CN102158206B - 一种多级串联直线型变压器驱动源的同步触发方法 - Google Patents

Abstract

本发明是由数十级感应腔串联构成的大型快放电直线变压器型驱动源的新型触发方法。采用包含n组触发单元的触发系统为最上游的n级感应腔提供外触发脉冲，实现对应感应腔那气体火花开关的强触发闭合；前n级感应腔通过次级电磁感应的电压叠加后的电磁脉冲沿次级传输线传播达到(n+1)级感应腔；第(n+1)级感应腔内开关通过磁芯耦合，将次级传输线中的过电压电磁脉冲施加于自身的气体火花开关而实现开关的快速过电压击穿闭合，直至电磁脉冲达到负载。采用该触发方法将提高LTD装置及其触发系统的运行可靠性，对推广LTD在惯性约束聚变、聚变能源等国防领域的应用具有重要价值，实现次级耦合触发将使LTD技术获得突破性发展。

Description

一种多级串联直线型变压器驱动源的同步触发方法

技术领域

本发明涉及由数十级感应腔(Cavity)串联构成的大型快放电直线变压器型驱动源(Fast Discharging Linear Transformer Driver，英文简称LTD)的新型触发方法。其独特之处：多级感应腔串联LTD下游感应腔内气体火花开关通过自身磁芯(Magnetic cores)电磁感应，耦合来自上游感应腔、沿次级传输线(internal transmissionline)传播的电磁脉冲实现多级感应腔开关依次被耦合的高幅值过电压触发击穿闭合，可显著简化多级串联LTD脉冲源对触发系统的要求。

技术背景

近年来，快放电直线变压器型驱动源(以下采用英文简称LTD描述)成为国际脉冲功率驱动源技术的研究热点，与传统的基于Marx发生器和水线技术产生高电压大电流功率脉冲的途径不同，LTD实现了低电感电容器直接通过气体火化开关放电(DischargingBrick)产生上升时间100ns的高功率脉冲。脉冲电流可通过增加感应腔内放电支路的并联数实现，电压的增加通过多级感应腔的串联实现：其基本电路结构为初级多个支路多级依次对变压器放电，利用同一次级将多级感应腔电压串联叠加的脉冲变压器组，对每一支路都是变比为1∶1的变压器。国际上流行的LTD感应腔的电容器充电电压为±100kV，对匹配负载放电可产生峰值为100kV的脉冲电压；其输出电流主要由感应腔内放电支路的电气参数和并联支路数决定，目前国际上最大的LTD感应腔为40个放电支路并联，每个支路由中间串接气体开关的2只40nF的电容器包围磁芯的回路构成，单个感应腔输出最大电流峰值为1000kA。要达到惯性约束核聚变、闪光照像，乃至聚变能源等领域的要求，基于LTD技术的脉冲功率驱动源需要由数十乃至几百路输出电压高达数兆伏的子驱动源(Module)并联而成；而每路子驱动源又需要数十级感应腔串联而成，如此庞大的系统包含数万到数十万支气体火花开关，要保证如此大量的开关阵列的协同工作，按每级感应腔提供4路触发脉冲，其触发系统要求提供数万路高电压(大于120kV)快前沿(约20ns)的触发脉冲，触发时序可以控制，同时必须满足极高运行可靠性(低运行失败概率)和极低输出抖动。国内外都在积极开展大规模LTD开关阵列的同步触发技术研究，目前产生如此触发脉冲的方法是采用低电感脉冲电容器通过短间隙高压气体火化开关向输出电缆快放电，产生多路触发脉冲。然而由于气体火花开关本身固有击穿延时抖动和一定的自放概率，要实现感应腔内开关闭合的精确控制，必须要尽可能减小触发系统输出抖动。曾研制的一套开路输出电压130KV以上的触发器，系统整体输出抖动小于5ns，但运行1年后其自放概率较高。对电触发气体火花开关来说，同时取得低抖动和高工作可靠性(极低的自放概率和触发失败概率)的要求是互相矛盾的。

此外强激光触发气体火花开关可实现气体火花开关工作同时具备低抖动和高可靠性。然而，触发需要的激光功率极高(MW以上)，

一般需专业的大功率激光器才能提供如此的强激光脉冲。同时保证数万只气体火花开关同步放电，激光系统本身的可靠性就是很大的问题。另外，激光器工作前的聚焦和光路调整使得以强激光触发系统为基础构建LTD触发系统方案的可行性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种多级串联LTD大规模开关阵列的同步触发方法，降低对触发系统的要求，实现数多级串联LTD开关的感应过电压触发闭合。

