CN103023368B - 一种电容分压式自触发直线变压驱动源 - Google Patents

Abstract

本发明属于脉冲功率技术领域，具体为一种电容分压式自触发直线变压器驱动源（ LTD）。该自触发LTD由普通感应腔和自触发感应腔经次级中心汇流杆串联组成，普通感应腔组成LTD的前几级，其余为自触发感应腔。工作时只需触发前几级普通感应腔，即可实现整个LTD的触发。自触发感应腔是在普通感应腔中的内层金属和次级中心汇流杆之间增加一个金属触发筒，并在两个间隙中填充绝缘介质而获得；增加的金属触发筒用于实现自触发感应腔的电容分压。本发明可有效减少外部触发脉冲的数量，实现LTD的可靠触发。

Description

一种电容分压式自触发直线变压驱动源

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种应用电容分压实现开关自触发的直线变压器驱动源（Linear Transformer Driver, LTD）。

背景技术

LTD是一种新的脉冲功率技术，能够产生上升时间约100ns的高功率脉冲直接驱动负载而不需要任何脉冲压缩段。

LTD由一个开关和一个电容器（单向充电）或两个电容器（正负充电）串联组成一个子块，若干个子块并联构成一个感应腔，若干个感应腔通过感应叠加串联为一个模块，图1为单个感应腔剖面图。通过增加子块并联的个数，可以产生更大脉冲电流输出，可建造大型脉冲功率装置。LTD的原理和脉冲变压器相似。每一个感应腔相当于一个初级绕组，若干个感应腔串联共用一个次级导体，相当于一个由多个初级绕组和一个单匝次级绕组组成的变压器。图1中，电容器110、111、112和113正负充满电后，外部触发信号120、121使气体火花开关118、119导通，电容器通过气体火花开关118、119放电，放电电流的路径为图中的箭头所指的路径，其中101、102和103构成金属外壳并接地。电容器通过开关放电提供初级电流，能量通过磁芯108、109从初级耦合到次级中心汇流杆107上。图2是一个7级LTD模块的工作原理图，7个感应腔的电容同步放电，通过磁芯将能量耦合到次级中心汇流杆上，实现电压叠加。

由LTD的工作原理知，每一个子块就有一个开关需要触发。随着感应腔中子块个数以及串联感应腔级数的增加，须同步触发的开关数目呈几何倍数增加，大规模开关同步与触发是一大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容分压式自触发直线变压驱动源。

本发明运用电容分压原理，将LTD中心汇流杆上的高压通过电容耦合到气体开关触发极上，从而实现LTD的自触发过程。

本发明提供的电容分压式自触发直线变压驱动源，由两部分经次级中心汇流杆串联组成，一部分为由若干个现有的如图1所示的普通感应腔组成的普通感应腔模块，位于LTD的前级，另一部分为自触发感应腔模块；每个自触发感应腔的结构如图3所示。与普通感应腔结构不同的是，自触发感应腔是在普通感应腔中的内层金属和中心汇流杆之间增加一个金属触发筒，并在两个间隙中填充绝缘介质而获得，增加的金属触发筒可用于实现电容分压。

所述的自触发感应腔中，通过电容分压获得的电压由金属导线和隔离电阻引到气体火花开关的触发电极。

所述的金属导线和隔离电阻在自触发感应腔的径向上，与触发电极处于同一水平面，位于绝缘介质中间。

本发明中，LTD的前级普通感应腔的数目和后级自触发感应腔的数目可根据实际需要调整。

本发明中，对于一个LTD装置来说，普通感应腔和自触发感应腔能够相间置于LTD中，即前几级感应腔由普通感应腔组成，接着是自触发感应腔，然后是普通感应腔，再放置自触发感应腔，依次串联放置下去，直到获得所需的电压。

本发明提供电容分压式自触发直线变压驱动源，工作时只需触发前几级普通感应腔，即可实现整个LTD模块的触发。因此，本发明可有效减少外部触发脉冲的数量，实现LTD的可靠触发。

