CN103501170B - 一种ltd模块及其同步触发的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新结构LTD模块及触发方法，LTD每级模块只需引入一路触发脉冲，利用置于LTD模块内部的一个支路和中间绝缘子上的角向传输线实现模块其他支路开关的同步触发。该触发方式不受次级耦合过电压触发方式存在的“磁芯在超快前沿脉冲下的耦合时间响应特性、支路开关在直流叠加次级耦合电压下的击穿闭合时间能否小于电脉冲在LTD次级的传输时间，以及感应腔绝缘能否满足要求”等因素的制约，有更好的技术可行性。

Description

一种LTD模块及其同步触发的方法

技术领域

本发明为直线变压器驱动源(LinearTransformerDriver，简称LTD)提供一种新型结构及相应的触发方法，其核心思想：LTD每级模块引入一路触发脉冲，利用置于LTD模块内部的一个支路和角向传输线实现模块内其他支路开关的同步触发。该触发方法对推广LTD在Z箍缩惯性约束聚变/聚变能源和高能脉冲X射线闪光照相等领域的应用具有重要价值。

背景技术

LTD通过径向均匀排列的多个低电感支路并联，利用电磁耦合，实现单级多个支路电流叠加和多级串联模块电压叠加，可直接获得前沿70－200ns的高功率脉冲，LTD在Z箍缩惯性约束聚变(ICF)/聚变能源(IFE)、闪光照相、强激光等领域具有重要应用。要实现Z箍缩ICF/IFE，脉冲功率源需要数十至几百路输出电压达数兆伏的LTD并联，每路LTD需要数十级电流MA级LTD模块串联。如美国圣地亚国家实验室(SNL)提出的用于Z箍缩ICF的电流60MALTD型驱动源概念设计，共210路并联，每路60级串联。目前国际上研制的1MALTD模块以及用于Z箍缩ICF的LTD脉冲驱动源概念设计中，每级1MALTD模块需要提供4路前沿约25ns幅值120kV的触发脉冲，则上述60MALTD型脉冲源共需提供50400路触发脉冲，其触发系统庞大复杂，造价高，制约了Z箍缩ICF用LTD脉冲源的应用和发展。

LTD驱动源包含数量庞大的工作电压±100kV、通流约30kA的气体开关(多达数万只)，要实现电流、电压的有效叠加，开关必须严格按照一定的时序触发闭合。国内外均在积极探索和研究LTD型驱动源的新型触发电路拓扑结构和触发方式，如文献(F.J.Zutavern,S.F.Glover,K.W.Reed,etal.PCSStriggeredpulsedpowerswitches[C]//16thIEEEIntPulsedPowerConf.2007:231-235.)研究了光导开关触发LTD气体开关的可行性，由于光导开关工作电压和通流能力的限制，不能作为LTD支路开关，只能作为LTD触发系统前级触发开关；文献(尹佳辉，魏浩，孙凤举等.快脉冲直线变压器驱动源同步触发系统[J].强激光与粒子束，2012,24(4):871-875.(YinJiahui,WeiHao,SunFengju,etal.Experimentalresearchofhigh-powersparkgapswitch.HighPowerLaserandParticleBeams,2012,24(4):871-875；雷宇,邱剑，刘克富.直线变压器驱动源多路开关同步触发技术[J].强激光与粒子束，2012,24(4):765-770.(Leiyu,QiuJian,Liukefu,etal.Multi-outputsynchronizationtriggerforlineartransformerdriver.HighPowerLaserandParticleBeams,2012,24(4):765-770))探讨了多级串联LTD触发电路的拓扑结构和多路快前沿、电压140kV触发脉冲的产生方式，但每级1MALTD模块仍需要施加4路快前沿幅值140kV的触发脉冲，触发电路拓扑结构和触发脉冲产生系统仍庞大复杂。文献(刘鹏，开关闭合特性对多级串联LTD性能影响研究[D].西安交通大学博士学位论文,西安：2012)提出了一种基于次级感应过电压触发LTD的方式，该触发方式仅需为上游几级(例如前五级)模块提供外触发脉冲，下游模块内气体开关通过磁芯耦合沿次级传输线传播的过电压脉冲，实现支路开关击穿闭合，该触发方法(已申请专利，申请号：201110008747.8，发明人：孙凤举等)可大幅度降低LTD型驱动源对触发系统的要求，其电路原理上可行，而其技术可行性取决于磁芯在超快前沿脉冲下的时间响应特性、支路开关在直流叠加次级耦合电压下的击穿闭合时间能否小于电脉冲在LTD次级的传输时间等。即使多级串联LTD驱动源采用次级耦合过电压触发，其上游几级(至少5级)1MA模块每级仍需要引入4路触发脉冲。

