CN103023462B - 一种产生指数上升脉冲电流的发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种产生指数上升脉冲电流的发生器，其特征在于：第一高压充电电源连接第一脉冲形成网络，第一脉冲形成网络通过硅堆控制第一气体开关；第二高压充电电源连接第二脉冲形成网络，第二脉冲形成网络控制第二气体开关；第一气体开关和第二气体开关控制电爆丝断路开关和气体锐化开关；气体锐化开关控制负载和高压分压测试计；延时控制器通过第一触发脉冲控制第一气体开关，通过第二触发脉冲控制第二气体开关。本发明提出的一种指数上升脉冲电流发生器，可以在普通实验室中模拟脉冲爆磁压缩发生器输出电流，其具有使用成本低、可重复使用、通用性强、使用方便安全等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种指数上升脉冲电流发生器，是一种产生指数上升脉冲电流的发生器。具体的是一种通过控制两级脉冲调制器的放电，产生一种类似指数上升的脉冲电流发生的装置。从而可以在实验室中可以模拟例如爆磁压缩发生器等指数上升脉冲电流源。
背景技术
在脉冲功率技术中，爆磁压缩发生器是一种广泛应用的脉冲电流源，由于其使用到火炸药，具有实验成本高，实验条件要求高，有一定的危险性等缺点。所以给实验研究带来很多的困难。
目前在实验室中模拟爆磁压缩发生器输出电流一般采用电容放电的形式。但是一般的电容放电和爆磁压缩发生器的电流波形存在很大的区别。电容放电在电流较小的时候电流上升快，在电流较大的时候电流上升慢。而爆磁压缩发生器输出电流是类似指数上升的，在电流较小的时候电流上升慢，在电流较大的时候电流上升快。普通电容放电和爆磁压缩发生器放电的电流波形分别如图1，图2所示。由此可以看到他们输出电流的波形差别很大。这将为在实验室中模拟爆磁压缩发生器输出电流对后级脉冲调制研究带来如下问题：
●电流能量积累不同
●电流能量传递不同
●脉冲压缩及脉冲变换不同
这些差别将会对电爆丝断路开关，隔离间隙气体锐化开关，脉冲变压器及微波变换器的设计带来很大的区别。进而无法在实验室中对爆磁压缩发生器进行精确模拟实验。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种指数上升脉冲电流发生器，解决目前实验室中应用普通电容放电模拟爆磁压缩发生器器输出电流误差大、通用性不强等诸多问题。
技术方案
一种产生指数上升脉冲电流的发生器，其特征在于包括两个高压充电电源、两个脉冲形成网络、两个气体开关、两个气体开关、两个触发脉冲、延时控制器、电爆丝断路开关、气体锐化开关、负载和高压分压测试计；第一高压充电电源连接第一脉冲形成网络，第一脉冲形成网络通过硅堆控制第一气体开关；第二高压充电电源连接第二脉冲形成网络，第二脉冲形成网络控制第二气体开关；第一气体开关和第二气体开关控制电爆丝断路开关和气体锐化开关；气体锐化开关控制负载和高压分压测试计；延时控制器通过第一触发脉冲控制第一气体开关，通过第二触发脉冲控制第二气体开关；所述第一脉冲形成网络包括三级并联的电容、电感串联电路，每级输出通过电感与下一级连接；所述第二脉冲形成网络包括五级并联的电容和电感串联电路，每级输出通过电感与下一级连接；所述第一高压电源的充电电压范围为1KV~20KV，功率为1KW；所述第二高压电源的充电电压范围为20KV~60KV，功率为1KW。
所述第一级脉冲形成网络中三个电容都为60uf；根据所需产生脉冲的上升沿的形状在4uH~9uH范围内选择第一级电感值；第二级电感为5uH；根据所需产生脉冲下降沿的形状在3uH~7uH范围内选择第三级电感值。
