CN101667819A - 用于触发系统的双电源脉冲发生器 - Google Patents

用于触发系统的双电源脉冲发生器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于触发系统的双电源脉冲发生器。具体而言，一种双电源脉冲发生器(10)，其与具有第一电极(255a)、第二电极(255b)和位于其间的空气间隙(265)的电极对(255)形成电源连接。双电源脉冲发生器(10)包括：第一脉冲源(100)，其产生跨接电极对(255)的高电压低电流脉冲以允许电介质击穿；以及第二脉冲源(200)，其与第一脉冲源(100)的输出并联地电性连接，以及响应于高电压低电流脉冲而产生低电压高电流脉冲，从而在电极对(255)的相同电极(255)之间产生高密度等离子电流。

Description

用于触发系统的双电源脉冲发生器
技术领域
本发明涉及用于触发系统的电流脉冲发生器。更具体而言，本发明涉及一种用于触发系统的双电源脉冲发生器。
背景技术
通常，高电流脉冲源在高电压的功率切换装置中具有多种应用，举例来说，这些切换装置例如为用于触发电弧闪光缓解装置的烧蚀性等离子枪、轨道枪、火花间隙开关、照明镇流器以及串联电容器保护装置。通常，这些装置包括由空气或气体的主间隙分隔开的两个或多个主电极，且偏压跨接主间隙而施加到主电极上。
高电流脉冲源提供高电流脉冲，以触发烧蚀性等离子枪在主电极之间产生传导性烧蚀等离子蒸汽。例如，高电流脉冲通常大于大约5,000安培(5kA)，以产生足够的等离子蒸汽。还有，大于大约5,000伏特(5kV)的高电压用于克服空气的击穿电压，并启动跨接脉冲电极的高电流脉冲。通常，高电流脉冲如雷电电流脉冲，限定为具有8μs的上升时间/20μs的下降时间。高电流脉冲通常通过可具有处于毫法范围内的电容值的高能高电压电容器放电来产生。高电压高能电容器十分昂贵，并且使得单电容器脉冲源对除了一些实验设备外的大多数应用来说在经济上是不可行的。因此，需要一种成本效益合算的用于触发系统的脉冲发生器系统。
发明内容
本发明的示例性实施例提供了一种用于触发系统的双电源脉冲发生器。该双电源脉冲发生器与具有第一电极、第二电极及位于其间的空气间隙的一对电极形成电源连接(power connection)。该双电源脉冲发生器包括：第一脉冲源，其产生跨接该对电极的高电压低电流脉冲以容许电介质击穿，以及第二脉冲源，其并联地与第一脉冲源的输出及该对电极电性连接，并响应于高电压低电流脉冲而产生低电压高电流脉冲，从而在该对电极的相同电极之间产生高密度等离子的电流。
本发明的另一个示例性实施例提供了一种烧蚀性等离子枪。该烧蚀性等离子枪包括：具有开口的筒体(barrel)；产生高电压低电流脉冲和低电压高电流脉冲的双电源脉冲发生器；以及一对电极，其具有形成于其间的空气间隙，经由单对导体与双电源脉冲发生器形成电源连接，以及接收高电压低电流脉冲和低电压高电流脉冲。所产生的电弧跨接空气间隙，以响应于高电压低电流脉冲和所产生的低电压高电流脉冲而生成从筒体开口射出的传导性等离子蒸汽。
通过本发明示例性实施例的技术实现了另外的特征和优点。本发明的其它实施例和方面在本文中进行了详细描述，且视作为要求得到专利保护的本发明的一部分。参看说明和附图，以更好地理解具有其优点和特征的本发明。
附图说明
图1为可在本发明的实施例内实施的用于触发系统的双电源脉冲发生器的电路图。
图2为可在本发明的实施例内实施的烧蚀性等离子枪和图1中的双电源脉冲发生器的简图。
图3为可在本发明的实施例内实施的图2中的烧蚀性等离子枪的筒体的简图。
图4为可在本发明的实施例内实施的图3中所示的电极对的简图。
图5为可在本发明的示例性实施例内实施的电弧闪光缓解装置的简图。
零件清单
10双电源脉冲发生器
20烧蚀性等离子枪
25筒体
35开口
40等离子蒸汽
50烧蚀材料
60触发信号或启动信号
100第一脉冲源
110整流器
115二极管
125电阻器
128阻容充电电路
130电容器
132开关
135高电压脉冲变压器
140初级绕组
145次级绕组
150火花间隙(二极管)
160二极管
200第二脉冲源
210整流器
215电阻器
220电容器
225电阻器
230阻容充电电路
235电感器
240二极管
245放电开关
250导线对
255电极对
255a第一电极
255b第二电极
260电弧
265空气间隙
300电弧闪光缓解装置
310a主电极
310b主电极
315主间隙
320保护电弧
具体实施方式
现转到更为详细的附图，在图1中将会看到用于触发系统例如烧蚀性等离子枪20(如图2中所示)的双电源脉冲发生器10。本发明不限于用在烧蚀性等离子枪上，且因此可用于在其它应用如轨道枪、火花间隙开关、照明镇流器、串联电容器保护电路等中发出高电流脉冲。
根据示例性实施例，双电源脉冲发生器10包括第一脉冲源100，即高电压(低电流)脉冲源100，以及第二脉冲源200，即低电压(高电流)脉冲源200。控制器(未示出)将触发信号或启动信号60(图5中所示)供送给高电压脉冲源100和低电压脉冲源200。
根据示例性实施例，高电压脉冲源100和低电压脉冲源200与电极对255(例如，图3和图4中所示的第一电极255a和第二电极255b)形成电源连接。高电压脉冲源100产生跨接电极对255的高电压低电流脉冲以容许电介质击穿。低电压高电流脉冲源200与高电压低电流脉冲源100的输出电性连接，并响应于高电压低电流脉冲而产生低电压高电流脉冲，从而在电极对255的电极255a和255b之间产生高密度等离子电流。
