脈沖變壓器型觸發(fā)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，屬于氣體開關(guān)觸發(fā)【技術(shù)領(lǐng)域】。包括依次串聯(lián)的原邊驅(qū)動(dòng)部分、脈沖變壓器、自擊穿型快充放電Marx部分及隔直保護(hù)部分。本發(fā)明的自擊穿型快充放電Marx部分將脈沖變壓器副邊電容電壓進(jìn)行幅值疊加和前沿陡化。所述觸發(fā)器的輸入電壓幅值、輸出電壓幅值極性、脈沖變壓器參數(shù)和自擊穿陡化部分參數(shù)均可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明的觸發(fā)器能夠克服傳統(tǒng)Marx觸發(fā)器的多級(jí)球隙抖動(dòng)較大、配套設(shè)備較多的問題，且能夠克服傳統(tǒng)脈沖變壓器型觸發(fā)器的絕緣、漏感以及體積問題。
【專利說明】脈沖變壓器型觸發(fā)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體開關(guān)觸發(fā)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種脈沖變壓器型觸發(fā)器。

【背景技術(shù)】
[0002]兩電極高庫(kù)倫大電流氣體開關(guān)作為脈沖功率電源裝置中的重要部件，多采用高幅值(多100kV)、快前沿20ns)的脈沖進(jìn)行觸發(fā)導(dǎo)通。常用的獲得高幅值、陡前沿、低抖動(dòng)脈沖的方法有:傳統(tǒng)的Marx觸發(fā)器、脈沖電容器經(jīng)氣體開關(guān)放電輸出脈沖、Tesla變壓器對(duì)脈沖形成線充電、脈沖變壓器型觸發(fā)器等等。
[0003]傳統(tǒng)的Marx觸發(fā)器(引用專利《一種二電極氣體開關(guān)用Marx觸發(fā)器》，楊蘭均，2010.05.26，申請(qǐng)公布號(hào)CN101715269A)利用多個(gè)低電感儲(chǔ)能電容器先并聯(lián)充電，處于待機(jī)狀態(tài)，然后串聯(lián)放電，使電壓加倍從而獲得更高的脈沖電壓。盡管Marx觸發(fā)器技術(shù)成熟，但它一般都需要附屬高壓充電設(shè)備和第一級(jí)球隙的專用觸發(fā)器，使得整體體積偏大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；而且多級(jí)球隙串聯(lián)放電時(shí)，每一級(jí)球隙所帶來的抖動(dòng)會(huì)累加，不利于實(shí)現(xiàn)多路同步精確、可靠工作。
[0004]傳統(tǒng)的脈沖變壓器型觸發(fā)器利用脈沖變壓器升壓，經(jīng)單個(gè)陡化開關(guān)陡化輸出高幅值、陡前沿脈沖，其原邊儲(chǔ)能電容充電電壓低，控制回路簡(jiǎn)單，不需要高壓充電設(shè)備。但是減小大變比變壓器的漏感比較困難，使得輸出波形的前沿不能做到很小，并且由于采用大變比變壓器直接升到100kV以上電壓，變壓器容易出現(xiàn)絕緣問題。輸出幅值超過100kV的變壓器需要的伏秒積會(huì)很大，這就伴隨著鐵芯體積以及整個(gè)變壓器體積較為龐大問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種用于觸發(fā)兩電極高庫(kù)倫大電流氣體開關(guān)的脈沖變壓器型觸發(fā)器，該觸發(fā)器能夠克服傳統(tǒng)Marx觸發(fā)器的多級(jí)球隙抖動(dòng)較大、配套設(shè)備較多的問題，且能夠克服傳統(tǒng)脈沖變壓器型觸發(fā)器的絕緣、漏感以及體積冋題。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0007]一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，包括依次串聯(lián)的原邊驅(qū)動(dòng)部分、脈沖變壓器、自擊穿型快充放電Marx部分及隔直保護(hù)部分；
[0008]原邊驅(qū)動(dòng)部分包括充電模塊、晶閘管串及原邊充電電容，原邊充電電容采用充電模塊進(jìn)行快速充電，充電模塊一端接原邊充電電容正極及晶閘管串的陽(yáng)極，另一端接地；原邊充電電容與晶閘管串及脈沖變壓器原邊串聯(lián)；晶閘管串陰極和脈沖變壓器原邊的一個(gè)端點(diǎn)共同接地；