所述第二级脉冲行程网络的五个电容都为10uF，根据所需产生脉冲的上升沿的形状在2.5uH~5uH范围内选择第一级电感值，以及在2.8uH~4uH范围内选择第二级电感值；第三级电感取值为3uH；根据所需产生脉冲下降沿的形状在2.8uH~3.8uH范围内选择第四级电感值，以及在2.5uH~5uH范围内选择第五级电感值。
所述第一气体开关的耐压大于20KV；所述第二气体开关的耐压大于60KV。
所述气体开关采用轨道式三电极场畸变结构：两个不锈钢主电极为棒状结构，电极两端采用锥状光滑过度；触发电极横截面形状为倒三角状结构，位于两个主电极正中间，内腔中充SF6绝缘气体。
所述触发电极采用不锈钢材料。
有益效果
本发明提出的一种指数上升脉冲电流发生器，可以在普通实验室中模拟脉冲爆磁压缩发生器输出电流，其具有使用成本低、可重复使用、通用性强、使用方便安全等优点。
本发明与现有的电容放电比较，具有以下特点：
1、其输出电流由两级脉冲形成网络组成，脉冲形成网络放电产生梯形放电波形，两级脉冲形成网络放电过程进行一定的延时叠加，从而产生类指数上升的脉冲电流，这样就可以模拟爆磁压缩发生器的输出电流。
2、通过改变脉冲形成网络的充电电压，改变脉冲形成网络的电感值，及其两级脉冲形成网络之间的放电延时，就可以在一定范围内对放电电流上升沿波形进行调节。
附图说明
图1普通电容放电电流波形
图2某型爆磁压缩发生器放电电流波形
图3系统组成框图
图4脉冲形成网络1电气原理图
图5脉冲形成网络2电气原理图
图6两级脉冲形成网络模拟爆磁压缩发生器指数上升电流示意图
图7气体开关横截面图
1-主电极，2-触发结构，3-结缘结构。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明实施例的解决技术问题的方案是：该脉冲电流发生器主要是由脉冲形成网络、气体开关、气体开关触发脉冲、延时控制器、高压充电电源、电爆丝断路开关、气体锐化开关、负载、高压分压测试计等部件组成。其组成框图如图3所示。其中高压电源1充电电压范围为1KV-20KV，功率1KW，高压电源2充电电压范围为20KV—60KV，功率为1KW。
图2所示，首先根据所要模拟的爆磁压缩发生器的输出电流，确定平稳上升段和急剧上升段电流的大小和斜率。从而确定每一级脉冲形成网络充电电压，电感大小和两级脉冲形成网络之间的延时。
然后如图3，4,5所示，根据分析确定每一级脉冲形成网络的电感，调整好延时控制器的延时，然后就可以由高压电源对每级脉冲形成网络按照设计的充电电压值进行充电。当脉冲形成网络达到充电电压后，关闭高压电源。延时控制器首先控制触发脉冲1工作，触发脉冲1触发气体开关1，脉冲形成网络1对电爆丝断路开关放电，产生放电电流。当经过设定的放电延时（通常为几纳秒到几十纳秒）后，延时控制器控制触发脉冲2工作，从而触发气体开关2的导通，脉冲形成网络2对电爆丝断路开关放电，当电流达到一定的值后，电爆丝断路开关开始工作，然后产生高压击穿锐化开关，把能量耦合到负载。
脉冲形成网络1和脉冲形成网络2都是采用等电容，等电感的形式。其中脉冲形成网络1是三级，脉冲形成网络2采用五级，其电气原理框图分别如图4和图5所示。在脉冲形成网络1中其电容约为60uf，电感约为5uf，在脉冲形成网络2中其电容约为10uf，电感约为3uf。其中电感要根据电流波形的需要进行调整。脉冲形成网络输出电流为梯性电流波形，两个脉冲形成网络输出电流梯形前沿陡度有很大区别，脉冲形成网络1的梯度比较平缓，而脉冲形成网络2的梯度比较陡峭，输出波形按照一定的时间延迟进行叠加就可以产生类指数上升的电流前沿，其最大输出电流可以达到30KA。从而可以模拟爆磁压缩发生器的输出电流，其作用原理如图6所示。由于第二级脉冲形成网络的充电电压远高于第一级脉冲形成网络，为了防止在第二级脉冲形成网络对第一级过充，所以在第一级脉冲形成网络后加入硅堆。在使用过程中，脉冲形成网络的调节方法为：当波形的前沿所占时间太长时，则应减小第一节电感；当前沿所占时间不太长，而在前沿顶部拐弯处上不去或者出现上冲时，则应减小或者增大第一节与第二节之间的互感，如果此时线圈是密绕的，为增加互感就需要增加大线圈直径，为了减小互感就需要把第一节和第二节之间空开几圈。
