形铣槽对应的扇形圆心角均为Ψ1，槽深不大于10mm，铣槽沿径向贯穿内芯底板外缘和内缘，由于铣槽加工而在内芯底板上表面出现3个相同且均布的扇形凸台即内芯底板扇形凸台，与3个内芯底板扇形铣槽相间交替分布，每个内芯底板扇形凸台圆心角均为Ψ2，满足Ψ1+Ψ2=90°；内芯底板下表面与3个内芯底板扇形凸台相对的位置分别均布3个内芯底板螺孔，与3个内芯底板支脚拧紧配合；3个内芯底板扇形凸台的外边缘各开有1个内芯底板通孔，3个内芯底板通孔在圆周方向均布，通孔半径均为R4，每个内芯底板通孔的中心与变压器中心对称轴的距离为Rmo+R4。内芯顶盖的结构与内芯底板的结构相同，亦为圆环板结构，内芯顶盖的仰视图即为内芯底板的俯视图；内芯顶盖内半径为R1，外半径为R3，厚度不小于15mm；在圆周方向，内芯顶盖下表面在与内芯底板相对的位置同样铣有3个均布的内芯顶盖扇形铣槽，槽深不大于10mm，铣槽亦沿径向贯穿内芯顶盖外缘和内缘，内芯顶盖扇形铣槽对应的扇形中心角均为Ψ1，内芯顶盖下表面由于铣槽而出现的3个相同且均布的内芯顶盖扇形凸台圆心角均为Ψ2；内芯顶盖扇形凸台上与3个内芯底板通孔在垂直方向上正对的位置，亦均布有3个内芯顶盖通孔，通孔半径均为R4。固定连杆是3根半径为R4的圆柱体，其两端均有螺纹，3根固定连杆的长度长于所有磁环厚度、磁芯隔板部分总厚度、内芯顶盖厚度与内芯底板厚度之和；固定连杆紧靠对齐的磁芯顶板豁口、磁芯隔板上板豁口、磁芯隔板下板豁口和磁芯底板豁口，固定连杆上端穿过3个内芯顶盖通孔，由连杆螺帽锁紧，固定连杆下端穿过3个内芯底板通孔，由连杆螺帽锁紧。
本发明中变压器初级绕组部分由第一路初级子绕组、......、第k路(1≤k≤m，k为整数)初级子绕组、......、第m路初级子绕组组成；第k路初级子绕组绕线的外部输入端为第k路初级子绕组输入端，第k路初级子绕组绕线的外部输出端为第k路初级子绕组输出端。第一路初级子绕组输入端、......、第k路初级子绕组输入端、......、第m路初级子绕组输入端全部并联焊接在输入端并联导线上，输入端并联导线宽度和厚度与每一路初级子绕组绕线整体的宽度和厚度相同，输入端并联导线下端焊接在输入端引出导线上并向外引出，作为初级绕组整体输入端，输入端引出导线宽度和厚度与输入端并联导线相同，初级绕组整体输入端与外部初级能源相连；每一路初级子绕组均为单匝，可由m1(m1为正整数，m1≥1)根直径均为Φp的漆包线并联绕制而成，满足m1×Φp小于磁芯顶板铣槽槽宽，亦可由宽度和厚度均不大于磁芯顶板铣槽槽宽和槽深的铜带绕制而成。第一路初级子绕组由第一路初级子绕组输入端引入，穿入磁芯顶板铣槽，从里面包围第一组磁环，再穿入第一组隔板中的隔板下板第二铣槽，由第一路初级子绕组输出端引出；......；第k路初级子绕组由第k路初级子绕组输入端引入，穿入第k‑1组隔板中的隔板下板第一铣槽，从里面包围第k组磁环后，再穿入第k组隔板中的隔板下板第二铣槽，初级绕线从该铣槽穿出后由第k路初级子绕组输出端引出；......；按照相同的规律，一直到第m路初级子绕组由第m路初级子绕组输入端引入，穿入第m‑1组隔板中的隔板下板第一铣槽，从里面包围第m组磁环后，再穿入磁芯底板铣槽，初级绕线从该铣槽穿出后由第m路初级子绕组输出端引出。第一路初级子绕组输出端、......、第k路初级子绕组输出端、......、第m路初级子绕组输出端全部并联焊接在输出端并联导线上，输出端并联导线尺寸与输入端并联导线尺寸相同，输出端并联导线下端焊接在输出端引出导线上并向外引出，作为初级绕组整体输出端，输出端引出导线宽度和厚度与输出端并联导线相同，初级绕组整体输出端与外部地端相连。m路初级子绕组全部位于第1个内芯顶盖扇形铣槽和第1个内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域内。
本发明可饱和脉冲变压器次级绕组部分由第一组次级绕组、......、第s组次级绕组、......、第Q/3组次级绕组、第Q/3+1组次级绕组、......、第Q/3+s组次级绕组、......、第2Q/3组次级绕组、第2Q/3+1组次级绕组、......、第2Q/3+s组次级绕组、第Q组次级绕组组成，共计Q组次级绕组，此时Q为3的正整数倍，s为整数，且1≤s≤Q/3；Q组次级绕组完全相同。由于内芯顶盖和内芯底板均分别铣有3个在圆周方向均布的内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽，第一组次级绕组、......、第s组次级绕组、......、第Q/3组次级绕组刚好位于第一个内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布；第Q/3+1组次级绕组、......、第Q/3+s组次级绕组、......、第2Q/3组次级绕组刚好位于第二个内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布；第2Q/3+1组次级绕组、......、第2Q/3+s组次级绕组、第Q组次级绕组刚好位于第三个内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布。这Q组次级绕组分别穿过3个内芯顶盖扇形铣槽和3个内芯底板扇形铣槽对应的区域，并包围全部磁芯。每一组次级绕组相同，均包含N路(N为正整数)并联的线绕式次级子绕组；每一组次级绕组所占据的扇形空间的圆心角均为Ψ3，0<Ψ3≤3Ψ1/Q。每一组次级绕组内的N路线绕式子绕组共磁芯，且N路线绕式子绕组相互紧挨，并沿圆周方向依次排列；而所有的Q组次级绕组亦依次沿圆周方向排列分布。
第一组次级绕组由完全相同的N路线绕式次级子绕组组成，即第一组次级绕组中第一路子绕组、……、第一组次级绕组中第n路(1≤n≤N，且n为正整数)子绕组、……、第一组次级绕组中第N路子绕组；每一路次级子绕组绕线匝数为Ns，绕线均为直径为Φs的金属导线，Φs不大于内芯底板扇形铣槽和内芯顶盖扇形铣槽的深度，且NsΦs≤R1×Ψ3/N(其中R1为磁芯顶板的内半径)。第一组次级绕组中第一路子绕组由直径为Φs的金属导线从第一个内芯底板扇形铣槽的槽边缘沿径向向内穿入内芯底板扇形铣槽，金属导线穿出内芯底板扇形铣槽后沿所有磁环内壁向上，再从内芯顶盖扇形铣槽中沿径向向外穿出，沿所有磁环外壁向下再次到达内芯底板扇形铣槽处，完成第1匝绕线的布线；按照此规律沿磁环圆周逆时针方向共密绕Ns匝绕线，完成第一组次级绕组中第一路子绕组的布线；第一组次级绕组中第一路子绕组高压输出端由螺杆穿过内芯顶盖外边缘，拧在第1个次级绕组高压极连接片上，次级绕组高压极连接片共有Q个，均为厚度不超过2mm、宽度不小于20mm的金属片，每个次级绕组高压极连接片的长度<2πR3(其中R3为内芯顶盖的外半径)，次级绕组高压极连接片与内芯顶盖上表面紧贴、且位于内芯顶盖上表面外边缘；第一组次级绕组中第一路子绕组低压端由螺杆穿过内芯底板外边缘，拧在第1个次级绕组低压极连接片上，次级绕组低压极连接片共有Q个，次级绕组低压极连接片的形状、几何尺寸与次级绕组高压极连接片完全相同，次级绕组低压极连接片与内芯底板下表面紧贴、且位于内芯底板下表面外边缘。第一组次级绕组中第二路子绕组、......、第一组次级绕组中第n路子绕组、......、第一组次级绕组中第N路子绕组，均完全按照第一组次级绕组中第一路子绕组的绕线分布方式，紧靠着第一组次级绕组中与各自相邻的其它路子绕组，沿磁环圆周逆时针方向依次绕制；第一组次级绕组中除第1路子绕组外的其余N‑1路子绕组高压输出端全部由螺杆拧在第1个次级绕组高压极连接片上；第一组次级绕组中除第1路子绕组外的其余N‑1路子绕组低压端全部由螺杆拧在第1个次级绕组低压极连接片上。每一组次级绕组中的全部子绕组高压输出端均同时连接在同一个次级绕组高压极连接片上，每一组次级绕组中的全部子绕组低压端均同时连接在同一个次级绕组低压极连接片上；Q组沿磁环圆周方向依次分布的次级绕组，将分别对应亦沿圆周方向均布的Q个次级绕组高压极连接片和Q个次级绕组低压极连接片。第s组次级绕组的N路Ns匝次级子绕组和第一组次级绕组的N路Ns匝次级子绕组的绕线材料、结构、绕线方式完全相同；完全按照第一组次级绕组的分布规律，在第一个内芯顶盖扇形铣槽和第一个内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角均为Ψ1的扇形区域内，紧挨着第一组次级绕组沿磁环圆周逆时针方向依次完成第二组次级绕组、......、第s组次级绕组、......、第Q/3组次级绕组的布线。
