CN102769407A - 一种基于ltd自同步开关的脉冲功率源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LTD自同步开关的脉冲功率源，包括外包导体；外包导体包括导体盒和导体棒，导体盒内设有多个磁环，导体棒竖直设于导体盒底部且贯穿所有磁环后伸出导体盒；磁环上绕有多个放电支路，多个放电支路串联成一条放电链路；多条放电链路串联后首尾对接构成闭环放电回路；放电支路由一储能器件和一开关串联而成。本发明脉冲功率源基于传统LTD基本结构，使得多个放电支路串联连接，一开关导通自动触发其余多开关同步过压导通，无需过多复杂的外部触发装置，同步过程简明可靠；通过多开关协同工作，即可获得可靠的高压脉冲输出，且能量损耗较低。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种基于LTD自同步开关的脉冲功率源。
背景技术
脉冲功率技术是对能量在空间和时间上进行压缩，把在长时间内储存起来的能量在极短的时间内瞬间释放以产生特定的物理或者化学效应的新兴技术，广泛应用于军事、勘探、医疗、能源、环境等领域。
常规的脉冲功率源包含有多个电容性储能器件，通过对储能器件高压充电，在空间上对能量进行压缩，通过闭合开关的快速导通放电，在时间上对能量进行压缩。近年来，LTD(Linear Transformer Driver，直线型变压器驱动源)以其生成的脉冲输出上升沿短、运行电压较低、多模块组合可获得灵活的输出参数等特点而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发生器技术产生高电压大电流功率脉冲的途径不同，LTD实现了电容性储能器件直接通过开关放电产生上升时间为纳秒量级的高功率大电流脉冲；LTD的基本结构如图1所示，其由变压器铁芯以及环绕于铁芯上的多个并联放电支路组成，每个支路由一电容和一开关串联形成闭环实现。
但在较高功率输出的场合下，LTD并联有多个放电支路，使用多开关瞬态转换技术对开关的同步性要求非常苛刻，所有开关全部导通的时间必须控制在纳秒量级，通常需采用外置触发电路来实现；而这种实现方式并不能从根本上保证同步的可靠进行，而且增加了系统的成本和复杂性，当开关数量较多时，技术难度会非常大；特别是用于产生高能强流脉冲时，对触发脉冲的功率等级要求非常高，系统非常复杂。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于LTD自同步开关的脉冲功率源，能够解决传统LTD多开关同步难的问题，实现可靠的高压脉冲输出。
一种基于LTD自同步开关的脉冲功率源，包括外包导体；所述的外包导体包括导体盒和导体棒，所述的导体盒内设有多个磁环，多个磁环以同心层叠排列且相邻磁环间存有间隙；所述的导体棒竖直设于导体盒底部且贯穿所有磁环后伸出导体盒；
所述的磁环上垂直方向绕有多个放电支路，多个放电支路按空间相邻位置关系串联成一条放电链路；多个磁环对应的多条放电链路按空间相邻位置关系串联后首尾对接构成闭环放电回路；
所述的放电支路由一储能器件和一开关串联而成。
所述的导体盒为一空心金属圆柱体，所述的圆柱体顶部开有供导体棒伸出的通孔。
所述的导体棒伸出导体盒的一端以及导体盒通孔边沿上的任一点构成了脉冲功率源的输出端口。
所述的储能器件需由初级电源对其充电；所述的初级电源为恒压电源、恒流电源或谐振电源等。
所述的磁环为铁氧体磁环、非晶体磁环、纳米晶体磁环、坡莫合金磁环、硅钢磁环或铁粉芯磁环等；优选地，所述的磁环为铁氧体磁环，能增加回路的二次阻抗，能量损耗低。
所述的储能器件为电容、脉冲形成线、Blumlein线、LC脉冲形成网络或Marx发生器等；优选地，所述的储能器件为电容，可以大幅减小充电电压，减小对初级电源的要求，也降低了绝缘防护强度。
所述的开关为火花开关、赝火花开关、氢闸流管、引燃管、晶闸管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、MOSFET(金氧半场效晶体管)、RSD(反向开关晶体管)或磁开关等；优选地，所述的开关为火花开关，造价低廉，触发导通能力强。
所述的闭环放电回路要实现同步导通需对其中的一个或多个开关进行触发，所述的触发采用电触发、紫外触发、激光触发或机械触发等方式实现。
本发明的工作原理为：当储能器件充电完成后，由于各放电支路串联后闭合成回路，使任一放电支路中的开关导通，都会自动触发其余放电支路的开关同步过压导通；通常对一个开关进行简单外置触发，以保证系统每次充电后都能正常工作，当所有开关都导通后，储能器件上的电能通过磁环耦合，以获得高压脉冲输出。