[0009]自擊穿型快充放電Marx部分包括若干級(jí)，每一級(jí)都包含一對(duì)耦合電感、一個(gè)副邊電容及一對(duì)放電球電極，放電球電極的一端與副邊電容相連，另一端與耦合電感的一端相連，耦合電感與副邊電容間隔串聯(lián)；脈沖變壓器副邊輸出端正極與自擊穿型快充放電Marx部分的輸入端相連，脈沖變壓器副邊輸出端負(fù)極接地；
[0010]隔直保護(hù)部分包括串聯(lián)的隔直球隙和隔直電容，且隔直球隙和隔直電容設(shè)置于自擊穿型快充放電Marx部分與兩電極高庫(kù)倫大電流氣體開關(guān)之間。
[0011]所述晶閘管串采用靜態(tài)電阻均壓、動(dòng)態(tài)阻容電路進(jìn)行緩沖保護(hù)，晶閘管的同步觸發(fā)是由電容經(jīng)MOSFET對(duì)一個(gè)單原邊多副邊的電流變壓器放電實(shí)現(xiàn)，觸發(fā)電流的前沿和幅值由電流變壓器副邊串接的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0012]在晶閘管的兩端并聯(lián)有用于保護(hù)晶閘管的反向快速續(xù)流二極管。
[0013]原副邊繞組匝數(shù)少，脈沖變壓器采用低漏感繞組分布形式。
[0014]自擊穿型快充放電Marx部分通過耦合電感進(jìn)行隔離。
[0015]當(dāng)脈沖變壓器副邊輸出高壓脈沖時(shí)，耦合電感處于同名端連接方式；當(dāng)副邊電容電壓滿足球電極的自擊穿條件時(shí)，各個(gè)球隙同步擊穿，耦合電感處于異名端連接方式。
[0016]所述自擊穿型快充放電Marx部分在接收到光纖信號(hào)之前處于不帶電狀態(tài)。
[0017]自擊穿型快充放電Marx部分的級(jí)數(shù)為2?10級(jí)。
[0018]相對(duì)應(yīng)的一對(duì)親合電感繞制于同一塊閉合磁芯上，同一閉合磁芯上的一對(duì)親合電感匝數(shù)一致；且閉合磁芯截面滿足每一級(jí)球電極放電時(shí)加在耦合電感上的脈沖電壓的伏秒積。
[0019]該觸發(fā)器輸出的電壓脈沖為正負(fù)雙極性，將自擊穿型快充放電Marx部分與脈沖變壓器部分兩接線頭對(duì)調(diào)則改變觸發(fā)器輸出脈沖極性。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0021]本發(fā)明的脈沖變壓器型觸發(fā)器包括四個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)，為依次串聯(lián)的原邊驅(qū)動(dòng)部分、脈沖變壓器、自擊穿型快充放電Marx部分及隔直保護(hù)部分，模塊化的結(jié)構(gòu)更加便于組裝和配合。主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:
[0022]首先，本發(fā)明的脈沖變壓器部分輸出端電壓幅值不高，很好的解決了普通脈沖變壓器型觸發(fā)器高幅值脈沖直接經(jīng)單個(gè)陡化開關(guān)陡化的技術(shù)方案所面臨的絕緣問題和變壓器漏感大、體積大等問題。
[0023]其次，自擊穿型快充放電Marx部分包括若干級(jí)，每一級(jí)都包含一對(duì)耦合電感、一個(gè)副邊電容及一對(duì)放電球電極，很好的解決了傳統(tǒng)Marx型觸發(fā)器的多級(jí)(一般大于6級(jí))球隙抖動(dòng)較大的問題，同時(shí)也省去了傳統(tǒng)Marx型觸發(fā)器為第一級(jí)球隙專門配置的觸發(fā)系統(tǒng)，使整體結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。
[0024]再次，本發(fā)明采用多級(jí)球隙自擊穿陡化，與普通脈沖變壓器型觸發(fā)器采用單級(jí)陡化開關(guān)相比，單級(jí)能量小，很大程度減小了球電極的燒蝕，減小了對(duì)球電極耐燒蝕強(qiáng)度的要求。