完全按照第一组次级绕组、......、第s组次级绕组、......、第Q/3组次级绕组的布线方式，在第二个内芯顶盖扇形铣槽和第二个内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域，沿磁环圆周逆时针方向依次完成第Q/3+1组次级绕组、……、第Q/3+s组次级绕组、……、第2Q/3组次级绕组的布线；完全按照第一组次级绕组、……、第s组次级绕组、……、第Q/3组次级绕组的布线方式，在第三个内芯顶盖扇形铣槽和第三个内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域，沿磁环圆周逆时针方向依次完成第2Q/3+1组次级绕组、……、第2Q/3+s组次级绕组、第Q组次级绕组的布线。
特别地，当Q=1时，可饱和脉冲变压器仅有1组次级绕组，而该次级绕组的N路次级子绕组均匀分布在3个内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角均为Ψ1的扇形区域内，次级绕组高压极连接片和次级绕组低压极连接片的数目均为1个，所有的N路次级子绕组沿磁环圆周方向均匀排布，且同时并联在同一个次级绕组高压极连接片和次级绕组低压极连接片上。为了实现次级绕组中N路次级子绕组最佳的轴对称效果，以获得最低的次级绕组饱和电感，本发明实施方式要求当Q=1时，N必须为3的正整数倍；3个内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽所对应的3个圆心角均为Ψ1的扇形区域内共均分N路次级子绕组，每个扇形区域内均分N/3路次级子绕组。该情形下，可饱和脉冲变压器的线绕式次级绕组具有类似于同轴导体的结构特征，可饱和脉冲变压器的饱和电感将遵循同轴导体绕组低饱和电感的分布规律，从而使本发明可饱和脉冲变压器获得最小的次级绕组饱和电感。
当Q＝2时，可饱和脉冲变压器仅有2组次级绕组，不能均匀分布在3个内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽所对应的3个圆心角均为Ψ1的扇形区域内。为了获得变压器初级绕组和次级绕组之间的最佳绝缘效果，第1个内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域内(分布有初级绕组)没有次级绕组分布；第一组次级绕组的N路次级子绕组均匀分布在第二个内芯顶盖扇形铣槽和第二个内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域内，组内N路次级子绕组结构、分布和连接关系保持不变；第二组次级绕组的N路次级子绕组均匀分布在第三个内芯顶盖扇形铣槽和第三个内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1扇形区域内，组内N路次级子绕组结构、分布和连接关系保持不变。
当Q>3，且Q不为3的正整数倍时，Q组次级绕组不能均匀分布在3个内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽所对应的3个圆心角均为Ψ1的扇形区域内，在几何结构上不能实现Q组次级绕组的轴对称性和中心对称性，不能实现变压器次级绕组均压和绝缘的最佳效果，本发明不采纳这种实施方式。
正是由于每组次级绕组的N路子绕组沿圆周方向均匀并联分布，每组次级绕组整体的饱和电感较仅有1路子绕组的情形而言，可近似按N倍降低，N越大，每组次级绕组整体的饱和电感越低；因此本发明中采用多路相同的线绕式子绕组沿圆周方向均匀排列分布的并联式结构，具有低饱和电感特性，从而在可饱和脉冲变压器次级绕组作为磁开关取代Marx发生器中全部气体开关时，满足本发明全固态Marx发生器快脉冲前沿输出要求。考虑到本发明中可饱和脉冲变压器初级绕组采用了绕组分组并联结构，本发明可饱和脉冲变压器升压比为(1/m):Ns=1:m×Ns，较普通初级绕组为单匝、次级绕组为Ns匝的1：Ns变压器而言，本发明可饱和脉冲变压器将升压倍数由Ns倍提高为m×Ns倍，且当m＝M时本发明可饱和脉冲变压器最大升压倍数将达M×Ns倍。
本发明中全固态Marx发生器的Q级Marx电容器和接地电感单元，均匀分布在可饱和脉冲变压器外围圆周方向，在每一对内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，均依次分布有Q/3个Marx电容器和接地电感单元。特别当Q=1时，可饱和脉冲变压器外围边缘仅有1个Marx电容器和接地电感单元。而当Q=2时，在第一对内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，无Marx电容器和接地电感单元分布；在第二对内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，分布有1个Marx电容器和接地电感单元；在第三对内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，亦分布有1个Marx电容器和接地电感单元。Q级Marx电容器和接地电感单元完全相同。第一级Marx电容器和接地电感单元由螺线管电感器Li1、第一级Marx电容器C1和Z型连接片组成。螺线管电感器Li1由圆柱支撑体和螺线管绕组组成；圆柱支撑体为半径不超过40mm、长度小于M×hm1的实心圆柱，由绝缘材料制成，其中hm1为单块磁环高度；螺线管绕组由直径为ΦL(ΦL≤5mm)的高压导线沿圆柱支撑体长度方向螺旋绕制而成，并由圆柱支撑体支撑，螺线管绕组可为单层绕线结构，亦可为多层绕线结构，螺线管绕组长度不大于圆柱支撑体的长度。螺线管电感器Li1在其圆柱支撑体的两端，分别由两根橡皮筋紧固在第一级Marx电容器C1上；螺线管电感器Li1的螺线管绕组高压端(下端)与第一级Marx电容器低压螺栓通过导线相连，螺线管电感器Li1的螺线管绕组低压端(上端)与第一个次级绕组低压极连接片通过导线和螺栓进行连接，并接地。第一级Marx电容器C1为砖块形状，其宽度不大于100mm，厚度不超过50mm，长度不大于M×hm1；第一级Marx电容器C1外表面为绝缘材料保护壳，第一级Marx电容器C1也可由多个陶瓷电容器并联而成，Li1与C1满足：1/ωcC1>>ωcLi1、1/ωdC1<<ωdLi1，且Li1远远大于第一组次级绕组的饱和电感，其中ωc为Marx发生器充电角频率，ωd为Marx发生器放电的角频率。第一级Marx电容器C1顶部中间位置有两个第一级电容高压极螺栓，两个第一级电容高压极螺栓与第一个Z型连接片连接紧固，第一个Z型连接片是由矩形金属板折成的Z型金属片，金属片厚度不超过2mm、宽度与第一级Marx电容器C1宽度相同，第一个Z型连接片与第一个次级绕组高压极连接片通过螺栓连接紧固；通过第一个次级绕组高压极连接片，第一个Z型连接片与第一组次级绕组中第一路子绕组高压端、……、第一组次级绕组中第n路子绕组高压端、……、第一组次级绕组中第N路子绕组高压端均相连。第一级Marx电容器C1底部中间位置亦有两个第一级电容低压极螺栓，两个第一级电容低压极螺栓与第二个次级绕组低压极连接片、第二级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组低压端(上端)通过导线连在一起。本发明共有Q个Z型连接片。
第二级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料相同；只是与第二级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第二个Z型连接片、第二个次级绕组高压极连接片、第二个次级绕组低压极连接片，并且两个第二级电容低压极螺栓与第三个次级绕组低压极连接片、第三级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组低压端通过导线连在一起。……。当1≤q<Q时，第q级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料相同；只是与第q级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第q个Z型连接片、第q个次级绕组高压极连接片、第q个次级绕组低压极连接片，并且两个第q级电容低压极螺栓与第q+1个次级绕组低压极连接片、第q+1级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组低压端通过导线同时连在一起；……。当q=Q时，第Q级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料相同；只是与第Q级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第Q个Z型连接片、第Q个次级绕组高压极连接片、第Q个次级绕组低压极连接片，并且两个第Q级电容低压极螺栓直接与负载高电压输出极相连，负载低压极接地。负载可以为电感、电阻或电容等分立元件，也可以是这些分立元件的组合形式。工作中，磁芯处于非饱和阶段时，可饱和脉冲变压器每一组次级绕组仅对与其高压输出端相连的一级Marx电容器和接地电感单元充电，可饱和脉冲变压器总共Q组次级绕组对全部Q级Marx电容器和接地电感单元实现同步并联充电，充电电感即为Q组次级绕组；磁芯饱和后，可饱和脉冲变压器共磁芯的Q组次级绕组作为Q组磁开关同步导通，实现全部Q级Marx电容器和接地电感单元串联放电，并在两个第Q级电容低压极螺栓处输出脉冲高电压，并施加在外部负载上。