例如，如图1中所示，高电压脉冲源100可为电容器放电电路或脉冲变压器。根据当前的示例性实施例，高电压脉冲源100包括与电源(未示出)形成电源连接的整流器110、二极管115如设置成与整流器110串联的可控硅整流器(SCR)、形成阻容充电电路128的电阻器125和电容器130，以及设置成与电容器130串联的开关132。高电压脉冲源还包括具有初级绕组140和次级绕组145的高电压脉冲变压器135，以及二极管150(即火花间隙)。初级绕组140经由开关132与电源形成电源连接，次级绕组与电极对255形成电源连接，以及二极管160电性连接在次级绕组145与电极对255的第一电极255a之间。
根据示例性实施例，低电压脉冲源200包括与电源和阻容充电电路230形成电源连接的整流器210，该阻容充电电路230包括电阻器215和电容器220。电容器220与电极对255并联，而电阻器215与电容器220串联。低电压脉冲源200还包括电阻器225、电感器235、二极管240和放电开关245。现在将详细描述高电压脉冲源100和低电压脉冲源200的运行。
根据示例性实施例，高电压脉冲源接收大约120伏特至480伏特的第一电压的交流电。例如，电容器130充电至大约240V的预定电压。当双电源脉冲发生器10通过触发信号60(例如，图5中所示)受到触发时，开关132闭合，且经由脉冲变压器135的初级绕组140将脉冲发送到火花间隙150中，并且火花间隙150在电容器130的预定电压下短路或击穿。作为响应，通过变压器135的次级绕组145跨接电极对255形成第二电势，且因此产生大约15,000V的高电压(低电流)脉冲输出，其高到足以克服在电极对255的第一电极255a与第二电极255b之间间隙265(图4中所示)处的空气击穿电压。最初，高电压脉冲施加到第一电极255a和第二电极255b上，以减小空气间隙265的阻抗，并触发低电压脉冲源200。此时，形成在空气间隙265之间的电弧260(图4中所示)为低能电弧，但由于击穿电压而使得阻抗显著减小。
此外，例如如图1中所示，根据示例性实施例，低电压脉冲源200为电容放电电路。因此，使用微法级电容器，通过电容器放电获得了低电压脉冲源200，该电容器在低于大约1kV的电压下产生大约5kA的高电流。低电压脉冲源200接收来自于电源的大约480VAC(交流电压)的第二电压，且电容器220充电至大约600V。低电压(高电流)脉冲源200随后受到触发而跨接同一电极对255，由于高压电弧260而使得该电极对255的阻抗显著减小。尽管电压较低，但这容许高电流流过该电极对255。因此，电弧260由于其容许高电流流动，故其能量显著增大。也就是说，高电压低电流脉冲最初施加到电极对255上来减小空气间隙265的阻抗，且在空气间隙265之间形成电弧260，以及低电压高电流脉冲之后受到触发而跨接同一电极对255，以使得高电流能够流过该电极对255。
根据示例性实施例，二极管240阻止高电压电流流入低电压脉冲源200中。
根据示例性实施例，高电压脉冲源100和低电压脉冲源200通过整流电桥连接在一起。
根据示例性实施例，电极对255的使用降低了枪筒电离要求。
图2为使用双电源脉冲发生器10(例如，图1中所示)的烧蚀性等离子枪20的简图。等离子枪20包括具有高电压脉冲源100和低电压脉冲源200的双电源脉冲发生器10，以及单对导线250。等离子枪20还包括筒体25，筒体25含有开口35。等离子枪20从开口35中射出等离子蒸汽40。
图3为图2中的烧蚀性等离子枪20的筒体25的简图。图3示出了等离子枪20具有位于筒体25中的电极对(第一电极255a和第二电极255b)、烧蚀材料杯(cup)50，以及开口35。当双电源脉冲发生器10与烧蚀性等离子枪形成电源连接时，双电源脉冲发生器10向烧蚀性等离子枪20提供高电压(低电流)脉冲和低电压(高电流)脉冲，等离子枪20产生跨接空气间隙265的电弧260，其加热并烧蚀该烧蚀材料，以产生传导性等离子蒸汽40。
图4为图3中所示的烧蚀性等离子枪的电极对的简图。电极对255(第一电极255a和第二电极255b)设置成位于筒体35内部彼此靠近。电极255a和255b与单对导线250形成电源连接。电弧260在电极255a和255b之间产生。电弧260可包括设置在电极255a和255b之间的一条以上的电弧。根据本发明的示例性实施例，电弧260的产生表示高电压低电流脉冲和低电压高电流脉冲。
图5为可在本发明的示例性实施例内实施的电弧闪光缓解装置的简图。如图5中所示，具有与烧蚀性等离子枪20(图2中所示)连通的主电极310a和310b的电弧闪光缓解装置300与双电源脉冲发生器10(图1中所示)形成电源连通。双电源脉冲发生器10接收启动信号或触发信号60，且继而又将脉冲发送给烧蚀性等离子枪20，这致使烧蚀性等离子枪20将等离子蒸汽40喷射到电弧缓解装置300的主电极310a和310b之间的主间隙315中，从而引起保护电弧320。本发明的双电源脉冲发生器10不限于用于电弧闪光缓解装置，且因此可用于例如触发轨道枪、火花间隙开关、照明镇流器、以及串联电容器保护装置。
根据本发明的示例性实施例，双电源脉冲发生器10的使用所提供的优点在于，由于其容许高电流的流动，故电弧的能量较高。此外，将低电压构件用在高电流脉冲电路上容许双电源脉冲发生器10的成本效益合算且尺寸紧凑。
尽管已参照示例性实施例描述了本发明，然而本领域的技术人员将会认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可做出多种改变，并且可用等同物来代替其元件。此外，在不脱离本发明基本范围的情况下，可做出许多修改以使特定的情势或材料适应本发明所教导的内容。因此，所期望的是使本发明不限于作为为执行本发明而构思出的最佳方式所公开的具体实施例，而是，本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。此外，使用用语第一、第二等并不表示任何顺序或重要程度，而是用用语第一、第二等来将一个元件与另一个相区别。