本发明的结构原理图见附图。其核心思想是：对于一路包含数十级感应腔串联的LTD装置，仅需为上游几级感应腔(例如前五级)内开关提供外触发脉冲，实现强触发快速闭合。已经闭合的上游感应腔通过次级电磁感应产生电压叠加的电磁脉冲将沿着次级传输线向负载方向传播。首先与电磁脉冲相遇的开关保持开路的一级感应腔内开关将通过其磁芯感应耦合前几级产生的过电压，而后续感应腔内开关感应电压则随其位置逐渐降低。实际应用中，LTD开关在如此高的过电压作用下能够快速闭合。因此，对于数十级感应腔串联LTD，仅向其上游几个感应腔提供外触发脉冲，下游感应腔能够通过其次级传输线(通过磁芯)感应到过电压而实现快速触发。

本发明的一种数十级感应腔(Cavity)串联构成的大型快放电直线变压器型驱动源的一种新型同步触发方法，其特征在于：

1)采用包含n组(n不小于3即可)触发单元的触发系统为最上游的n级感应腔提供外触发脉冲，实现对应感应腔气体火花开关的强触发闭合；

2)n组触发单元与上游的n级感应腔对应；

3)前n级感应腔通过次级电磁感应的电压叠加后的电磁脉冲沿次级传输线传播达到(n+1)级感应腔；

4)第(n+1)级感应腔内开关通过磁芯耦合，将次级传输线中的过电压电磁脉冲施加于自身的气体火花开关而实现开关的快速过电压击穿闭合；

5)依次类推，直至电磁脉冲达到负载。

2.根据权利1所述的触发方法，次级传输线采用高介电常数电介质绝缘。

3.根据权利1所述的触发方法，n组触发单元与上游的n级感应腔对应；每组触发单元采用2～4路长度相同的高压同轴电缆(每路长度大于5米)与相应的感应腔对接，为感应腔内气体火花开关提供幅值高于100kV，前沿小于30ns的快前沿脉冲。

4.根据权利1所述的触发方法，触发单元之间输出的脉冲电压的分散性标准偏差(1σ)应小于5ns。

5.根据权利1所述的触发方法，感应腔内部磁芯应选用高频磁芯(响应时间小于20-ns)，以便能够将沿次级传输线传播的快电磁脉冲耦合到感应腔内部的放电支路，实施开关的快速过电压击穿。

6.根据权利1所述的触发方法，感应腔内部的闭合开关应选用承受过电压不会损坏的高压气体火花开关，实施开关的快速过电压击穿。

7.根据权利1所述的触发方法，感应腔内部器件及其之间的绝缘在作用时间小于30ns的情况下，应该能够耐受大于600kV的快速过电压。保证在开关过电压闭合前不会造成内部器件的过电压损坏。

上述触发方法可以适用于LTD驱动源的次级传输线采用高介电常数电介质绝缘(去离子水或甘油)的情况。

附图说明

图1第五级感应腔内开关闭合后，不同感应腔内开关感应到的电压。

图2上游感应腔内开关闭合后，紧随其后的感应腔内开关感应到的过电压。

图3两种触发方式施加到开关两个子间隙上的电压波形。

图4给出了假定感应腔内开关在不同过电压幅值下击穿闭合时，第60级感应腔内磁芯承受过电压及其伏秒积分，(a)施加于第60级感应腔内磁芯的过电压(b)第60级内感应腔磁芯的伏秒积分。

图5施加于第60级感应腔内磁芯的过电压及其伏秒积分

图6是发明结构原理图

具体实施方式

下面将从两个方面阐述次级耦合过电压触发LTD方案及可行性。

(1)下游感应腔开关通过磁芯耦合获得快速过电压的可行性

当仅为上游几级感应腔(例如前五级)内开关通过外触发方式实现触发击穿闭合，上游几级感应腔通过次级电磁感应产生电压叠加的电磁脉冲将沿着次级传输线向负载方向传播，第六级感应腔内开关将通过其磁芯感应耦合前几级产生的过电压，后续感应腔内开关感应电压则随其位置逐渐降低，如图1所示。如果第六级感应腔内开关一直保持断开状态，其感应电压将达到前几级电压之和(约1000kV)。实际上LTD开关在感应过电压达到1000kV以前就已经闭合。同理，第六级感应腔内开关闭合后紧随其后的第七级感应腔就将感应到更高的过电压。图2给出了当第N级感应腔内开关闭合后，N+1级感应腔内开关感应到的过电压(假定第N+1级及其下游的感应腔内开关全部保持开路状态)。可得到，随着更多的感应腔因其内部开关感应到的过电压而闭合，下游感应腔内开关在闭合前感应到的过电压幅值将越来越高，有利于下游感应腔内开关的快速击穿闭合。(2)次级耦合过电压触发目前LTD常用气体开关方案及可行性