本发明的工作原理为：
外部初级能源充电阶段，充电电流流过本发明的可饱和脉冲变压器的初级绕组部分，对变压器磁芯进行自动复位。磁芯自动复位完毕后，外部初级能源提供幅度为几百V至1kV的低压充电脉冲，输入到本发明中可饱和脉冲变压器初级绕组部分输入端，通过初级绕组部分中脉冲电流的感应以及可饱和脉冲变压器初、次级绕组之间的脉冲磁场耦合，在共磁芯的Q组可饱和脉冲变压器次级绕组高压输出端输出同步精度为ns级Q路高电压脉冲，并分别给与这Q组可饱和脉冲变压器次级绕组高压输出端相连的Q级Marx电容器并联同步充电，而Q组可饱和脉冲变压器次级绕组即作为Q组充电电感。Q级Marx电容器并联同步充电持续一段时间后，Q组可饱和脉冲变压器次级绕组中，任何一组次级绕组所承受的伏秒积达到变压器磁芯额定伏秒积时，磁芯瞬间快速饱和，兼作为Q级全固态Marx发生器磁开关的Q组可饱和脉冲变压器次级绕组全部强制饱和导通，由于Q组可饱和脉冲变压器次级绕组导通速度极快，Q级Marx发生器接地电感感抗非常大，Q级Marx电容器从并联充电模式立即转入到串联放电模式。Q级Marx电容器串联后，Q级全固态Marx发生器以原先各级Marx电容充电电压Q倍的高电压，向负载放电，从而在负载上产生百kV/百ns级的高电压快前沿脉冲，完成Q级全固态Marx发生器的单次运行。重复上述过程，Q级全固态Marx发生器进行下一次运行。
与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：
(1)本发明采用多路线绕式绕组分组并联结构的可饱和脉冲变压器，取代普通Marx发生器中的气体开关，使得Marx发生器开关同步精度大大提高，建立时间缩短，较现有气体开关的Marx发生器而言，具有高重复运行频率、固态化和长使用寿命等重要优势。
(2)本发明采用多路线绕式绕组分组并联结构的可饱和脉冲变压器，取代普通Marx发生器中的气体开关，摒弃了额外的开关触发系统，较现有的基于大功率半导体开关的全固态Marx发生器而言，具有开关同步控制简单，系统结构简单、成本低廉等优势。
(3)本发明采用多路线绕式绕组分组并联结构的可饱和脉冲变压器，取代普通共磁芯磁开关，由于磁芯饱和前所有磁开关绕组均作为变压器次级绕组参与各级Marx电容器充电过程，因此不存在普通共磁芯磁开关在Marx电容器充电阶段存在的明显漏电流和预脉冲效应；本发明直接采用可饱和脉冲变压器的多路次级绕组兼作充电电感，摒弃了普通Marx发生器中数量众多的充电隔离电感，较现有全磁开关型全固态Marx发生器而言，具有输入充电电压低、各级电容均匀充电、磁开关饱和电感小、磁芯自动复位、全自动同步控制、结构简单、体积紧凑小巧、维护简单方便等优势，更易于全固态Marx发生器的批量生产和商品化。
附图说明
图1为背景技术所述王莹编著的于1991年出版发行的《高功率脉冲电源》(王莹，《高功率脉冲电源》，北京：原子能出版社，1991，pp.24‑28)中的第一章“电容储能高功率脉冲电源”中第1.5节“电感隔离型Marx发生器”公布的普通电感隔离型Marx发生器电路结构示意图(背景技术一)；
图2为背景技术所述F.Hegeler,M.W.McGeoch,J.D.Sethian等2011年在美国电气和电子工程师协会(IEEE)主办的期刊《绝缘体与电绝缘汇刊》(IEEE Transactions on Dielectrics andElectrical Insulation)上发表的论文《一种耐压的GW级固态脉冲功率系统》【F.Hegeler,M.W.McGeoch,J.D.Sethian,H.D.Sanders,S.C.Glidden and M.C.Myers,“A durable gigawatt classsolid state pulsed power system,”IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2011,Vol.18,No.4,pp:1205‑1213.】中，公布的采用大功率半导体开关和磁开关取代气体开关的12级全固态Marx发生器等效电路图(背景技术三)；
图3为背景技术所述马宾，丁卫东，李峰等2010年在《强激光与粒子束》上发表的论文《基于磁开关的重复频率冲击电压发生器》(马宾，丁卫东，李峰，等，“基于磁开关的重复频率冲击电压发生器，”强激光与粒子束，2010，Vol.22，No.3，pp.469‑473)中，公布的采用磁开关取代气体开关的3级全固态Marx发生器的电路图(背景技术四)；
图4a为本发明可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器等效电路图；
图4b为本发明可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器主视结构图；
图5为本发明可饱和脉冲变压器主视结构图；
图6a为本发明可饱和脉冲变压器内芯部分主视结构图；
图6b为本发明可饱和脉冲变压器内芯部分中磁芯顶板的俯视结构图；
图6c为本发明可饱和脉冲变压器内芯部分中内芯底板的主视结构图。
图7为本发明中可饱和脉冲变压器初级绕组部分主视结构图；
图8为本发明中可饱和脉冲变压器次级绕组部分主视结构图；
图9a为本发明中可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器的俯视结构图；
图9b为第一级Marx电容器和接地电感单元和第二级Marx电容器和接地电感单元的主视结构图。
图5中的标号说明如下：
1变压器中心对称轴、2磁芯、3内芯顶盖、4内芯底板、5内芯底板支脚、6固定连杆、7磁芯顶板、8磁芯隔板上板、9磁芯隔板下板、10磁芯底板、11次级绕组高压极连接片、12次级绕组低压极连接片、P变压器初级绕组部分、S1第一组次级绕组、Ss第s组次级绕组、S(Q/3)第(Q/3)组次级绕组、S(Q/3+1)第(Q/3+1)组次级绕组、S(Q/3+s)第(Q/3+s)组次级绕组、S(2Q/3)第(2Q/3)组次级绕组、S(2Q/3+1)第(2Q/3+1)组次级绕组、S(2Q/3+s)第(2Q/3+s)组次级绕组、SQ第Q组次级绕组、S11第一组次级绕组中第一路子绕组、S1s第一组次级绕组中第s路子绕组、S1N第一组次级绕组中第N路子绕组、Ssl第s组次级绕组中第一路子绕组、Ssn第s组次级绕组中第n路子绕组、SsN第s组次级绕组中第N路子绕组、S(Q/3)1第Q/3组次级绕组中第一路子绕组、S(Q/3)N第Q/3组次级绕组中第N路子绕组。
图6a中的标号说明如下：
标号1‑10与图5中的标号说明完全相同，3‑1内芯顶板扇形铣槽、3‑2内芯顶板扇形凸台、内芯顶板通孔3‑3、4‑1内芯底板扇形铣槽、4‑2内芯底板扇形凸台、内芯底板通孔4‑3、8‑1磁芯隔板上板豁口、9‑1隔板下板第一铣槽、9‑2隔板下板第二铣槽、9‑3磁芯隔板下板豁口、10‑1磁芯底板铣槽、10‑2磁芯底板豁口。
图7中的标号说明如下：
P1第一路初级子绕组、P1‑1第一路初级子绕组输入端、P1‑2第一路初级子绕组输出端、Pk第k路初级子绕组、Pk‑1第k路初级子绕组输入端、Pk‑2第k路初级子绕组输出端、Pm第m路初级子绕组、Pm‑1第m路初级子绕组输入端、Pm‑2第m路初级子绕组输出端、Pa输入端并联导线、Pb输出端并联导线、Pc输入端引出导线、Pd输出端引出导线、Pin初级绕组整体输入端、Pout初级绕组整体输出端。