Claims (10)

1.一种双电源脉冲发生器(10)，其与具有第一电极(255a)、第二电极(255b)和位于其间的空气间隙(265)的电极对(255)形成电源连接，所述双电源脉冲发生器(10)包括：
第一脉冲源(100)，其产生跨接所述电极对(255)的高电压低电流脉冲；以及
第二脉冲源(200)，其与所述第一脉冲源(100)的输出并联地电性连接，以及响应于所述高电压低电流脉冲而在所述电极对(255)的相同电极(255)之间产生低电压高电流脉冲。
2.根据权利要求1所述的双电源脉冲发生器(10)，其特征在于，所述第一脉冲源(100)和所述第二脉冲源(200)经由多个二极管(160，240)相连接。
3.根据权利要求1所述的双电源脉冲发生器(10)，其特征在于，所述第一脉冲源(100)包括：
与电源形成电源连接的整流器(110)；
设置成与所述整流器(110)串联的第一二极管(115)；
包括电容器(130)的充电电路(128)；
设置成与所述电容器(130)串联的开关(132)；
具有初级绕组(140)和次级绕组(140)的脉冲变压器(135)，所述初级绕组(140)经由所述开关(132)与所述电源形成电源连接，以及所述次级绕组(145)与所述电极对(255)形成电源连接；以及
在所述次级绕组与所述电极对(255)之间电性连接的第二二极管(160)。
4.根据权利要求1所述的双电源脉冲发生器(10)，其特征在于，所述第二脉冲源(200)包括：
与电源形成电源连接的整流器(210)；
与所述整流器(210)和所述电极对(255)形成电源连接的充电电路(230)。
5.根据权利要求4所述的双电源脉冲发生器(10)，其特征在于，所述充电电路(230)包括：
设置成与所述电极对(255)并联的电容器(220)；以及
与所述电容器(220)串联连接的第一电阻器(215)。
6.根据权利要求5所述的双电源脉冲发生器(10)，其特征在于，所述第二脉冲源(200)还包括：
电感器(235)；
与所述电感器(235)串联连接的第二电阻器(225)；以及
二极管(240)。
7.根据权利要求5所述的双电源脉冲发生器(10)，其特征在于，所述电容器(220)充电高至大约600V。
8.根据权利要求5所述的双电源脉冲发生器(10)，其特征在于，所述第二脉冲源(200)还包括在所述充电电路(230)与所述电极对(255)之间形成电源连接的放电开关(245)。
9.根据权利要求1所述的双电源脉冲发生器(10)，其特征在于，所述高电压低电流脉冲最初跨接所述电极对(255)而施加以减小所述空气间隙(265)的阻抗，并且在所述空气间隙(265)之间形成电弧(260)，以及低电压高电流脉冲受到触发而跨接所述电极对(255)，以使高电流能够流过所述电极对(255)。
10.根据权利要求1所述的双电源脉冲发生器(10)，其特征在于，所述第一脉冲源(100)接收电压为大约120伏特至480伏特的交流电流，以及所述第二脉冲源(200)接收电压为大约480伏特的交流电流。
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