依据目前公开报道和我们自己的研究成果，要实现LTD气体开关具有较低抖动(1-2ns(1-δ))，外触发电压脉冲电压要达到120kV，前沿小于30ns。这里通过电路仿真给出了气体开关通过次级耦合的过电压脉冲和外部提供的触发电压脉冲的波形比较如下图3所示。当电压脉冲施加于触发电极以后，由触发电极隔离而形成的两个间隙将承受不同的电场，一个间隙电场得到加强，另一个间隙电场在外加触发电压脉冲作用下降，直到第一个子间隙击穿。因此，在外触发脉冲的作用下，开关两个子间隙是级联击穿，其击穿延时等于两个子间隙击穿延时之和。而当开关通过磁芯耦合到过电压后，其两个子间隙内的电场强度同时增强。这两个子间隙具有近似相同的闭合延时。

依据气体击穿的经验公式：

$\mathrm{\ρ\τ}=97800{\left(\frac{E}{\mathrm{\ρ}}\right)}^{-3.44}$

(1)其中，ρ是气体密度，单位g/cm³；τ是气体间隙的击穿延时，单位s；E是间隙平均电场强度，单位kV/cm。目前，俄罗斯大电流所研制的多间隙串联气体开关在LTD驱动源得到较普遍应用。自研多间隙串联气体开关充电±100kV，充高纯氮气0.35MPa时工作系数为70％。根据图3，下游感应腔内开关闭合前感应的过电压具有更高幅值和更快前沿。这里仅给出了第6级感应腔内开关击穿的分析结果。对于一个600kV过电压脉冲，采用公式(1)计算开关的击穿延时约为2ns，开关感应的过电压脉冲上升到600kV需要大约10ns。因此可以推测多间隙开关能够在上游感应腔电脉冲传输到该级感应腔之后的约12ns实现快速闭合导通。

(2)磁芯在耦合过电压下的工作方案及可行性

开关是通过感应腔内的磁芯感应次级传输线传递的电压脉冲，因此磁芯也要承受较高过电压。目前LTD装置中使用的磁芯材料与IVA(感应电压加速器)类似的50μm的硅钢夹绝缘膜磁芯和25μm的非晶磁芯。目前它们在IVA装置的运行结果表明，可以安全耐受1MV以上的亚微秒高压脉冲。数值计算结果表明，下游感应腔内磁芯感应的过电压较高。

从图4可以看出，LTD采用次级耦合过电压触发时，仅需稍微增强磁芯的绝缘水平，而磁芯伏秒积分能够满足要求，在耦合过电压脉冲作用下不会饱和。

LTD感应腔内基本器件只有3个：开关、电容器和磁芯。在开关闭合前每个支路都不可能通过传导电流，电容器两端电压不会发生突变，将保持充电电压。因此，采用次级耦合触发方式仅需要增强开关外绝缘能力和磁芯匝间绝缘能力。采用该触发方法将大大简化LTD装置的触发系统，提高LTD装置及其触发系统的运行可靠性。

本发明对推广LTD在惯性约束聚变、聚变能源和闪光照相等国防与民用领域的应用具有重要经济军事价值，实现次级耦合触发将使LTD技术获得突破性发展。

Claims (5)

1.一种数十级感应腔(Cavity)串联构成的大型快放电直线变压器型驱动源的一种同步触发方法，其特征在于：

1)采用包含n组触发单元的触发系统为最上游的n级感应腔提供外触发脉冲，实现对应感应腔气体火花开关的强触发闭合；

2)n组触发单元与上游的n级感应腔对应；

3)前n级感应腔通过次级电磁感应的电压叠加后的电磁脉冲沿次级传输线传播达到(n+1)级感应腔；

4)第(n+1)级感应腔内开关通过磁芯耦合，将次级传输线中的过电压电磁脉冲施加于自身的气体火花开关而实现开关的快速过电压击穿闭合；

5)依次类推，直至电磁脉冲达到负载；n不小于3。

2.根据权利1所述的触发方法，n组触发单元与上游的n级感应腔对应；每组触发单元采用每路长度大于5米的2～4路长度相同的高压同轴电缆与相应的感应腔对接，为感应腔内气体火花开关提供幅值高于100kV，前沿小于30ns的快前沿脉冲。

3.根据权利1所述的触发方法，感应腔内部磁芯应选用高频磁芯，所述高频磁芯的响应时间小于20-ns，以便能够将沿次级传输线传播的快电磁脉冲耦合到感应腔内部的放电支路，实施开关的快速过电压击穿。

4.根据权利1所述的触发方法，感应腔内部的闭合开关应选用承受过电压不会损坏的高压气体火花开关，实施开关的快速过电压击穿。

5.根据权利1所述的触发方法，感应腔内部器件及其之间的绝缘在作用时间小于30ns的情况下，应该能够耐受大于600kV的快速过电压。

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