图8中的标号说明如下：
标号1、11、12、S1、Ss、S(Q/3)、S(Q/3+1)、S(Q/3+s)、S(2Q/3)、S(2Q/3+1)、S(2Q/3+s)、SQ、S11、S1s、S1N、Ssl、Ssn、SsN、S(Q/3)1、S(Q/3)N与图5中标号完全一致；S11‑1第一组次级绕组中第一路子绕组低压端、S11‑2第一组次级绕组中第一路子绕组高压输出端、S1N‑1第一组次级绕组中第N路子绕组低压端、S1N‑2第一组次级绕组中第N路子绕组高压输出端、S(Q/3)n第Q/3组次级绕组中第n路子绕组、S(Q/3+1)1第Q/3+1组次级绕组中第一路子绕组、S(Q/3+1)n第Q/3+1组次级绕组中第n路子绕组、S(Q/3+1)N第Q/3+1组次级绕组中第N路子绕组、S(2Q/3)1第2Q/3组次级绕组中第一路子绕组、S(2Q/3)n第2Q/3组次级绕组中第n路子绕组、S(2Q/3)N第2Q/3组次级绕组中第N路子绕组、S(2Q/3+1)1第2Q/3+1组次级绕组中第一路子绕组、S(2Q/3+1)n第2Q/3+1组次级绕组中第n路子绕组、S(2Q/3+1)N第2Q/3+1组次级绕组中第N路子绕组、SQ1第Q组次级绕组中第一路子绕组、SQn第Q组次级绕组中第n路子绕组、SQN第Q组次级绕组中第N路子绕组。
图9b中的标号说明如下：
13圆柱支撑体、14螺线管绕组、15Z型连接片、16橡皮筋、C1‑1第一级电容高压极螺栓、C1‑2第一级电容低压极螺栓、C2‑1第二级电容高压极螺栓、C2‑2第二级电容低压极螺栓。
具体实施方式
图1为背景技术所述王莹编著的于1991年出版发行的《高功率脉冲电源》(王莹，《高功率脉冲电源》，北京：原子能出版社，1991，pp.24‑28)中的第一章“电容储能高功率脉冲电源”中第1.5节“电感隔离型Marx发生器”公布的普通电感隔离型Marx发生器电路结构图，该Q级(Q为整数，Q≥1)Marx发生器由Q个隔离电感Lc、Q个接地电感Li、Q个电容器C0、Q个气体开关G1‑GQ、主开关Gs(气体开关)和负载电阻RL组成。Q级Marx发生器共包括Q级Marx单元，每一级Marx单元包含1个隔离电感Lc、1个接地电感Li、1个电容器C0和1个气体开关。外部电源最先经过第一级Marx单元的隔离电感Lc给该单元中的电容C0充电，由于电容C0充电时间较长，隔离电感Lc和接地电感Li的感抗较小，充电电压波从第一级Marx单元依次迅速传播到第二级、……、第Q级Marx单元，并实现对各级Marx单元中的电容器C0依次充电，充电过程中，全部气体开关均处于关断状态。待各级电容器充电完毕后，第一级Marx单元中的气体开关G1被外部强制触发导通，导通时间为ns级，这时隔离电感Lc和接地电感Li的感抗会很大，第一级Marx单元中的C0开始对地端放电，而其余各级Marx电容由于隔离电感和接地电感的隔离作用，则近似不放电。第一级Marx单元中，G1的快速强制导通使原本充电电压为+U0的C0高压极直接与地端相连，使得C0高压端电位瞬间变为0电位(地电位)，而C0两端电压+U0却不能突变为0，C0原接地端的电位变为‑U0，以确保C0两端+U0的电势差；第二级Marx单元中的气体开关G2高压端与第二级Marx单元C0高压端连接，气体开关G2低压端与第一级Marx电容C0原接地端相连，因此当第一级Marx电容C0原接地端的电位变为‑U0后，G2两端瞬间将承受+U0‑(‑U0)=+2U0的过电压，+2U0较G1设计的极限耐压值稍高，在+2U0过电压作用下G2也快速导通，同样使得第二级Marx单元中C0原接地端的电位瞬间变为‑2U0；……；按照相同规律，直到GQ在过电压下自击穿导通，第Q级Marx单元中C0原接地端的电位瞬间变为‑QU0，Q级Marx发生器中各级电容器完全实现串联，其间，从G1被外部触发导通时刻起，直到Q级Marx发生器中各级电容器完全实现串联的这段时间即为Marx发生器建立时间；最后Q级Marx将‑QU0的负高压施加在主开关Gs上，使Gs在过电压下自击穿导通，在负载RL上形成负极性高电压脉冲输出。
图2为背景技术所述F.Hegeler,M.W.McGeoch,J.D.Sethian等2011年在美国电气和电子工程师协会(IEEE)主办的期刊《绝缘体与电绝缘汇刊》(IEEE Transactions on Dielectrics andElectrical Insulation)上发表的论文《一种耐压的GW级固态脉冲功率系统》【F.Hegeler,M.W.McGeoch,J.D.Sethian,H.D.Sanders,S.C.Glidden and M.C.Myers,“A durable gigawatt classsolid state pulsed power system,”IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2011,Vol.18,No.4,pp:1205‑1213.】中，公布的采用大功率半导体开关和磁开关取代气体开关的12级全固态Marx发生器等效电路原理图。12级全固态Marx发生器主要由12个100kV/60nF电容器C1‑C12、11个130μH的隔离电感Lch2‑Lch12、12个50kV级高压硅堆D1‑D12，12路阻尼电阻Rch1‑Rch12、12路48kV级集成晶闸管开关模块Thy1‑Thy12、12路独立的可饱和电感SMA1‑SMA12、12路磁芯复位电路、磁开关Msmain组成。12级全固态Marx发生器基本结构与图1所示普通电感隔离型Marx发生器结构基本相同，只是采用了多路集成晶闸管开关模块串联可饱和电感来取代多路气体开关，采用多路高压硅堆代替多路接地电感，并采用磁开关取代气体开关作为Marx发生器主开关。单管大功率晶闸管开关耐压和通流能力明显强于单管IGBT开关等半导体开关，采用集成晶闸管开关模块有利于减少半导体开关数目及其同步控制复杂度。工作前，12路可饱和电感SMA1‑SMA12的磁芯由12路磁芯复位电路分别进行复位，每一路复位电路由复位电阻和复位电感组成，并由外部触发信号控制，主开关MSmain的磁芯也要先复位；工作时，外部充电电源通过30Ω充电电阻Rch0给12级Marx发生器电容C1‑C12充电，充电过程时间长达72ms，11个隔离电感Lch2‑Lch12和12路高压硅堆D1‑D12对充电过程没有影响，12路用于阻尼Marx发生器回路中振荡的阻尼电阻Rch1‑Rch12也几乎不消耗充电能量；充电过程完毕后，前两级集成晶闸管开关模块Thy1和Thy2由外部触发导通，前两级Marx发生器电容C1和C2同时放电，使前两级可饱和电感SMA1和SMA2迅速饱和导通，而后10级集成晶闸管开关模块Thy3‑Thy12由Marx发生器回路自动完成触发，后10级可饱和电感SMA3‑SMA12相继迅速饱和导通，从而使12级Marx发生器从并联充电状态转向串联放电状态，Marx发生器的建立时间小于20ns，采用12路可饱和电感SMA1‑SMA12与12路集成晶闸管开关模块Thy1‑Thy12串联的目的在于降低集成晶闸管模块的电流时间上升率，保证集成晶闸管模块安全稳定工作；12级Marx发生器电容C1‑C12串联升压过程中，作为主开关的磁开关MSmian也同时承受了不断增大的脉冲高电压对应的伏秒积，当该伏秒积达到磁开关MSmian磁芯额定伏秒积后，磁开关MSmian饱和导通，12级Marx生器电容C1‑C12串联向外部负载放电，输出高电压脉冲。该12级全固态Marx发生器重复运行频率为20Hz，使用寿命超过1.15×107次。
图3为背景技术所述马宾，丁卫东，李峰等2010年在《强激光与粒子束》上发表的论文《基于磁开关的重复频率冲击电压发生器》(马宾，丁卫东，李峰，等，“基于磁开关的重复频率冲击电压发生器，”强激光与粒子束，2010，Vol.22，No.3，pp.469‑473)中，公布的采用磁开关取代气体开关的3级全固态Marx发生器的电路原理图。3级全固态Marx发生器由电容器C3‑C5、耦合电感L11‑L32、磁开关K1‑K3和负载电容CL构成，与图1中所示普通电感隔离型Marx发生器的结构基本相同，只是采用了多路共磁芯的磁开关绕组取代了普通电感隔离型Marx发生器中的气体开关，从而实现了Marx发生器的固态化。由于隔离电感L11和L12、L21和L22、L31和L32分别为由3块独立磁环相互耦合的3对耦合电感，可以在较少绕组条件下实现较大的充电隔离电感。工作时，外部充电电源从充电端口同时对各级Marx电容C3、C4和C5充电，共磁芯磁开关K1、K2和K3将承受脉冲高电压，由于充电时间较长，隔离电感L11和L12、L21和L22、L31和L32的感抗很小，不会影响充电过程；当K1、K2和K3中任何一个磁开关绕组承受的充电电压对应伏秒积达到磁芯额定伏秒积时，共磁芯结构决定不管其他几路磁开关所承受的伏秒积是否也达到磁芯额定伏秒积，磁芯都将饱和，使同时绕在公共磁芯上的3路磁开关K1、K2和K3同时强制导通，使3级Marx电容器C3、C4和C5从并联充电状态转变为串联放电状态；C3、C4和C5串联向负载电容CL放电，在CL上形成高电压脉冲。