[0025]最后，本發(fā)明可以很方便的通過調(diào)整原邊充電電容的容值和充電電壓、脈沖變壓器的匝比、自擊穿球電極間隙距離、充氣氣壓、副邊電容值等參數(shù)來得到不同的輸出電壓和輸出能量，從而滿足不同需求。除了用于觸發(fā)高庫(kù)倫大電流兩電極氣體開關(guān)外，還可以用于其它需要高幅值快前沿高壓脈沖的場(chǎng)合，應(yīng)用廣泛。
[0026]進(jìn)一步地，本發(fā)明的后級(jí)自擊穿型快充放電Marx部分在非工作時(shí)處于不帶電狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)誤觸發(fā)問題。
[0027]進(jìn)一步地，本發(fā)明可以正負(fù)雙極性脈沖輸出，由于整體觸發(fā)器模塊化結(jié)構(gòu)，不改變脈沖變壓器副邊接地點(diǎn)，只需將自擊穿型快充放電Marx部分與脈沖變壓器部分兩接線頭對(duì)調(diào)后即可改變觸發(fā)器輸出脈沖極性，因此能夠滿足不同場(chǎng)合需求。
[0028]進(jìn)一步地，自擊穿型快充放電Marx部分的級(jí)數(shù)可以是2?10級(jí)，可以根據(jù)需要自行調(diào)整自擊穿型快充放電Marx的級(jí)數(shù)，使用靈活。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]其中，SCR為晶閘管串，D為二極管，C為原邊充電電容，T為脈沖變壓器，gl、g2……
gN為自擊穿球電極，......CN為副邊儲(chǔ)能電容，Ln、L12為相互配合的耦合電感，L21、L22為相互配合的耦合電感，LN1、LN2為第N級(jí)相互配合的耦合電感，自擊穿型快充放電Marx部分為N(2?10)級(jí)；gQ為隔直球隙，CQ為隔直電容。

【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0032]一種新型脈沖變壓器型觸發(fā)器，包括依次串聯(lián)的原邊驅(qū)動(dòng)部分、脈沖變壓器部分、自擊穿型快充放電Marx部分、隔直保護(hù)部分。
[0033]串聯(lián)結(jié)構(gòu)即為:原邊驅(qū)動(dòng)部分的輸出端與脈沖變壓器部分的輸入端相連，脈沖變壓器部分的輸出端與自擊穿型快充放電Marx部分的輸入端相連，自擊穿型快充放電Marx部分的輸出端與隔直保護(hù)部分的輸入端相連，最后隔直保護(hù)部分的輸出用于產(chǎn)生高壓脈沖。
[0034]為了減小漏感，采用提高原邊電壓減小變比的方法。固體開關(guān)中，晶閘管的通流能力大，但是普通晶閘管開關(guān)耐壓只有2500V，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求，所以前級(jí)采用晶閘管串聯(lián)作為原邊驅(qū)動(dòng)回路的開關(guān)。系統(tǒng)后級(jí)快充放電Marx部分球電極兼顧波形陡化和電壓疊加作用。接收到光纖信號(hào)后，已經(jīng)用高壓模塊充好電的原邊電容經(jīng)晶閘管串對(duì)脈沖變壓器快速放電，脈沖變壓器產(chǎn)生的高幅值快前沿脈沖對(duì)自擊穿型Marx進(jìn)行快速充電，伴隨著各級(jí)球隙的同步擊穿放電同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓幅值的疊加以及脈沖前沿的陡化。
[0035]本發(fā)明觸發(fā)器主電路結(jié)構(gòu)為:主電路包括前級(jí)晶閘管串聯(lián)同步觸發(fā)、脈沖變壓器、高壓恒流模塊、自擊穿型快充放電Marx部分、隔直保護(hù)部分。
[0036]主放電電容經(jīng)過晶閘管串與脈沖變壓器的原邊串聯(lián)，晶閘管串的陰極和脈沖變壓器原邊一端共同接地，高壓充電模塊對(duì)主放電電容充電恒流充電，脈沖變壓器副邊輸出端接自擊穿型Marx，采用耦合電感隔離。變壓器副邊輸出端負(fù)極接地。主充電電容采用高壓恒流模塊進(jìn)行快速充電，其一端接地。一端接充電電容正極，也即是晶閘管串的陽(yáng)極。
[0037]所述的晶閘管串采用靜態(tài)電阻均壓保護(hù)，動(dòng)態(tài)阻容電路進(jìn)行緩沖保護(hù)，晶閘管的同步觸發(fā)是由電容經(jīng)MOSFET對(duì)一個(gè)單原邊多副邊的電流變壓器放電實(shí)現(xiàn)，觸發(fā)電流的前沿和幅值由副邊串接的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。所述的脈沖變壓器采用環(huán)形磁芯結(jié)構(gòu)，較小磁芯體積和提尚磁芯利用率。