图3为自触发LTD感应腔轴向切面示意图。工作时，先将电容器313、314、315和316正负充电到工作电压，然后使用外部触发信号触发前级感应腔，使其放电，中心汇流杆306通过电磁感应获得感应电压。一方面，中心汇流杆306与触发筒310之间设有绝缘套管307，所以触发筒310与中心汇流杆306之间存在电容，同时金属触发筒310与感应腔外壳301（处于地电位）之间也存在分布电容，故通过电容分压作用触发筒上存在对地高压，其值与分布电容的大小有关，另一方面，由于子块中两电容器充电电压相等，极性相反，故触发极处于虚地电位，所以当中心汇流杆306上存在感应电压时，触发筒上也会出现耦合电压，该电压可通过隔离电阻325、326用于触发气体开关321、322。随着自触发感应腔的增多，中心汇流杆306上的感应电压也越来越大，其后的自触发LTD感应腔的触发筒上的耦合电压也越来越高，气体开关的导通也会越来越快，最终随着脉冲电压在次级汇流杆306上的传播，自触发LTD感应腔的气体开关依次导通，从而实现LTD模块的自触发。虽然触发气体开关会导致次级汇流杆306上的输出总能量有所减少，但减少的能量相对较少，可以忽略不计。

由工作原理知，该自触发LTD只需触发前级感应腔即可实现整个LTD模块的触发，大大减少了所需触发脉冲的数量。它具有触发硬件少，工作稳定可靠，能有效实现电压叠加等优点。当该自触发方式运用于超大型装置时，可解决常规LTD面临的十万量级气体开关的同步触发问题。

本发明具有以下优点：

1、降低了LTD装置对触发系统的要求。通常LTD装置中的气体开关所需触发电压较高（50～75kV）,并且需要一定的触发能量，当数十万路开关需要同步触发时，外部触发源所需提供的能量极为庞大，并且对其同步系统要求也相对较高。采用自触发方式能够将LTD装置储能中的少量能量转换为触发能量，从而降低了系统的复杂程度，也便于运行与维护。

2、开关触发同步性较为稳定；通常外部触发系统中会使用气体开关产生高压脉冲，当气体开关使用数目较多时，整个触发系统的输出脉冲抖动较大，不利于LTD装置获得理想的电压电流输出。采用自触发方式后，在触发筒上获得的触发电压相对比较稳定，且随着触发导通级数的增加，后级获得的触发电压会逐渐增大，这有利于所有气体开关的快速、同步触发与导通。

3、结构较为简单。本发明所涉及的LTD感应腔与传统的感应腔并无本质区别，仅仅在其中引入了一个触发圆筒，这种改变并未对感应腔的结构产生重大影响，所示实施起来较为简单，能够较快应用于目前已有的LTD装置中来。

附图说明

为了便于对本发明的特征和具体实施过程进行描述，添加了四幅附图，有的部分，如电容充电部分，未在图中画出。其中：

图1是LTD普通感应腔的结构图。该感应腔为圆柱形，其中：101-柱形金属外壳，102、103-圆形金属盖板，107-次级中心汇流杆（金属棒），104、105-内层金属，106-绝缘套管，108、109-磁芯，110、111、112、113-电容，114、115、116、117-金属导线，118、119-气体火花开关，120、121-外部触发信号。图中箭头表示一个子块中电流的流向。

图2是7级LTD模块的工作原理图。其中：201、204、207、210、213、216、219、222、225、228、231、234、237、240-感应腔子块中的电容器；202、205、208、211、214、217、220、223、226、229、232、235、238、241-气体火花开关；203、206、209、212、215、218、221、224、227、230、233、236、239、242-磁芯；243-次级中心汇流杆；244-负载。