图4a为本发明可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器等效电路图。全固态Marx发生器由可饱和脉冲变压器SPT、Q级Marx电容器C1‑CQ、Q路接地电感Li1‑LiQ和负载load组成，其中Q、q为正整数，1≤q≤Q，Q为3的整数倍、1或2)。在结构上，本发明全固态Marx发生器由Q级单元级联，即第1级单元、……、第q级单元、……、第Q级单元。第q级单元由第q级Marx电容Cq、第q级接地电感Liq、可饱和脉冲变压器SPT第q组次级绕组（作为磁开关）MSq串联而成。Cq为高电压脉冲电容器电容，或脉冲形成线或传输线的电容，或脉冲形成网络整体等效电容，也可由多个陶瓷电容器并联而成；当1=q<Q时，可饱和脉冲变压器SPT第q组次级绕组（作为磁开关）MSq高压极与第q级Marx电容Cq的高压极相连，可饱和脉冲变压器SPT第q组次级绕组MSq低压极与接地端直接相连，第q级Marx电容Cq的低压极与第q级接地电感Liq相连，最后通过Liq接地。当1=q=Q时，本发明全固态Marx发生器对应一个非常特殊的情形，即Marx发生器中仅一个电容器C1，此时对应可饱和脉冲变压器全部次级绕组作为电容器C1磁开关的情形；而C1可以是普通的脉冲形成线或脉冲形成网络整体等效电容，在该情形下可饱和脉冲变压器SPT既作为脉冲形成线电容C1充电变压器，又作为脉冲形成线电容C1向负载load放电的磁开关。当1<q≤Q时，可饱和脉冲变压器SPT第q组次级绕组MSq高压极与第q级Marx电容Cq的高压极相连，第q级Marx电容Cq的低压极与第q级接地电感Liq相连，第q级接地电感Liq低压端与可饱和脉冲变压器SPT第q组次级绕组MSq低压极连在一起，并与第q‑1级Marx电容Cq‑1的低压极相连。负载load可以是电感、电容、电阻，或者是电感、电容、电阻的组合形式；负载load高压极接在第Q级Marx电容CQ的低压极，负载load低压极直接接地。本发明全固态Marx发生器输入端Min即为可饱和脉冲变压器SPT初级绕组输入端Pin，全固态Marx发生器输出端Mout为第Q级Marx电容CQ低压极(负极)，或是负载load的高压极。
图4b为本发明可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器主视结构图。本发明由可饱和脉冲变压器SPT、Q级Marx电容器和接地电感单元、负载load三大部分组成；SPT关于变压器中心对称轴1具有旋转对称性，位于全固态Marx发生器的中心，Q级Marx电容器和接地电感单元均匀分布在SPT外围圆周方向，并与SPT圆周方向均布的Q组次级绕组连接。Q级Marx电容器和接地电感单元共由Q个完全相同的单级Marx电容器和接地电感单元组成，第q级Marx电容器和接地电感单元由一个Marx电容器Cq和一个接地电感Liq组成，Cq低压端与Liq高压端相连；每一级的Cq与Liq均分别由两根橡皮筋16固定捆绑在一起。全固态Marx发生器输入端为可饱和脉冲变压器SPT输入端Pin，全固态Marx发生器高电压输出端Mout即为负载load高电压输出极，与第Q级Marx电容低压极螺栓CQ‑2相连。
图5为本发明可饱和脉冲变压器SPT主视结构图。可饱和脉冲变压器SPT由变压器内芯部分、变压器初级绕组部分P和变压器次级绕组部分组成；其中，变压器初级绕组部分P分组紧绕在变压器内芯部分分组的磁环上，变压器次级绕组部分由共磁芯的Q组次级绕组沿圆周方向排布而成，每一组次级绕组又由组内相邻的N路线绕式子绕组并联组成，N路线绕式子绕组共磁芯，均紧绕在M块(M≥1)磁环上。
图6a为本发明可饱和脉冲变压器SPT内芯部分主视结构图。内芯部分关于变压器中心对称轴1具有旋转对称性，由磁芯2、磁芯隔板部分和内芯夹板部分组成；磁芯隔板部分位于磁芯2的磁环之间，起隔离作用，内芯夹板部分位于磁芯2的顶部和底部，用于对磁芯2锁紧紧固。磁芯2由M(M≥1)块相同尺寸的磁环堆叠组成，每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装而成，每块磁环封装后的内半径为Rmi，外半径为Rmo(100mm<Rmi<Rmo），厚度为hm1(20mm<hm1<25mm)。M块磁环均分为m组(m为正整数，M为m的整数倍数)，从上至下依次为第一组磁环、…、第k组磁环(1≤k≤m)、…、第m组磁环；每组磁环均由M/m块磁环沿变压器中心对称轴1方向堆叠组成，从上至下依次为第一块、…、第M/m块。
磁芯隔板部分由磁芯顶板7、磁芯中间隔板和磁芯底板10三部分组成，均采用绝缘材料制成。图6b为磁芯顶板7的俯视结构图。磁芯顶板7位于第一组磁环顶端，磁芯中间隔板将m组磁环分别隔离开，磁芯底板10位于第m组磁环的底部。磁芯顶板7为圆环状板，内半径为R1，外半径为R2，厚度不超过10mm；磁芯顶板7外侧壁边缘均布有3个磁芯顶板豁口7‑1，3个磁芯顶板豁口7‑1呈中心对称分布，半径均为R0(R0<25mm)，每个磁芯顶板豁口7‑1对应的圆心角度θ0位于5°~15°，磁芯顶板豁口7‑1底部相对于变压器中心对称轴1的距离为Rmo，满足R0<R1<Rmi<Rmo<R2；3个磁芯顶板豁口7‑1中的一个豁口中心位于磁芯顶板7俯视图的x轴上，且该豁口关于x轴对称；磁芯顶板7上表面的一象限内铣有磁芯顶板铣槽7‑2，槽宽不小于20mm，槽深度小于磁芯顶板7的厚度，铣槽沿径向延伸，槽中心线与磁芯顶板7俯视图x轴夹角为θ1(15°<θ1<50°)。磁芯顶板7上表面与内芯顶盖3压紧，磁芯顶板7下表面与第一组磁环顶部压紧。磁芯中间隔板共分成相同的m‑1组，从上到下依次为第一组隔板、…、第k组隔板、…、第m‑1组隔板；每一组隔板均由磁芯隔板上板8和磁芯隔板下板9组成，磁芯隔板上板8位于磁芯隔板下板9上面，二者重叠在一起。磁芯隔板上板8的形状和半径尺寸与磁芯顶板7相同，磁芯隔板上板厚度不大于2mm；磁芯隔板上板外侧壁边缘挖有3个磁芯隔板上板豁口8‑1（如图6a所示），呈中心对称分布，3个磁芯隔板上板豁口8‑1半径亦均为R0，对应圆心角度亦为θ0，3个磁芯隔板上板豁口8‑1的位置与3个磁芯顶板豁口7‑1完全相同；每一组隔板中的磁芯隔板上板8上表面均与磁环压紧，下表面与磁芯隔板下板9的上表面压紧。磁芯隔板下板9形状和尺寸与磁芯顶板7相同，但磁芯隔板下板9的上表面一象限内铣有两个槽，即隔板下板第一铣槽9‑1（如图6a所示）和隔板下板第二铣槽9‑2（如图6a所示）；隔板下板第一铣槽9‑1与磁芯顶板铣槽7‑2的结构、尺寸和位置完全相同，隔板下板第二铣槽9‑2中心线与磁芯隔板下板9上表面的y轴方向夹角为θ2，θ2≤30°，隔板下板第二铣槽9‑2几何尺寸与隔板下板第一铣槽9‑1尺寸完全相同。磁芯隔板下板外侧壁边缘挖有3个中心对称的磁芯隔板下板豁口9‑3，磁芯隔板下板豁口9‑3尺寸和位置与磁芯顶板豁口7‑1完全相同。每组隔板的磁芯隔板下板9下表面均与磁环压紧。m‑1组隔板与m组磁环的连接关系如下：第一组磁环底部与第一组隔板中的磁芯隔板上板8上表面压紧，第一组隔板中的磁芯隔板上板8下表面与第一组隔板中的磁芯隔板下板9上表面压紧，第一组隔板中的磁芯隔板下板9下表面与第二组磁环顶部压紧；……；第k组磁环底部与第k组隔板中的磁芯隔板上板8上表面压紧，第k组隔板中的磁芯隔板上板8下表面与第k组隔板中的磁芯隔板下板9上表面压紧，第k组隔板中的磁芯隔板下板9下表面与第k+1组磁环顶部压紧；……；第m组磁环底部与磁芯底板10顶部压紧。磁芯底板10形状和尺寸与磁芯顶板7相同，但是磁芯底板10下表面的磁芯底板铣槽10‑1（如图6a所示）中心线与隔板下板第二铣槽9‑2的中心线平行且在变压器垂直方向对齐，磁芯底板铣槽10‑1尺寸与磁芯顶板铣槽7‑2和隔板下板第二铣槽9‑2的尺寸相同。磁芯底板10外侧壁边缘挖有磁芯底板豁口10‑2（如图6a所示），磁芯底板豁口10‑2的尺寸、数目和位置与磁芯顶板豁口7‑1的尺寸、数目和位置分别相同。磁芯底板10下表面与内芯底板4上表面压紧。安装时应确保3个磁芯顶板豁口7‑1、3个磁芯隔板上板豁口8‑1、3个磁芯隔板下板豁口9‑3、3个磁芯底板豁口10‑2分别在3条直线上对齐。