在本设计中由于通过气体开关的电量很大，对电极的烧蚀很严重，一般的半球面式电极结构不能满足要求。所以气体开关采用轨道式三电极场畸变结构，图7为其横截面图，两个不锈钢主电极为棒状结构，电极两端采用锥状光滑过度以减弱局部场强；触发电极采用不锈钢材料，横截面形状为倒三角状结构，位于两个主电极正中间。该开关采用密闭结构，中间充SF6绝缘气体。其中气体开关1的耐压大于20KV，气体开关2的耐压大于60KV。延时控制器控制气体开关触发脉冲的工作，从而控制气体开关的导通。其对气体开关的控制精度达到纳秒级。
负载的选择要根据实际试验目的进行选择，在精度要求不高的情况时，可以选用水负载进行试验。
本发明的指数上升脉冲电流发生器可以模拟多种爆磁压缩发生器的输出电流，具有使用灵活，方便，安全，试验成本低，可重复使用等优点。
Claims (6)
1.一种产生指数上升脉冲电流的发生器，其特征在于包括两个高压充电电源、两个脉冲形成网络、两个气体开关、两个触发脉冲、延时控制器、电爆丝断路开关、气体锐化开关、负载和高压分压测试计；第一高压充电电源连接第一脉冲形成网络，第一脉冲形成网络通过硅堆控制第一气体开关；第二高压充电电源连接第二脉冲形成网络，第二脉冲形成网络控制第二气体开关；第一气体开关和第二气体开关控制电爆丝断路开关和气体锐化开关；气体锐化开关控制负载和高压分压测试计；延时控制器通过第一触发脉冲控制第一气体开关，通过第二触发脉冲控制第二气体开关；所述第一脉冲形成网络包括三级并联的电容、电感串联电路，每级输出通过电感与下一级连接；所述第二脉冲形成网络包括五级并联的电容和电感串联电路，每级输出通过电感与下一级连接；所述第一高压充电电源的充电电压范围为1KV～20KV，功率为1KW；所述第二高压充电电源的充电电压范围为20KV～60KV，功率为1KW。
2.根据权利要求1所述产生指数上升脉冲电流的发生器，其特征在于：所述第一脉冲形成网络中三个电容都为60uf；根据所需产生脉冲的上升沿的形状在4uH～9uH范围内选择第一级电感值；第二级电感为5uH；根据所需产生脉冲下降沿的形状在3uH～7uH范围内选择第三级电感值。
3.根据权利要求1所述产生指数上升脉冲电流的发生器，其特征在于：所述第二脉冲形成网络的五个电容都为10uF，根据所需产生脉冲的上升沿的形状在2.5uH～5uH范围内选择第一级电感值，以及在2.8uH～4uH范围内选择第二级电感值；第三级电感取值为3uH；根据所需产生脉冲下降沿的形状在2.8uH～3.8uH范围内选择第四级电感值，以及在2.5uH～5uH范围内选择第五级电感值。
4.根据权利要求1所述产生指数上升脉冲电流的发生器，其特征在于：所述第一气体开关的耐压大于20KV；所述第二气体开关的耐压大于60KV。
5.根据权利要求1所述产生指数上升脉冲电流的发生器，其特征在于：所述气体开关采用轨道式三电极场畸变结构：两个不锈钢主电极为棒状结构，电极两端采用锥状光滑过度；触发电极横截面形状为倒三角状结构，位于两个主电极正中间，内腔中充SF6绝缘气体。
6.根据权利要求5所述产生指数上升脉冲电流的发生器，其特征在于：所述触发电极采用不锈钢材料。
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