[0038]所述的自擊穿型快充放電Marx，采用放電球隙經(jīng)過耦合電感進(jìn)行隔離。脈沖變壓器副邊輸出高壓脈沖時(shí)，耦合電感處于同名端連接方式，電感相互削減，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)副邊電容的快速充電。待副邊電容電壓滿足球電極的自擊穿條件時(shí)，球隙同步擊穿，此時(shí)耦合電感處于異名端連接方式，電感相互增強(qiáng)，從而增大隔離電感的阻抗，提高隔離效果，使得電容放電回路只是副邊電容、球電極和連接它們的導(dǎo)線，而不經(jīng)過耦合電感。自擊穿型快充放電Marx級(jí)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要在2?10級(jí)內(nèi)調(diào)整。
[0039]參見圖1，一種新型脈沖變壓器型觸發(fā)器，包括；原邊驅(qū)動(dòng)部分、脈沖變壓器部分、自擊穿型快充放電Marx部分、隔直保護(hù)部分。
[0040]接收到光纖信號(hào)后，已經(jīng)用高壓充電模塊充好電的原邊電容經(jīng)晶閘管串同步導(dǎo)通對(duì)脈沖變壓器快速放電，脈沖變壓器產(chǎn)生的高幅值快前沿脈沖對(duì)自擊穿型快充放電Marx進(jìn)行快速充電，伴隨著N對(duì)球隙的同步擊穿放電實(shí)現(xiàn)電壓幅值的N倍疊加以及脈沖前沿的陸化。
[0041]原邊充電電容C容量為0.lyF?10 4?，充電電壓為31^?10kV;SCR為晶閘管串，整體耐壓與原邊充電電容充電電壓配合，安全起見，留有一定裕度。晶閘管串導(dǎo)通時(shí)間小于1 μ S ;如上所述構(gòu)成原邊驅(qū)動(dòng)部分。脈沖變壓器Τ輸出電壓幅值在30kV?80kV，前沿
0.1 μ s?100 μ s，如上所述構(gòu)成脈沖變壓器部分。相互配合的LN1和L N2起隔離作用時(shí)電感值為0.1mH?100mH，相互削弱時(shí)電感值為1 μ Η?50 μ Η ;球電極gN直徑為15_?40_，間隙距離為2mm?7mm ;副邊儲(chǔ)能電容CN容值為1000pF?5000pF，耐壓與脈沖變壓器副邊輸出電壓配合；如上所述為自擊穿型快充放電Marx部分。隔直球電極g(!直徑為15mm?40mm，間隙距離為5mm?30mm ;隔直電容Q容值為500pF?3000pF，耐壓與觸發(fā)器輸出電壓配合；如上所示為保護(hù)部分。
[0042]下面給出一些參數(shù)變化的實(shí)施例。
[0043]實(shí)施例1
[0044]本實(shí)施例為一種用于兩電極高庫(kù)倫大電流氣體開關(guān)的觸發(fā)器，自擊穿型快充放電Marx級(jí)數(shù)為3級(jí)，原邊充電電容容值取0.5 μ F，充電5.7kV，脈沖變壓器輸出幅值+45kV、前沿1.7 μ s的脈沖電壓；副邊三個(gè)電容均取值1700pF，50kV耐壓；三個(gè)球隙同步擊穿實(shí)現(xiàn)幅值疊加、前沿陡化。兩電極高庫(kù)倫大電流氣體開關(guān)在充空氣10個(gè)大氣壓情況下，能可靠擊穿。
[0045]實(shí)施例2
[0046]本實(shí)施例為一種用于兩電極高庫(kù)倫大電流氣體開關(guān)的觸發(fā)器，自擊穿型快充放電Marx級(jí)數(shù)為5級(jí)，原邊充電電容容值取5 yF，充電3kV，脈沖變壓器輸出幅值+25kV、前沿10 μ s的脈沖電壓；副邊四個(gè)電容均取值3000pF，35kV耐壓；五個(gè)球隙同步擊穿實(shí)現(xiàn)幅值疊加、前沿陡化。兩電極高庫(kù)倫大電流氣體開關(guān)在充空氣8個(gè)大氣壓情況下，能可靠擊穿。
[0047]實(shí)施例3
[0048]本實(shí)施例為一種用于兩電極高庫(kù)倫大電流氣體開關(guān)的觸發(fā)器，自擊穿型快充放電Marx級(jí)數(shù)為6級(jí)，原邊充電電容容值取3 yF，充電2kV，脈沖變壓器輸出幅值_20kV、前沿15 μ s的脈沖電壓；副邊三個(gè)電容均取值2000pF，30kV耐壓；六個(gè)球隙同步擊穿實(shí)現(xiàn)幅值疊加、前沿陡化。兩電極高庫(kù)倫大電流氣體開關(guān)在充空氣9個(gè)大氣壓情況下，能可靠擊穿。