内芯夹板部分由内芯顶盖3、内芯底板4、内芯底板支脚5、固定连杆6组成，均采用绝缘材料。本发明采用固定连杆6在圆周方向均匀分布的模式对内芯夹板部分进行锁紧；为了使内芯夹板部分牢固连接，并且使固定连杆6数目最少、在圆周方向占据的空间最小，本发明采用3根固定连杆6均匀分布并紧锁内芯夹板部分的方式。图6c为内芯底板4的主视结构图，内芯底板4为圆环板结构，内半径为R1，外半径为R3，满足R1<Rmi<Rmo<R2<R3，厚度不小于15mm；内芯底板4上表面铣有3个呈扇形、在圆周方向均布的内芯底板扇形铣槽4‑1，内芯底板扇形铣槽4‑1对应的扇形圆心角均为Ψ1，槽深不大于10mm，铣槽沿径向贯穿内芯底板4外缘和内缘，由于铣槽加工而在内芯底板4上表面出现3个相同且均布的扇形凸台即内芯底板扇形凸台4‑2，与3个内芯底板扇形铣槽4‑1相间交替分布，每个内芯底板扇形凸台圆心角均为Ψ2，满足Ψ1+Ψ2=90°；内芯底板4下表面与3个内芯底板扇形凸台4‑2相对的位置分别均布3个内芯底板螺孔，与3个内芯底板支脚5拧紧配合；3个内芯底板扇形凸台4‑2的外边缘各开有1个内芯底板通孔4‑3，3个内芯底板通孔4‑3在圆周方向均布，通孔半径均为R4，每个内芯底板通孔4‑3的中心与变压器中心对称轴的距离为Rmo+R4。内芯顶盖3的结构与内芯底板4的结构相同，亦为圆环板结构，内芯顶盖3的仰视图即为内芯底板4的俯视图；如图6a所示，内芯顶盖3内半径为R1，外半径为R3，厚度不小于15mm；在圆周方向，内芯顶盖3下表面在与内芯底板4相对的位置同样铣有3个均布的内芯顶盖扇形铣槽3‑1，槽深不大于10mm，铣槽亦沿径向贯穿内芯顶盖3外缘和内缘，内芯顶盖扇形铣槽3‑1对应的扇形中心角均为Ψ1，内芯顶盖3下表面由于铣槽而出现的3个相同且均布的内芯顶盖扇形凸台3‑2圆心角均为Ψ2；内芯顶盖扇形凸台3‑2上与3个内芯底板通孔4‑3在垂直方向上正对的位置，亦均布有3个内芯顶盖通孔3‑3，通孔半径均为R4。固定连杆6是3根半径为R4的圆柱体，其两端均有螺纹，3根固定连杆6的长度长于所有磁环厚度、磁芯隔板部分总厚度、内芯顶盖3厚度与内芯底板4厚度之和；固定连杆6紧靠对齐的磁芯顶板豁口7‑1、磁芯隔板上板豁口8‑1、磁芯隔板下板豁口9‑3和磁芯底板豁口10‑2，固定连杆6上端穿过3个内芯顶盖通孔3‑3，由连杆螺帽锁紧，固定连杆6下端穿过3个内芯底板通孔4‑3，由连杆螺帽锁紧。
图7为本发明中可饱和脉冲变压器SPT初级绕组部分P的主视结构图。变压器初级绕组部分P由第一路初级子绕组P1、……、第k路(1≤K≤m，k为整数)初级子绕组Pk、……、第m路初级子绕组Pm组成；第k路初级子绕组Pk绕线的外部输入端为第k路初级子绕组输入端Pk‑1，第k路初级子绕组Pk绕线的外部输出端为第k路初级子绕组输出端Pk‑2。第一路初级子绕组输入端P1‑1、……、第k路初级子绕组输入端Pk‑1、……、第m路初级子绕组输入端Pm‑1全部并联焊接在输入端并联导线Pa上，输入端并联导线Pa宽度和厚度与每一路初级子绕组绕线整体的宽度和厚度相同，输入端并联导线Pa下端焊接在输入端引出导线Pc上，向外引出，作为初级绕组整体输入端Pin，输入端引出导线的厚度和宽度与输入端并联导线相同，初级绕组整体输入端Pin与外部初级能源相连；每一路初级子绕组均为单匝，可由m1(m1为正整数，m1≥1)根直径均为Φp的漆包线并联绕制而成，满足m1×Φp小于磁芯顶板铣槽7‑2槽宽，亦可由宽度和厚度均不大于磁芯顶板铣槽7‑2槽宽和槽深的铜带绕制而成。第一路初级子绕组P1由第一路初级子绕组输入端P1‑1引入，穿入磁芯顶板铣槽7‑2，从里面包围第一组磁环，再穿入第一组隔板中的隔板下板第二铣槽9‑2，由第一路初级子绕组输出端P1‑2引出；……；第k路初级子绕组Pk由第k路初级子绕组输入端Pk‑1引入，穿入第k‑1组隔板中的隔板下板第一铣槽9‑1，从里面包围第k组磁环后，再穿入第k组隔板中的隔板下板第二铣槽9‑2，初级绕线从该铣槽穿出后由第k路初级子绕组输出端Pk‑2引出；……；按照相同的规律，一直到第m路初级子绕组Pm由第m路初级子绕组输入端Pm‑1引入，穿入第m‑1组隔板中的隔板下板第一铣槽9‑1，从里面包围第m组磁环后，再穿入磁芯底板铣槽10‑1，初级绕线从该铣槽穿出后由第m路初级子绕组输出端Pm‑2引出。第一路初级子绕组输出端P1‑2、……、第k路初级子绕组输出端Pk‑2、……、第m路初级子绕组输出端Pm‑2全部并联焊接在输出端并联导线Pb上，输出端并联导线Pb尺寸与输入端并联导线Pa尺寸相同，输出端并联导线Pb下端焊接在输出端引出导线Pd上并向外引出，作为初级绕组整体输出端Pout，输出端引出导线宽度和厚度与输出端并联导线相同，初级绕组整体输出端Pout与外部地端相连。m路初级子绕组全部位于第1个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和第1个内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域内。
图8为本发明可饱和脉冲变压器次级绕组部分主视结构图。变压器次级绕组部分由第一组次级绕组S1、……、第s组次级绕组Ss、……、第Q/3组次级绕组S(Q/3)、第Q/3+1组次级绕组S(Q/3+1)、……、第Q/3+s组次级绕组S(Q/3+s)、……、第2Q/3组次级绕组S(2Q/3)、第2Q/3+1组次级绕组S(2Q/3+1)、……、第2Q/3+s组次级绕组S(2Q/3+s)、第Q组次级绕组SQ组成，共计Q组次级绕组，此时Q为3的正整数倍，s为整数，且1≤s≤Q/3；Q组次级绕组完全相同。由于内芯顶盖3和内芯底板4均分别铣有3个在圆周方向均布的内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1，第一组次级绕组S1、……、第s组次级绕组Ss、……、第Q/3组次级绕组S(Q/3)刚好位于第一个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布；第Q/3+1组次级绕组S(Q/3+1)、……、第Q/3+s组次级绕组S(Q/3+s)、……、第2Q/3组次级绕组S(2Q/3)刚好位于第二个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布；第2Q/3+1组次级绕组S(2Q/3+1)、……、第2Q/3+s组次级绕组S(2Q/3+s)、第Q组次级绕组SQ刚好位于第三个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布。这Q组次级绕组分别穿过3个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和3个内芯底板扇形铣槽4‑1对应的区域，并包围全部磁芯。每一组次级绕组相同，均包含N路(N为正整数)并联的线绕式次级子绕组；每一组次级绕组所占据的扇形空间的圆心角均为Ψ3，0<Ψ3≤3Ψ1/Q。每一组次级绕组内的N路线绕式子绕组共磁芯，且N路线绕式子绕组相互紧挨，并沿圆周方向依次排列；而所有的Q组次级绕组亦依次沿圆周方向排列分布。
