CN104113187A - 基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统及方法，通过采用初级脉冲源直接为触发系统峰化电容充电至几十千伏，并利用自击穿峰化开关和自击穿短路开关相互配合截取触发信号的技术途径，直接产生百千伏触发信号，避免了传统的十几伏至百千伏的信号放大电路，大大减小了信号放大级数，显著降低了触发系统时间延迟(即响应时间)，提高了其响应速度；此外，简化了初始触发信号获取单元结构并提高了获取电压信号幅值(几十千伏)，增强了系统抗电磁干扰能力，确保了系统工作的可靠性。

Description

基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统及方法

技术领域

本发明涉及一种能够产生高电压、快前沿、长脉宽电脉冲的快响应触发系统及方法，应用于大型脉冲功率装置中同初级脉冲源(Marx或LTD发生器)工作时序相关联的各类受控脉冲高压开关的电脉冲触发(包括主开关、能量转移开关等)。

背景技术

在国际现有大型脉冲功率装置中，多级脉冲压缩已成为一种普遍采用的技术途径，如Saturn、Z、ZR、PTS、闪光-II、强光一号等装置，其中主开关工作特性成为脉冲压缩过程中的核心部件，如何有效控制其导通时刻直接决定着主开关工作性能评价。一般情况下，装置设计要求主开关在初级脉冲源为下游传输线充电至90％～95％峰值时间段内导通，以提高装置整体能量转化效率。因此，主开关同初级脉冲源之间具有明确的时间关联性，即初级脉冲建立特定时间后导通。与主开关具有类似要求的还有近年来出现的用于保护初级脉冲源的能量转移开关。针对这类用途需求，目前各类装置中多采用触发类型开关，对于多路同步要求非常高的装置中多采用激光触发，但激光触发系统结构复杂、成本高昂；而较为常见的则是电脉冲触发类型，其触发系统具有结构简单、成本低廉、维护方便等优点，但要求其响应快且输出电压脉冲具有高电压(数百千伏)、快前沿(数纳秒)、长脉宽(数百纳秒)等特点。因此，同初级脉冲源时序相关联受控开关的电脉冲触发系统成为大型脉冲功率装置研制领域一个重要的研究内容。

目前，国内外已研制成功的用于同初级脉冲源时序相关联受控开关(主要是主开关和能量转移开关)触发的电脉冲触发系统主要分为两类，一类是触发系统与初级脉冲源完全独立，此种情况下，触发系统初始信号源自于控制时序用的同步机，一般为几十伏低压信号，例如：在尹佳辉、孙凤举、邱爱慈等人的《多组多路输出100kV快前沿电脉冲触发系统》(强激光与粒子束2008年第20卷第12期)中，介绍了一种从同步机几十伏信号经4级放大至100kV的触发系统，最后通过电缆引出至高阻负载，其触发电压可达180kV，触发信号最短延迟时间约305ns；另一类是触发系统初始信号源自于初级脉冲源，此种情况下，初级脉冲源充当了同步机的功用，通过采样比较电路为触发系统提供几伏至十几伏量级的触发信号，其特点是初级脉冲源同受控开关时序直接相关联，例如，在杨莉、程亮、黄建军等人的《闪光二号加速器气体主开关同步触发系统》(强激光与粒子束2007年第19卷第6期)中，介绍了一种利用比较电路从发生器获取十几伏触发信号，而后经过3级放大至100kV的触发系统，触发信号最短延迟时间约440ns；在D.M.Barrett的《Trigger system for the EAGLE pulsed power research facility》(3^rd IEEE International Pulsed Power Conference,Albuquerque,New Mexico,1981,pp.206-209)中，同样介绍了一种利用比较电路从Marx发生器获取5V初始信号，后经3级放大至140kV的触发系统，触发信号最短延迟时间约510ns。由上可知，无论采用上述何种方案，现有触发系统均需要将几伏至几十伏的信号逐级放大至数百千伏，由此带来以下三方面的问题：第一，由于现有技术尚不能实现将几伏至十几伏的信号直接放大至数百千伏，一般均采用3～4甚至更多级信号放大电路，而每一级均会引入一定的时间延迟，因此大大增加了该类触发系统的整体时延，不利于快响应触发系统的研制；第二，随着放大级数的增多，触发系统结构复杂化，降低了系统工作可靠性，同时增大了日常维护难度。第三，对于上文所述第一类触发系统，当初级脉冲源处于非正常工作模式时(如发生故障)，触发系统与初级脉冲源工作时序将会被破坏，对装置运行的可靠性构成严重危险。而对于上文所述第二类触发系统，通过采样比较电路从发生器几十甚至上百千伏信号中获取几伏的初始触发信号本身存在着较大的偏差，同时该信号容易受到强电磁环境的干扰，不利于触发系统时序控制。