图3为本发明中LTD自触发感应腔轴向切面示意图。该感应腔为圆柱形，内部的子块数目可以根据需要设置。其中：301-柱形金属外壳；302-圆形金属盖；303-内层金属，为轴对称结构；306-次级中心汇流杆（金属棒）；307-绝缘套管；308、309-绝缘套筒；311、312-磁芯；304、305-金属套筒；313、314、315、316-电容器；317、318、319、320-金属导线；321、322-气体火花开关；323、324-金属连接线；310-触发筒；325、326-电阻。图中箭头指向表示子块中电流的流通路径。

图4为自触发LTD模块的工作原理图。该LTD模块由七个感应腔组成，左边两个感应腔由外部触发脉冲触发，其余五个感应腔通过电容分压由次级中心汇流杆获得触发脉冲。LTD模块的感应腔数目可以根据实际需要增减。其中：401-外部触发脉冲；402、403-普通感应腔；404，405、406、407、408-自触发感应腔；409-中心汇流杆；410-负载；411、412、413、414、415、416、417、418、419、420-中心汇流杆与触发筒之间存在的分布电容；421、422、423、424、425、426、427、428、429、430-触发筒与地之间存在的分布电容。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明内容。

图3所示的自触发LTD感应腔的工作原理与普通LTD感应腔相同：先给电容313、314、315、316正负充电，然后气体开关321、322导通，电流按图中箭头所指的方向流动。电容器与磁芯311、312构成放电的初级回路，把电容储存的能量耦合到次级金属汇流杆306上。所不同的是普通LTD感应腔是通过外部触发使气体开关导通，而该自触发LTD感应腔是通过电容分压原理在触发筒310上获得触发信号的。

中心汇流杆306，金属触发圆筒310，与外壳相连（外壳接地）的内层金属304、305以及它们之间的绝缘介质307、308构成两个串联的电容。当中心汇流杆上有脉冲高压时，由于串联电容的分压作用，金属触发圆筒上获得一定电压，该电压通过导线323、324和隔离电阻325、326触发气体开关。

自触发LTD模块的具体工作过程如原理图4所示。LTD模块所有感应腔中的电容器充好电后，触发脉冲401同步触发前两个感应腔的气体开关，使其导通，将电容上储存的能量通过磁芯耦合到次级中心汇流杆409上，高压脉冲沿次级中心汇流杆从左向右传播。当电压脉冲到达第三个感应腔时，通过分布电容411、416和421、426的分压作用，使得第三级感应腔404的气体开关的触发极获得同步触发脉冲，从而触发导通子块中气体开关，第三级感应腔中的储能电容放电，感应电压同步耦合叠加至中心汇流杆409。随着电压脉冲向负载410传输，后级自触发LTD感应腔405、406、407、408中的气体开关依次同步导通，电容器通过气体开关放电，将其储存的能量汇聚到次级金属汇流杆上，实现电压叠加，最终输出给负载。

Claims (5)

1.一种LTD自触发感应腔，其特征在于该自触发感应腔是在普通感应腔中的内层金属和次级中心汇流杆之间增加一个金属触发筒，并在两个间隙中填充绝缘介质而获得；增加的金属触发筒用于实现自触发感应腔的电容分压。

2.根据权利要求1所述的LTD自触发感应腔，其特征在于通过电容分压获得的电压由金属导线和隔离电阻引到气体火花开关的触发电极。

3.根据权利要求2所述的LTD自触发感应腔，其特征在于金属导线和隔离电阻在自触发感应腔径向上，与触发电极处于同一水平面，位于绝缘介质中间。

4.一种可以实现自触发的LTD，其特征在于由两部分经次级中心汇流杆串联组成；其中，一部分为由若干个现有的普通感应腔组成的普通感应腔模块，位于LTD的前级；另一部分为如权利要求1所述的自触发感应腔。

5.根据权利要求4所述的LTD，其特征在于：普通感应腔和自触发感应腔相间设置，即前几级感应腔由普通感应腔组成，接着是自触发感应腔，然后是普通感应腔，再放置自触发感应腔，依次串联放置下去，直到获得所需的电压。