第一组次级绕组S1由完全相同的N路线绕式次级子绕组组成，即第一组次级绕组S1中第一路子绕组S11、……、第一组次级绕组中第n路(1≤n≤N，且n为正整数)子绕组S1n、……、第一组次级绕组中第N路子绕组S1N；每一路次级子绕组绕线匝数为Ns，绕线均为直径为Φs的金属导线，Φs不大于内芯底板扇形铣槽4‑1和内芯顶盖扇形铣槽3‑1的深度，且NsΦs≤R1×Ψ3/N(其中R1为磁芯顶板7的内半径)。第一组次级绕组中第一路子绕组S11由直径为Φs的金属导线从第一个内芯底板扇形铣槽4‑1的槽边缘沿径向向内穿入内芯底板扇形铣槽4‑1，金属导线穿出内芯底板扇形铣槽4‑1后沿所有磁环内壁向上，再从内芯顶盖扇形铣槽3‑1中沿径向向外穿出，沿所有磁环外壁向下再次到达内芯底板扇形铣槽4‑1处，完成第1匝绕线的布线；按照此规律沿磁环圆周逆时针方向共密绕Ns匝绕线，完成第一组次级绕组中第一路子绕组S11的布线；第一组次级绕组中第一路子绕组高压输出端S11‑2由螺杆穿过内芯顶盖3外边缘，拧在第1个次级绕组高压极连接片11上，次级绕组高压极连接片11共有Q个，均为厚度不超过2mm、宽度不小于20mm的金属片，每个次级绕组高压极连接片11的长度<2πR3(其中R3为内芯顶盖3的外半径)，次级绕组高压极连接片11与内芯顶盖3上表面紧贴、且位于内芯顶盖3上表面外边缘；第一组次级绕组中第一路子绕组低压端S11‑1由螺杆穿过内芯底板4外边缘，拧在第1个次级绕组低压极连接片12上，次级绕组低压极连接片12共有Q个，次级绕组低压极连接片12的形状、几何尺寸与次级绕组高压极连接片11完全相同，次级绕组低压极连接片12与内芯底板4下表面紧贴、且位于内芯底板4下表面外边缘。第一组次级绕组中第二路子绕组S12、……、第一组次级绕组中第n路子绕组S1n、……、第一组次级绕组中第N路子绕组S1N，均完全按照第一组次级绕组中第一路子绕组S11的绕线分布方式，紧靠着第一组次级绕组中与各自相邻的其它路子绕组，沿磁环圆周逆时针方向依次绕制；第一组次级绕组中除第1路子绕组外的其余N‑1路子绕组高压输出端S12‑2、……、S1N‑2全部由螺杆拧在第1个次级绕组高压极连接片11上；第一组次级绕组中除第1路子绕组外的其余N‑1路子绕组低压端S12‑1、……、S1N‑1全部由螺杆拧在第1个次级绕组低压极连接片12上。每一组次级绕组中的全部子绕组高压输出端均同时连接在同一个次级绕组高压极连接片11上，每一组次级绕组中的全部子绕组低压端均同时连接在同一个次级绕组低压极连接片12上；Q组沿磁环圆周方向依次分布的次级绕组，将分别对应亦沿圆周方向均布的Q个次级绕组高压极连接片11和Q个次级绕组低压极连接片12。第s组次级绕组Ss的N路Ns匝次级子绕组和第一组次级绕组S1的N路Ns匝次级子绕组的绕线材料、结构、绕线方式完全相同；完全按照第一组次级绕组S1的分布规律，在第一个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和第一个内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角均为Ψ1扇形区域内，紧挨着第一组次级绕组S1沿磁环圆周逆时针方向依次完成第二组次级绕组S2、……、第s组次级绕组Ss、……、第Q/3组次级绕组S(Q/3)的布线。
完全按照第一组次级绕组S1、……、第s组次级绕组Ss、……、第Q/3组次级绕组S(Q/3)的布线方式，在第二个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和第二个内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角为Ψ1扇形区域，沿磁环圆周逆时针方向依次完成第Q/3+1组次级绕组S(Q/3+1)、……、第Q/3+s组次级绕组S(Q/3+s)、……、第2Q/3组次级绕组S(2Q/3)的布线；完全按照第一组次级绕组S1、……、第s组次级绕组Ss、……、第Q/3组次级绕组S(Q/3)的布线方式，在第三个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和第三个内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域，沿磁环圆周逆时针方向依次完成第2Q/3+1组次级绕组S(2Q/3+1)、……、第2Q/3+s组次级绕组S(2Q/3+s)、第Q组次级绕组SQ的布线。
特别地，当Q=1时，可饱和脉冲变压器SPT仅有1组次级绕组，而该次级绕组的N路次级子绕组均匀分布在3个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角均为Ψ1扇形区域内，次级绕组高压极连接片11和次级绕组低压极连接片12的数目均为1个，所有的N路次级子绕组沿磁环圆周方向均匀排布，且同时并联在同一个次级绕组高压极连接片11和次级绕组低压极连接片12上。为了实现次级绕组中N路次级子绕组最佳的轴对称效果，以获得最低的次级绕组饱和电感，本发明实施方式要求当Q=1时，N必须为3的正整数倍；3个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的3个圆心角均为Ψ1扇形区域内共均分N路次级子绕组，每个扇形区域内均分N/3路次级子绕组。该情形下，可饱和脉冲变压器SPT的线绕式次级绕组具有类似于同轴导体的结构特征，可饱和脉冲变压器SPT的饱和电感将遵循同轴导体绕组低饱和电感的分布规律，从而使本发明可饱和脉冲变压器SPT获得最小的次级绕组饱和电感。
当Q＝2时，可饱和脉冲变压器SPT仅有2组次级绕组，不能均匀分布在3个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的3个圆心角均为Ψ1扇形区域内。为了获得变压器初级绕组和次级绕组之间的最佳绝缘效果，第1个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域内(分布有初级绕组)没有次级绕组分布；第一组次级绕组的N路次级子绕组均匀分布在第二个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和第二个内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域内，组内N路次级子绕组结构、分布和连接关系保持不变；第二组次级绕组的N路次级子绕组均匀分布在第三个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和第三个内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角为Ψ1扇形区域内，组内N路次级子绕组结构、分布和连接关系保持不变。
当Q>3，且Q不为3的正整数倍时，Q组次级绕组不能均匀分布在3个内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的3个圆心角均为Ψ1的扇形区域内，在几何结构上不能实现Q组次级绕组的轴对称性和中心对称性，不能实现变压器次级绕组均压和绝缘的最佳效果，本发明不采纳这种实施方式。
正是由于每组次级绕组的N路子绕组沿圆周方向均匀并联分布，每组次级绕组整体的饱和电感较仅有1路子绕组的情形而言，可近似按N倍降低，N越大，每组次级绕组整体的饱和电感越低；因此本发明中采用多路相同的线绕式子绕组沿圆周方向均匀排列分布的并联式结构，具有低饱和电感特性，从而在可饱和脉冲变压器次级绕组作为磁开关取代Marx发生器中全部气体开关时，满足本发明全固态Marx发生器快脉冲前沿输出要求。考虑到本发明中可饱和脉冲变压器SPT初级绕组采用了绕组分组并联结构，本发明可饱和脉冲变压器SPT升压比为(1/m):Ns=1:m×Ns，较普通初级绕组为单匝、次级绕组为Ns匝的1：Ns变压器而言，本发明可饱和脉冲变压器SPT将升压倍数由Ns倍提高为m×Ns倍，且当m＝M时本发明可饱和脉冲变压器SPT最大升压倍数将达M×Ns倍。
图9a为本发明中可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器的俯视结构图。Q级Marx电容器和接地电感单元均匀分布在可饱和脉冲变压器外围圆周方向，在每一对内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，均依次分布有Q/3个Marx电容器和接地电感单元。特别当Q=1时，可饱和脉冲变压器外围边缘仅有1个Marx电容器和接地电感单元。而当Q=2时，在第一对内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，无Marx电容器和接地电感单元分布；在第二对内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，分布有1个Marx电容器和接地电感单元；在第三对内芯顶盖扇形铣槽3‑1和内芯底板扇形铣槽4‑1所对应的圆心角为Ψ1的扇形区域外边缘，亦分布有1个Marx电容器和接地电感单元。Q级Marx电容器和接地电感单元完全相同。图9b为第一级Marx电容器和接地电感单元与第二级Marx电容器和接地电感单元的主视结构图。第一级Marx电容器和接地电感单元由螺线管电感器Li1、第一级Marx电容器C1和Z型连接片15组成。螺线管电感器Li1由圆柱支撑体13和螺线管绕组14组成；圆柱支撑体13为半径不超过40mm、长度小于M×hm1的实心圆柱，由绝缘材料制成，其中hm1为图6a所示的单块磁环高度；螺线管绕组14由直径为ΦL(ΦL≤5mm)的高压导线沿圆柱支撑体13长度方向螺旋绕制而成，并由圆柱支撑体13支撑，螺线管绕组14可为单层绕线结构，亦可为多层绕线结构，螺线管绕组14长度不大于圆柱支撑体13的长度。