发明内容

为克服现有电脉冲触发系统中电路放大级数多、触发时延大、同初级脉冲源获取触发信号单元结构复杂且信号幅值低易受干扰等方面存在的不足，本发明提供了一种基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统及方法。

本发明的技术解决方案是：

一种基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统，其特殊之处在于：

包括装有变压器油的箱体19、浸置于变压器油内的触发信号模块20；

所述触发信号模块包括“工”字形柱状尼龙电缆支座12，设置在尼龙电缆支座底端的圆盘形高压板3，设置在尼龙电缆支座上端的圆盘形接地板4，沿模块中心轴线上下排布的多个串连的圆柱形峰化电容5，设置在峰化电容外围的有机玻璃套筒11，设置在有机玻璃套筒外圆周呈120度夹角分布的自击穿峰化开关7、自击穿短路开关6和充电测量单元10；所述圆柱形峰化电容5两端分别同高压板3和接地板4相连接；所述高压板3通过充电电阻1连接至初级脉冲源输出端；所述自击穿峰化开关7一端同高压板相接，另一端通过一峰化电阻9连接至接地板4；所述自击穿短路开关6一端连接至高压板3，另一端通过一阻尼电阻8连接至接地板4；所述峰化电阻9高压端通过一绕置在尼龙电缆支座上的输出电缆13输出。

上述脉冲触发系统还包括浸置于变压器油内的Marx模块21；

所述Marx模块包括两个触发电阻18、两只±100kV触发开关15、两级R-L-C放电回路14，所述两级R-L-C放电回路包括垒砌在一起的四个电容；所述触发信号模块20的输出电缆13同时与两个触发电阻的一端连接，两个触发电阻的另一端分别连接两只±100kV触发开关的触发端口，所述垒砌在一起的四个电容中相邻电容充电极性相反，依次串联，且每一级R-L-C放电回路的两个电容之间接一只±100kV触发开关15；四个电容串联后的其中一端通过箱体接地，另一端输出触发脉冲。

上述Marx模块的输出端设置一回流板和接地电阻，所述回流板一端连接至Marx模块接地电阻低压端，另一端连接至靠近触发输出端口的油箱外壳，整体倾斜；接地电阻高压端连接至触发输出端，放电形成过程中充当脉冲隔离电阻。

上述触发信号模块和Marx模块固定于变压器油箱体内的尼龙板上。

一种基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)初级脉冲源通过充电电阻和高压板向峰化电容充电至几十千伏高电压；

2)峰化电容充电至峰化开关自击穿电压阈值时，峰化开关导通并在峰化电阻高压端产生一触发信号；短路开关在峰化开关动作特定时间后导通，以释放源自初级脉冲源的电流；通过充气气压调整峰化开关和短路开关击穿阈值；