【權(quán)利要求】
1.一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，其特征在于，包括依次串聯(lián)的原邊驅(qū)動(dòng)部分、脈沖變壓器、自擊穿型快充放電Marx部分及隔直保護(hù)部分； 原邊驅(qū)動(dòng)部分包括充電模塊、晶閘管串及原邊充電電容，原邊充電電容采用充電模塊進(jìn)行快速充電，充電模塊一端接原邊充電電容正極及晶閘管串的陽(yáng)極，另一端接地；原邊充電電容與晶閘管串及脈沖變壓器原邊串聯(lián)；晶閘管串陰極和脈沖變壓器原邊的一個(gè)端點(diǎn)共同接地； 自擊穿型快充放電Marx部分包括若干級(jí)，每一級(jí)都包含一對(duì)耦合電感、一個(gè)副邊電容及一對(duì)放電球電極，放電球電極的一端與副邊電容相連，另一端與耦合電感的一端相連，耦合電感與副邊電容間隔串聯(lián)；脈沖變壓器副邊輸出端正極與自擊穿型快充放電Marx部分的輸入端相連，脈沖變壓器副邊輸出端負(fù)極接地； 隔直保護(hù)部分包括串聯(lián)的隔直球隙和隔直電容，且隔直球隙和隔直電容設(shè)置于自擊穿型快充放電Marx部分與兩電極高庫(kù)倫大電流氣體開關(guān)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，其特征在于，所述晶閘管串采用靜態(tài)電阻均壓、動(dòng)態(tài)阻容電路進(jìn)行緩沖保護(hù)，晶閘管的同步觸發(fā)是由電容經(jīng)MOSFET對(duì)一個(gè)單原邊多副邊的電流變壓器放電實(shí)現(xiàn)，觸發(fā)電流的前沿和幅值由電流變壓器副邊串接的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，其特征在于，在晶閘管的兩端并聯(lián)有用于保護(hù)晶閘管的反向快速續(xù)流二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，其特征在于，脈沖變壓器采用低漏感繞組分布形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，其特征在于，自擊穿型快充放電Marx部分通過耦合電感進(jìn)行隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，其特征在于，當(dāng)脈沖變壓器副邊輸出高壓脈沖時(shí)，耦合電感處于同名端連接方式；當(dāng)副邊電容電壓滿足球電極的自擊穿條件時(shí)，各個(gè)球隙同步擊穿，耦合電感處于異名端連接方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，其特征在于，所述自擊穿型快充放電Marx部分在接收到光纖信號(hào)之前處于不帶電狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，其特征在于，自擊穿型快充放電Marx部分的級(jí)數(shù)為2?10級(jí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，其特征在于，相對(duì)應(yīng)的一對(duì)耦合電感繞制于同一塊閉合磁芯上，同一閉合磁芯上的一對(duì)親合電感膽數(shù)一致；且閉合磁芯截面滿足每一級(jí)球電極放電時(shí)加在耦合電感上的脈沖電壓的伏秒積。
10.根據(jù)權(quán)要求I所述的一種脈沖變壓器型觸發(fā)器，其特征在于，該觸發(fā)器輸出的電壓脈沖為正負(fù)雙極性，將自擊穿型快充放電Marx部分與脈沖變壓器部分兩接線頭對(duì)調(diào)則改變觸發(fā)器輸出脈沖極性。
【文檔編號(hào)】H03K17/567GK104467772SQ201410654136
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】楊蘭均, 李晨輝, 霍鵬, 安珊, 劉瞻 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)