螺线管电感器Li1在其圆柱支撑体13的两端，分别由两根橡皮筋16紧固在第一级Marx电容器C1上；螺线管电感器Li1的螺线管绕组14高压端(下端)与第一级Marx电容器低压螺栓C1‑2通过导线相连，螺线管电感器Li1的螺线管绕组14低压端(上端)与第一个次级绕组低压极连接片12通过导线和螺栓进行连接，并接地。第一级Marx电容器C1为砖块形状，其宽度不大于100mm，厚度不超过50mm，长度不大于M×hm1；第一级Marx电容器C1外表面为绝缘材料保护壳，第一级Marx电容器C1也可由多个陶瓷电容器并联而成，Li1与C1满足：1/ωcC1>>ωcLi1、1/ωdC1<<ωdLi1，且Li1远远大于第一组次级绕组S1的饱和电感，其中ωc为Marx发生器充电角频率，ωd为Marx发生器放电的角频率。第一级Marx电容器C1顶部中间位置有两个第一级电容高压极螺栓C1‑1，两个第一级电容高压极螺栓C1‑1与第一个Z型连接片15连接紧固，第一个Z型连接片15是由矩形金属板折成的Z型金属片，金属片厚度不超过2mm、宽度与第一级Marx电容器C1宽度相同，第一个Z型连接片15与第一个次级绕组高压极连接片11通过螺栓连接紧固；通过第一个次级绕组高压极连接片11，第一个Z型连接片15与图8中第一组次级绕组中第一路子绕组高压端S11‑2、……、第一组次级绕组中第n路子绕组高压端S11‑2、……、第一组次级绕组中第N路子绕组高压端S1N‑2均相连。第一级Marx电容器C1底部中间位置亦有两个第一级电容低压极螺栓C1‑2，两个第一级电容低压极螺栓C1‑2与第二个次级绕组低压极连接片12、第二级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组14低压端(上端)通过导线连在一起。本发明共有Q个Z型连接片15。
第二级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料相同；只是与第二级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第二个Z型连接片15、第二个次级绕组高压极连接片11、第二个次级绕组低压极连接片12，并且两个第二级电容低压极螺栓C2‑2与第三个次级绕组低压极连接片12、第三级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组14低压端通过导线连在一起。……。第q(1<q<Q)级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料相同；只是与第q级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第q个Z型连接片15、第q个次级绕组高压极连接片11、第q个次级绕组低压极连接片12，并且两个第q级电容低压极螺栓Cq‑2与第q+1个次级绕组低压极连接片12、第q+1级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组14低压端通过导线同时连在一起。……。第Q级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料和相同；只是与第Q级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第Q个Z型连接片15、第Q个次级绕组高压极连接片11、第Q个次级绕组低压极连接片12，并且两个第Q级电容低压极螺栓CQ‑2直接与图4b所示负载load高电压输出极Mout相连，负载load低压极接地。工作中，磁芯2处于非饱和阶段时，可饱和脉冲变压器每一组次级绕组仅对与其高压输出端相连的一级Marx电容器和接地电感单元充电，可饱和脉冲变压器总共Q组次级绕组对全部Q级Marx电容器和接地电感单元实现同步并联充电，充电电感即为Q组次级绕组；磁芯2饱和后，可饱和脉冲变压器共磁芯的Q组次级绕组作为Q组磁开关同步导通，实现全部Q级Marx电容器和接地电感单元串联放电，并在两个第Q级电容低压极螺栓CQ‑2处输出脉冲高电压，并施加在外部负载load上。
国防科技大学采用本发明实施方式设计了用于给300kV/1.75nF的脉冲形成线充电的、低电感线绕式可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，采用3级Marx电容器和接地电感单元并联同步充电、磁芯同步饱和、串联同步放电的工作模式。其中，各级Marx电容器为36kV/350nF脉冲电容器，各级接地电感均为95μH。在低电感线绕式可饱和脉冲变压器中，共使用6块(M＝6)磁环作为变压器磁芯，6块磁环均分为6组，单块磁环封装尺寸为Φ280×Φ140×25(Φ280表示磁环外直径为280，Φ140表示磁环内直径为140，24.5表示磁环高度，单位：mm，下同)，去掉外壳封装后的单块磁环本体尺寸为Φ276×Φ144×20(单位：mm)；变压器初级绕组由6路(m＝M＝6)单匝子绕组并联而成，变压器次级绕组由3组(Q=3)次级绕组沿磁环圆周方向均匀并联分布，每一对内芯顶盖扇形铣槽和内芯底板扇形铣槽所对应的圆心角为Ψ1(Ψ1=90°，Ψ2=30°)的扇形区域内，仅均匀分布有1组次级绕组，每1组次级绕组均由4路子绕组(N＝4)并联而成；每一路次级子绕组匝数Ns均为4.75匝(Ns=4.75)，本实施方式对应3个共初级绕组、共磁芯，但次级绕组位置不同的可饱和脉冲变压器，每一个可饱和脉冲变压器的变比为1:28.5。采用3kV/160μF的脉冲电容器作为可饱和脉冲变压器外部的初级充电电容，初级充电电容高压端与外部初级充电系统相连，初级充电电容低压端与可饱和脉冲变压器初级绕组输入端相连，经过变压器初级绕组输出端接地。采用机械触点式开关作为初级充电电容的放电控制开关，机械触点式开关高压端与初级充电电容高压端相连，机械触点式开关低压端接地。脉冲形成线充电端口与本发明的全固态Marx发生器的第3级电容低压极螺栓相连，脉冲形成线外壳接地。在由该共磁芯的3个1:28.5的线绕式绕组4路并联结构的可饱和脉冲变压器、3kV/160μF初级充电电容、机械触点式开关、300kV/1.75nF脉冲形成线组成的高电压谐振充放电脉冲功率平台上进行了实验研究。首先采用外部初级充电系统对初级充电电容进行谐振充电，谐振充电电流流过本发明全固态Marx发生器中的可饱和脉冲变压器初级绕组，对变压器磁芯进行自动复位；当3kV/160μF初级充电电容起始充电电压为0.67kV时，机械触点式开关触发导通，初级充电电容向全固态Marx发生器放电，线绕式绕组4路并联结构的3个可饱和脉冲变压器(暴露于空气中)在各自的次级绕组高压端均输出峰值约12kV的脉冲高电压，三路输出脉冲电压波形基本重合，3级Marx电容器的同步并联充电效果较好。磁芯饱和后，3个共磁芯的1:28.5可饱和脉冲变压器的3组次级绕组强制饱和导通，3级Marx电容器串联放电的全固态Marx发生器得以建立；3级全固态Marx发生器向300kV/1.75nF的脉冲形成线放电，在脉冲形成线上产生前沿时间约为600ns，峰值为45.2kV的高电压脉冲，该脉冲的半高脉宽约为450ns，放电的L‑C谐振周期约为900ns。由上述结果可知，本发明实施方式能在3级全固态Marx发生器输入电压仅670V的条件下，得到高达45.2kV的脉冲高电压输出，实现了3级全固态Marx发生器电压串联叠加输出的功能，实现67.5倍的升压倍数，是普通3级全固态Marx发生器(输入670V时，输出仅几kV量级)所不能匹敌的；并且，本发明实施方式采用4路线绕式子绕组并联的结构，使得可饱和脉冲变压器的3组次级绕组亦即全固态Marx发生器的3级磁开关饱和电感得以大大降低，从而在可饱和变压器次级绕组为4.75匝(单匝绕线周长0.52m)的条件下，3级全固态Marx发生器在电容性负载上成功实现了几百ns级前沿的高电压脉冲输出；实验平台中，初级充电系统采用谐振充电的方式对初级充电电容谐振充电，该谐振充电电流即对3级全固态Marx发生器中可饱和脉冲变压器的磁芯进行自动复位，在该充电电流主导的磁芯自动复位机制下，3级全固态Marx发生器输出较稳定，可以实现3级全固态Marx发生器重复频率稳定运行。实验结果证明低电感线绕式可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器技术方案切实可行。