本发明提出一种新型结构LTD模块及触发方法：

发明内容

本发明提出一种新结构LTD模块及触发方法，LTD每级模块只需引入一路触发脉冲，利用置于LTD模块内部的一个支路和中间绝缘子上的角向传输线实现模块其他支路开关的同步触发。该触发方式不受次级耦合过电压触发方式存在的“磁芯在超快前沿脉冲下的耦合时间响应特性、支路开关在直流叠加次级耦合电压下的击穿闭合时间能否小于电脉冲在LTD次级的传输时间，以及感应腔绝缘能否满足要求”等因素的制约，有更好的技术可行性。

本发明的技术解决方案如下：

一种LTD模块，包括壳体、设置在壳体内且圆周均布的2N个支路，N大于等于2，其特殊之处在于：

还包括置于LTD模块中间的环形绝缘子、设置在绝缘子上圆环槽内的角向传输线、与绝缘子同心设置的触发环；

所述2N个支路中的其中一个支路作为触发支路，其余支路作为被触发支路；

所述触发支路的开关触发电极与外部脉冲触发电路连接；

所述角向传输线从触发支路的输出端出发，分成两路角向传输线沿圆环槽的圆周的逆时针方向和顺时针方向分别传输1/4圆周，每路角向传输线再分成两路角向传输线分别沿圆环槽的圆周的顺时针方向和逆时针方向传输1/8圆周，最后分别连接到触发环；

所述触发环通过隔离电感与所有被触发支路的开关触发电极相连。

上述隔离电感由螺旋状电阻丝构成。

一种LTD模块的同步触发方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】将LTD模块中的其中一个支路作为触发支路，引入一路陡前沿触发脉冲，触发气体开关；

2】气体开关闭合后，触发支路输出端产生的高电压脉冲沿角向传输线按以下路径传输：

角向传输线的一端从触发支路的输出端出发，分成两路分别沿圆周方向的逆时针方向和顺时针方向分别传输1/4圆周，每路角向传输线再分成两路分别沿圆周的顺时针方向和逆时针方向传输1/8圆周，最后通过四路角向传输线分别连接到触发环；

3】高电压脉冲通过触发环同步触发LTD模块中的其余支路。

本发明的特色和优点是：

1)每个LTD模块仅需引入一路快前沿触发脉冲，触发位于模块内的一个支路(称为触发支路)；

2)触发支路电容器充电电压和开关充气气压与模块内其他支路完全相同，触发支路一端接地，开关闭合后，另一端产生的高电压脉冲沿模块中间绝缘子环形槽内的角向传输线传输，通过四点连接到模块中间绝缘子触发环；

3)连接到触发支路高压输出端的角向传输线先沿圆周方向分别传输1/4圆周到A、B两点，从A、B两点各自分别沿圆周方向传输1/8圆周，到达C、D、E、F四点，连接到中间绝缘子外侧的金属触发环；

4)该触发方式使触发脉冲达到支路开关的时间分散性与引入4路触发脉冲相同，优点是：与固定电压幅值的引入4路触发脉冲相比，当模块电容器充电电压改变时，触发脉冲电压幅值相应改变，保持开关触发过压倍数固定，有利于开关在不同充电电压下同步触发性能稳定；

5)该方法可简化多级串联LTD型脉冲源对触发系统的要求，提高模块触发可靠性。

附图说明

图1为LTD模块剖视图，图1a为触发支路，图1b代表模块内其他被触发支路；

图2为触发支路高压输出端连接的置于模块中间绝缘子圆环槽内的角向传输线示意图；其中：H－触发支路高压输出端，圆弧HA、HB－1/4圆；圆弧AC、AD、BE、BF－1/8圆；

图3为模块去掉上盖板和绝缘子的内部支路示意图；

图4其他工作条件相同，模块引入4路触发脉冲和利用模块内部1个支路和角向传输线触发两种方式下的500kALTD模块输出短路电流波形；

其中：1－LTD模块接地盖板；2－上下绝缘子；3－磁芯；4－开关；5－电容；6－中间绝缘子；7－置于中间绝缘子内角向传输线；8－触发支路接地连接杆；9－触发支路高压输出与次级外筒之间的隔离电感或电阻；10－外触发脉冲引入模块电缆；11-电阻丝；