本发明脉冲功率源基于传统LTD基本结构，使得多个放电支路串联连接，一开关导通自动触发其余多开关同步过压导通，无需过多复杂的外部触发装置，同步过程简明可靠；通过多开关协同工作，即可获得可靠的高压脉冲输出，且能量损耗较低。
附图说明
图1为传统LTD的结构示意图。
图2为本发明脉冲功率源的结构示意图。
图3为图2中绕有放电支路的磁环的结构示意图。
图4为本发明脉冲功率源的一种实施示意图。
图5为本发明脉冲功率源的另一种实施示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
实施例1
如图2和图4所示，一种基于LTD自同步开关的脉冲功率源，包括外包导体；外包导体包括导体盒1和导体棒4，导体盒1内设有两个磁环2，两个磁环2以同心层叠排列且两磁环2间存有间隙；导体棒4竖直设于导体盒1底部且贯穿两个磁环2后伸出导体盒1。
本实施方式中，磁环2为铁氧体磁环；导体盒1为一空心金属圆柱体，圆柱体顶部开有供导体棒4伸出的通孔；导体棒4伸出导体盒1的一端与电阻性负载6的一端相连，电阻性负载6的另一端与导体盒1通孔边沿上的任一点相接。
如图3所示，每个磁环2上垂直方向绕有三个放电支路3，三个放电支路串联成一条放电链路；两个磁环2对应的两条放电链路串联后首尾对接构成闭环放电回路；放电支路3由一电容31和一火花开关32串联而成。
本实施方式脉冲功率源由两级放电模块组成，每级放电模块由绕于磁环上的三个放电支路组成，每个放电支路都包含有一电容和一火花开关；各模块间的放电链路以及模块中的各放电支路依次串联连接；这样任意一个火花开关的导通都会自动触发剩余的火花开关过压同步导通。
在装置触发前，利用恒压电源对装置中的各电容进行充电，在空间上对能量进行压缩；充电完成后，对装置中的任一放电支路中的火花开关进行电触发，则该火花开关对应的电容会向与之相邻的放电支路释放电能；相邻的放电支路中的电容充满电能，加上前一放电支路释放的电能，则该电容上具有两倍的充电电压，从而导致与之对应的火花开关过压导通，进而使得该电容中的电能向下一放电支路释放；依此使得整个闭环放电回路中的火花开关均触发导通，且所有火花开关触发导通所需的时间在纳秒量级内即能实现，以在时间上对能量进行压缩，此时能量通过磁环耦合，外包导体上感应出高压脉冲以输送至负载；若每一电容的充电电压均为V，每一放电支路的峰值电流均为I，则理论上负载可得到峰值电压为2V峰值电流为3I的高压脉冲。
故本实施方式的原理与变压器类似，整条闭环放电回路可视为原边，导体盒和导体棒构成副边以接负载。
实施例2
如图2和图5所示，一种基于LTD自同步开关的脉冲功率源，包括外包导体；外包导体包括导体盒1和导体棒4，导体盒1内设有两个磁环2，两个磁环2以同心层叠排列且两磁环2间存有间隙；导体棒4竖直设于导体盒1底部且贯穿两个磁环2后伸出导体盒1。
本实施方式中，磁环2为非晶体磁环；导体盒1为一空心金属圆柱体，圆柱体顶部开有供导体棒4伸出的通孔；导体棒4通过变阻抗线5与电阻性负载6相连，其伸出导体盒1的一端与变阻抗线5内层导体的一端相连，变阻抗线5内层导体的另一端与电阻性负载6的一端相连，电阻性负载6的另一端与变阻抗线5外层导体的一端相连，变阻抗线5外层导体的另一端与导体盒1通孔边沿上的任一点相接。
如图3所示，每个磁环2上垂直方向绕有三个放电支路3，三个放电支路串联成一条放电链路；两个磁环2对应的两条放电链路串联后首尾对接构成闭环放电回路；放电支路3由一电容31和一火花开关32串联而成。
本实施方式的工作原理与实施例1的相同。
Claims (6)
1.一种基于LTD自同步开关的脉冲功率源，其特征在于：包括外包导体；所述的外包导体包括导体盒和导体棒，所述的导体盒内设有多个磁环，多个磁环以同心层叠排列且相邻磁环间存有间隙；所述的导体棒竖直设于导体盒底部且贯穿所有磁环后伸出导体盒；
所述的磁环上垂直方向绕有多个放电支路，多个放电支路按空间相邻位置关系串联成一条放电链路；多个磁环对应的多条放电链路按空间相邻位置关系串联后首尾对接构成闭环放电回路；
所述的放电支路由一储能器件和一开关串联而成。
2.根据权利要求1所述的基于LTD自同步开关的脉冲功率源，其特征在于：所述的导体盒为一空心金属圆柱体，所述的圆柱体顶部开有供导体棒伸出的通孔。
3.根据权利要求1所述的基于LTD自同步开关的脉冲功率源，其特征在于：所述的磁环为铁氧体磁环。
4.根据权利要求1所述的基于LTD自同步开关的脉冲功率源，其特征在于：所述的磁环为非晶体磁环。
5.根据权利要求1所述的基于LTD自同步开关的脉冲功率源，其特征在于：所述的储能器件为电容。
6.根据权利要求1所述的基于LTD自同步开关的脉冲功率源，其特征在于：所述的开关为火花开关。
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