3)触发信号通过电缆引至Marx模块，触发信号脉宽为电缆电长度的2倍；

4)触发信号通过Marx模块的保护电阻触发两只±100kV触发开关，两级R-L-C放电回路串联放电，实现快前沿、高幅值触发信号的输出。

上述短路开关和阻尼电阻之间应满足以下条件：在峰化开关导通单倍电缆电长度时间后，短路开关导通。

上述峰化开关和短路开关击穿阈值通过其充气气压调整。

上述触发信号模块中的电缆伸入至接地板以下的部分在满足绝缘要求的条件下尽量靠近峰化电容。

本发明的优点：

1、本发明系统通过采用初级脉冲源直接为触发系统峰化电容充电至几十千伏，并利用自击穿峰化开关和自击穿短路开关相互配合截取触发信号的技术途径，直接产生百千伏触发信号，避免了传统的十几伏至百千伏的信号放大电路，大大减小了信号放大级数，显著降低了触发系统时间延迟(即响应时间)，提高了其响应速度；此外，简化了初始触发信号获取单元结构并提高了获取电压信号幅值(几十千伏)，增强了系统抗电磁干扰能力，确保了系统工作的可靠性。

2、本发明基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统，采用两级放大电路实现了数百千伏触发脉冲的输出，大大简化了系统结构，同时第一级触发信号幅值可方便地通过改变峰化开关和短路开关气压进行调整，有效降低了日常运行维护难度。

附图说明

图1是Marx模块“弓”字形放电回路。

图2是本发明的纵剖面结构示意图。

图中，1-充电电阻；2-尼龙板；3-高压板；4-接地板；5-峰化电容；6-短路开关；7-峰化开关；8-阻尼电阻；9-峰化电阻；10-充电测量单元；11-有机玻璃套筒；12-尼龙电缆支座；13-输出电缆；14-R-L-C放电回路；15-触发开关；16-接地电阻；17-回流板；18-触发电阻；19-装有变压器油的箱体；20-触发信号模块；21-Marx模块。

具体实施方式

触发信号模块整体呈圆柱状结构，外壳为一“工”字形柱状尼龙电缆支座，底端为圆盘形高压板，上端为圆盘形接地板，圆柱形峰化电容沿模块中心轴线排布，两端分别同高压板和接地板相连接；高压板通过一充电电阻连接至初级脉冲源输出端，通过合理调节充电电阻和峰化电容参数实现特定时刻峰化电容充电幅值的调整；峰化电容外围设置一有机玻璃套筒，以防止峰化电容高压同周围部件之间发生击穿放电；沿有机玻璃套筒外圆周均匀分布着自击穿峰化开关、自击穿短路开关和充电测量单元；峰化开关一端同高压板相接，另一端通过一峰化电阻连接至接地板，当峰化电容充电至峰化开关自击穿电压阈值时，峰化开关导通并在峰化电阻高压端产生一触发信号，该信号通过一绕置在尼龙电缆支座上的电缆引出至Marx模块，输出触发信号脉宽为电缆电长度的2倍；电缆伸入至接地板以下的部分要求在满足绝缘要求的条件下尽量靠近峰化电容，以减小引出电感，获得快前沿触发脉冲；由于初级脉冲源电压的持续增大，且为了获得较快的响应，峰化电容充电常数一般设置较小，因此峰化开关导通后峰化电容充电电压在一个小的回落后会继续增大，针对于此设置短路开关在峰化开关动作特定时间后导通，以释放源自初级脉冲源的电流；短路开关一端连接至高压板，另一端通过一阻尼电阻连接至接地板，通过合理设置阻尼电阻参数，可有效减小峰化电容电压反冲；峰化开关和短路开关击穿阈值可以通过其充气气压调整；Marx模块主要由两级R-L-C放电回路构成，两只±100kV触发开关由触发信号模块的电缆通过一保护电阻进行触发；输出端设置一回流板以减小输出端电感，实现最终的快前沿触发信号的输出，回流板一端连接至Marx模块接地电阻低压端，另一端连接至靠近触发输出端口的油箱外壳，整体倾斜特定角度，以保证同接地电阻之间的绝缘安全。整个触发信号模块和Marx模块固定于一尼龙板上，并浸置于一变压器油箱体内，构成一个紧凑型的触发系统。