具体实施方式

本发明核心思想是：引入一路快前沿触发脉冲，利用置于LTD模块内部的一个支路，该支路一端接地，另一端通过螺旋状电阻丝构成高阻负载连接到耦合磁芯的次级外筒，该高压输出端同时连接到置于模块中间绝缘子的角向传输线；角向传输线沿圆周方向分别传输1/4圆周到A、B两点，从A、B两点各自分别沿圆周方向传输1/8圆周，到达C、D、E、F四点，连接到中间绝缘子外侧的金属触发环，从金属触发环通过螺旋状电阻丝构成的隔离电感到其余支路开关触发电极，实现支路开关同步触发。

下面结合图1、图2和图3，描述LTD模块及上述触发方式的具体实施过程。

图1和图3LTD模块内径向均布的触发支路(图1a支路)和其余被触发支路(图1b支路代表)的两只电容器连接到开关4的上下高压电极，所有支路开关的正高压电极通过螺旋状电阻丝11串接，引出到模块的正极性充电电源，所有支路开关的负高压电极通过螺旋状电阻丝11串接，引出到模块的负极性充电电源。当所有支路的电容器充电到设定的电压时，一路前沿约25ns幅值140kV的外触发脉冲通过电缆引入接孔(图3中的10)引入模块，经一电感数微亨和电阻数十欧姆的螺旋状电阻丝11连接到触发支路(图1a)开关4的触发电极，引起开关4击穿闭合，使触发支路两只电容器串联，一端通过接地连接杆8接地，在触发支路另一端，即触发支路高压输出与次级外筒之间的隔离电感或电阻9的高压端和角向传输线(图2)的首端H，产生快前沿幅值约2倍电容器充电电压的触发脉冲；该触发脉冲从H端开始分别沿圆周方向传输到图2的A、B两点，从A、B两点分别沿圆周顺时针和逆时针方向传输1/4圆周到C、D和E、F四点(图2)，再从C、D、E、F四点分别连接到角向传输线的金属圆环。金属环根据模块并联的总支路数N均分为N/2节点，从均分的节点通过螺旋状电阻丝构成的隔离电感电阻引入到其余被触发支路开关的触发电极，使其余支路开关被触发击穿闭合，实现模块同步放电。

在20支路并联的500kALTD模块上，进行了上述触发方式和常规引入4路外触发方式下模块的同步放电实验比较，实验结果为：在次级为短路负载，模块电容器充电±60kV和开关工作系数相同的条件下，引入4路前沿15ns幅值140kV的触发脉冲，短路电流周期为732ns；引入1路前沿15ns幅值140kV的触发脉冲，利用模块内1个支路产生的触发脉冲沿角向传输线传输后再引到其他支路开关，模块短路电流周期为742ns，两者基本相同，如图4。20支路并联的500kALTD模块的原理性实验表明：引入一路触发脉冲，触发置于模块内部1个支路产生的高压脉冲经过角向传输线到其他支路开关触发电极，可有效实现模块的同步放电。该触发方式减少了模块引入的触发电缆路数，降低了对触发系统的要求，以及触发系统和电缆的造价，提高了模块触发可靠性。

凡是利用LTD模块内部支路和角向传输线使模块内其他支路开关实现同步触发的方法为本专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种LTD模块，包括壳体、设置在壳体内且圆周均布的2N个支路，N大于等于2，其特征在于：

还包括置于LTD模块中间的环形绝缘子、设置在绝缘子上圆环槽内的角向传输线、与绝缘子同心设置的触发环；

所述2N个支路中的其中一个支路作为触发支路，其余支路作为被触发支路；

所述触发支路的开关触发电极与外部脉冲触发电路连接；

所述角向传输线从触发支路的输出端出发，分成两路角向传输线沿圆环槽的圆周的逆时针方向和顺时针方向分别传输1/4圆周，每路角向传输线再分成两路角向传输线分别沿圆环槽的圆周的顺时针方向和逆时针方向传输1/8圆周，最后分别连接到触发环；

所述触发环通过隔离电感与所有被触发支路的开关触发电极相连。

2.根据权利要求1所述的LTD模块，其特征在于：所述隔离电感由螺旋状电阻丝构成。

3.一种LTD模块的同步触发方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】将LTD模块中的其中一个支路作为触发支路，引入一路陡前沿触发脉冲，触发气体开关；

2】气体开关闭合后，触发支路输出端产生的高电压脉冲沿角向传输线按以下路径传输：

角向传输线的一端从触发支路的输出端出发，分成两路分别沿圆周方向的逆时针方向和顺时针方向分别传输1/4圆周，每路角向传输线再分成两路分别沿圆周的顺时针方向和逆时针方向传输1/8圆周，最后通过四路角向传输线分别连接到触发环；

3】高电压脉冲通过触发环同步触发LTD模块中的其余支路。