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多级冲击电压发生器的工作原理
利用上述几种回路虽然都能得到波形符合要求的雷电冲击电压全波，但能获得的最大冲击电压幅值却很有限，因为受到整流器和电容器额定电压的限制，单级冲击电压发生器能产生的最高电压一般不超过200~300kV。但冲击高电压试验所需要的冲击电压往往高达数兆伏，因而也要采用多级叠加的方法来产生波形和幅值都能满足需要的冲击高电压波。
图5-20为多级冲击电压发生器的原理接线图，它的基本工作原理可概括为“并联充电，串联放电”，具体过程如下。
1.充电过程
这种回路由充电状态转变为放电过程是利用一系列火花球隙来实现的，它们在充电过程中都不被击穿，因而所在支路呈开路状态，这样图5-20的接线可简化成图5-21中的充电过程等值电路。
这时各级电容器C经数目不等的充电电阻R并联地由电压为Uc的整流电源充电，但由于充电电阻的数目各异，各台电容器上的电压上升速度是不同的，最前面的C充电最快，最后面的C充电最慢，不过在充电时间足够长时，全部电容器，都几乎能充电到电压Uc，因而点2、4、6、8的对地电位均为-Uc，而点1、3、5、7均为地电位。按图中整流器V的接法，所得到的电压将为负极性，要改变极性是很容易的，只要将V的接法调换一下就可以了。
电阻R虽称为“充电电阻”，但其实它们在充电过程中没有什么作用，如取它们的阻值为零，各台电容器C的充电速度反而更快。不过以后将会看到，这些充电电阻在放电过程中却起着十分重要的作用，而且其阻值要足够大(例如数万欧姆)，而对其阻值稳定性的要求并不太高。
2.放电过程
一旦第一对火花球隙F1被击穿，各级球隙F2、F3、F4均将迅速依次击穿，各台电容器被串联起来，发生器立即由充电状态转为放电过程，因此第一对球隙F1被称为“点火球隙”。
这时由于各级充电电阻R有足够大的阻值，因而在短暂的放电过程中，可以近似地把各个R 支路看成开路。这样一来，图5-20的接线又可近似地简化成图5-22所示的放电过程等值电路。
理解发生器如何从充电转为放电过程的关键在于分析作用在各级火花球隙上的电压值。当F1在Uc的作用下击穿时，立即将点2和点3连接起来(阻尼电阻rd的阻值很小)，因而点3的对地电位立即从此前的零变成-Uc(点2的电位)，点4的电位相应地变成-2 Uc，而点5的对地电位一时难以改变，因为此时F2尚未击穿，点5的电位改变取决于该点的对地杂散电容C′，通过F1、rd和点3~点5之间的那只充电电阻R由第一级电容C进行充电，由于R值很大，能在点3和点5之间起隔离作用，使点5上的C充电较慢，暂时仍保持着原来的零电位。这样一来，作用在火花球隙F2上的电位差将为2Uc，F2将很快击穿；依此类推，F3和F4亦将分别在3Uc和4Uc的电位差下依次加速击穿。这样一来，全部电容C将串联起来对波尾电阻R2和波前电容C2进行放电，使被试品上受到幅值接近于“-4Ucη”的负极性冲击电压波的作用(其中η为发生器的利用系数)。
这里还需要特别说明几点：①各级电容C在串联起来对R2和C2放电的同时，也在图5-20中所有三角形闭合小回路内(例如1—C—2—F1—rd—3—R—1)进行附加的放电，其结果是使C上的电压降低，好在此处的充电电阻R的阻值足够大，减轻了这些附加放电的不利影响，使C上基本上仍保持着接近于-Uc的电压。可见无论从隔离相邻各点(例如点1与点3)的作用来看，还是从减轻附加放电的不利影响来看，R值都必须足够大；②由于各级球隙F1~F4上击穿前出现的电压是逐级增大的，所以通常将各级球隙的极间距离也整定成逐渐增大；③把阻尼电阻R11分散到各级中去(rd)，无论从发生器的元件安装结构上来考虑，还是从阻尼各种杂散参数构成的附加回路(例如1—C—2—F1—rd—3—C′—地—1)中的寄生振荡来考虑，都是合适的。
冲击电压发生器的启动方式有两种：一种是自启动方式，这时只要将点火球隙F1的极间距离调节到使其击穿电压等于所需的充电电压Uc，当F1 上的电压上升到等于Uc时，F1即自行击穿，启动整套装置。可见这时输出的冲击电压高低主要取决于F1的极间距离，提高充电电源的电压，只能加快充电速度和增大冲击波的输出频度，而不能提高输出电压。另一种启动方式是使各级电容器充电到一个略低于F1击穿电压的电压水平上，处于准备动作的状态，然后利用点火装置产生一点火脉冲，送到点火球隙F1中的一个辅助间隙上使之击穿并引起F1主间隙的击穿，以启动整套装置。不论采用何种启动方式，最重要的问题是保证全部球隙均能跟随F1的点火作同步击穿。
图5-22中的等值电路可进一步简化成图5-19所示的回路，各参数之间有下列关系
式中n——发生器的级数。
由于多方面的考虑(例如提高各个元件的利用率、提高发生器的利用系数、使整体结构尽可能紧凑、美观等)，实际的多级冲击电压发生器的接线方式和结构型式可以是多种多样的，但它们的基本工作原理均相同。
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