触发信号模块中的峰化电容直接由初级脉冲源通过充电电阻充电至几十千伏高电压。

峰化开关、峰化电阻和输出电缆相互配合，实现触发信号模块中触发脉冲的引出，触发脉宽约为2倍电缆电长度时间。

短路开关和阻尼电阻相互配合，实现触发信号模块的保护，在峰化开关导通单倍电缆电长度时间后，短路开关导通，源自于初级脉冲源的电流通过阻尼电阻进行释放。

图2中，本发明的基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统主要由触发信号模块20和Marx模块21两个部分组成。触发信号模块20整体呈圆柱状结构，最外围为一“工”字型尼龙电缆支座13，上端与接地板4相接，下端与高压板3相接；位于触发信号模块20中心轴线位置为一0.93nF的圆柱状峰化电容5，其一端连接至高压板3，另一端连接至接地板4，其外围设置有一有机玻璃套筒11，以防止峰化电容5在充电情况下同外围各部件之间发生击穿放电；有机玻璃套筒11外围均布着峰化开关7、短路开关6和充电测量单元10，三者一端均与高压板3电连接；充电测量单元10另一端直接连接至接地板4，短路开关6另一端通过一5Ω阻尼电阻8连接至接地板4，峰化开关7另一端通过一1.5kΩ峰化电阻9连接至接地板4；同时，峰化电阻9高压端连接一50Ω输出电缆13，电缆长约7m，整体缠绕于尼龙电缆支座12上(图2中未能画出)，其另一端连接至Marx模块21中的触发电阻18中间金属部分；触发信号模块20的高压板3通过一1.5kΩ充电电阻1与初级脉冲源高压端电连接；在实际工作中，初级脉冲源通过充电电阻1为峰化电容器5充电，当其充电幅值约70kV时，峰化开关7导通，并在峰化电阻9上产生一触发信号，该信号通过输出电缆13成形在末端开路条件下输出一幅值约140kV、脉宽约70ns的触发脉冲；峰化开关7导通约35ns时间后，短路开关6导通并通过阻尼电阻8将源自于初级脉冲源的电流释放，而整个工作过程可以通过充电测量单元10在示波器上进行观察。Marx模块21是对前级触发信号的放大，其由两级R-L-C放电回路14构成，触发信号模块20产生的触发脉冲通过触发电阻18直接作用于两个触发开关15的触发电极，引燃触发开关15并在接地电阻16高压端产生一更高幅值的触发脉冲，在R-L-C放电回路14预充电100kV的条件下，系统最终可获得峰值约400kV的触发脉冲；同时，为了减小输出端电感，获得较快前沿触发脉冲，输出端设置有一回流板17，其一端连接至接地电阻16低压端，另一端连接至变压器油箱体19输出端口附近；最后，触发信号模块20和Marx模块21固定于同一尼龙板之上，然后整体浸置于95cm×55cm×45cm变压器油箱体19内，形成一个紧凑型的触发系统。

0.93nF峰化电容5直接由初级脉冲源通过1.5kΩ充电电阻1充电至70kV，峰化电容5和充电电阻1具体数值需依据初级储能源参数确定，但充电电阻1数值应同后端的峰化电阻9的数值基本接近，相等时最佳。

峰化电容5充电至70kV时，峰化开关7导通，约35ns后短路开关6导通，触发信号模块20输出脉冲电压幅值约140kV、脉宽约70ns；触发信号模块20电压幅值可通过改变峰化开关7气压进行调整，而脉宽时间可通过改变短路开关6与峰化开关7导通时刻差及输出电缆13长度进行调整。

基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统由触发信号模块20和Marx模块21两级构成，触发信号模块20输出脉冲电压幅值约140kV时，其响应时间约150ns、前沿时间小于10ns；Marx模块21输出脉冲电压幅值最高可达400kV，其响应时间约为70ns、前沿时间小于10ns；触发系统整体响应时间约为220ns。

本发明中的各部件电参数及输出指标并不唯一，可依据初级脉冲源参数及应用需求进行一定的调整；实际应用中，对触发脉冲幅值要求低于200kV时，可由本触发系统中的触发信号模块20直接提供，无需第二级Marx模块21，如此可以获得更快的响应时间。

Claims (8)

1.一种基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统，其特征在于：

包括装有变压器油的箱体(19)、浸置于变压器油内的触发信号模块(20)；

所述触发信号模块包括“工”字形柱状尼龙电缆支座(12)，设置在尼龙电缆支座底端的圆盘形高压板(3)，设置在尼龙电缆支座上端的圆盘形接地板(4)，沿模块中心轴线上下排布的多个串连的圆柱形峰化电容(5)，设置在峰化电容外围的有机玻璃套筒(11)，设置在有机玻璃套筒外圆周呈120度夹角分布的自击穿峰化开关(7)、自击穿短路开关(6)和充电测量单元(10)；所述圆柱形峰化电容(5)两端分别同高压板(3)和接地板(4)相连接；所述高压板(3)通过充电电阻(1)连接至初级脉冲源输出端；所述自击穿峰化开关(7)一端同高压板相接，另一端通过一峰化电阻(9)连接至接地板(4)；所述自击穿短路开关(6)一端连接至高压板(3)，另一端通过一阻尼电阻(8)连接至接地板(4)；所述峰化电阻(9)高压端通过一绕置在尼龙电缆支座上的输出电缆(13)输出。

2.根据权利要求1所述的基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统，其特征在于：

还包括浸置于变压器油内的Marx模块(21)；

所述Marx模块包括两个触发电阻(18)、两只±100kV触发开关(15)、两级R-L-C放电回路(14)，所述两级R-L-C放电回路包括垒砌在一起的四个电容；所述触发信号模块(20)的输出电缆(13)同时与两个触发电阻的一端连接，两个触发电阻的另一端分别连接两只±100kV触发开关的触发端口，所述垒砌在一起的四个电容中相邻电容充电极性相反，依次串联，且每一级R-L-C放电回路的两个电容之间接一只±100kV触发开关(15)；四个电容串联后的其中一端通过箱体接地，另一端输出触发脉冲。

3.根据权利要求1所述的基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统，其特征在于：

所述Marx模块的输出端设置一回流板和接地电阻，所述回流板一端连接至Marx模块接地电阻低压端，另一端连接至靠近触发输出端口的油箱外壳，整体倾斜；接地电阻高压端连接至触发输出端，放电形成过程中充当脉冲隔离电阻。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发系统，其特征在于：

所述触发信号模块和Marx模块固定于变压器油箱体内的尼龙板上。

5.一种基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)初级脉冲源通过充电电阻和高压板向峰化电容充电至几十千伏高电压；

2)峰化电容充电至峰化开关自击穿电压阈值时，峰化开关导通并在峰化电阻高压端产生一触发信号；短路开关在峰化开关动作特定时间后导通，以释放源自初级脉冲源的电流；通过充气气压调整峰化开关和短路开关击穿阈值；

3)触发信号通过电缆引至Marx模块，触发信号脉宽为电缆电长度的2倍；

4)触发信号通过Marx模块的保护电阻触发两只±100kV触发开关，两级R-L-C放电回路串联放电，实现快前沿、高幅值触发信号的输出。

6.根据权利要求5所述的基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发方法，其特征在于：

所述短路开关和阻尼电阻之间应满足以下条件：在峰化开关导通单倍电缆电长度时间后，短路开关导通。

7.根据权利要求5所述的基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发方法，其特征在于：

所述峰化开关和短路开关击穿阈值通过其充气气压调整。

8.根据权利要求5所述的基于初级脉冲源充电的快响应电脉冲触发方法，其特征在于：

所述触发信号模块中的电缆伸入至接地板以下的部分在满足绝缘要求的条件下尽量靠近峰化电容。