CN104184437A - 高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源及其控制方法。包括重复频率LTD模块，及分别与其相连的充电单元、触发单元、去磁单元和换气单元，所述变压器驱动源的每个组成部分在10s时间内完成一次动作，并恢复到准备状态。能够实现100GW以上高功率0.1Hz重复频率快脉冲输出，从而在基于100GW以上高功率变压器驱动源下实现长时间连续重复频率脉冲输出，更有利于核能源的开发，并且实现100GW以上高功率能进一步减低核能源开发成本，并降低核能源开发装置的体积。

Description

高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源及其控制方法，特别是涉及一种适用于核能源开发领域中的高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源及其控制方法。 

背景技术

在核能源开发领域，快脉冲直线型变压器驱动源（linear transformer driver，LTD）是俄罗斯强流电子学研究所提出并发展起来的一种新的高功率脉冲产生的拓扑结构，它采用将储能电容器化整为零、多路并联的方式直接实现高功率快脉冲的输出。快脉冲LTD结构紧凑、易于通过模块的组合实现超高功率快脉冲的输出；具有较强的容错能力、输出波形调节能力和重复频率运行能力，已经成为新一代高功率脉冲技术研究的发展方向。 

现有技术研究表明，核能源领域的能源开发所采用的高功率脉冲驱动源必须具备0.1Hz重复频率运行的能力。 

俄罗斯强流电子学研究所、美国Sandia国家实验室等相继深入开展了快脉冲LTD技术的研究工作，实现了1MA/500kV高功率脉冲的单次产生和500kA/100kV高功率0.1Hz重复频率脉冲的产生能力。能够在一定时间内连续产生重复频率脉冲，但无法满足100GW以上的高功率要求。 

中国工程物理研究院、西北核技术研究所等单位开展了快脉冲LTD技术的研究，实现了100GW高功率脉冲的单次产生和数GW脉冲功率的25Hz重复频率输出。但无法实现100GW大功率下，0.1Hz重复频率脉冲的产生能力。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现100GW以上高功率0.1Hz重复频率快脉冲直线型变压器驱动源及其控制方法。 

本发明采用的技术方案如下：一种高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，包括重复频率LTD模块，及分别与其相连的充电单元、触发单元、去磁单元和换气单元，所述重复频率LTD模块包括多个支路和磁芯，每个支路包括依次相连的第一电容器、第一开关和第二电容器；所述两个电容器，一个与正电压恒流源相连，另一个与同样幅值的负电压恒流源相连；还包括负载电阻，每个支路的电流由正电压电容器经过第一开关流过负电压电容器后经直线变压器将能量耦合到负载电阻；其特征在于： 

每个组成部分在10s时间内完成一次动作，并恢复到准备状态；

所述磁芯为环形磁芯，多个支路均匀设置在环形磁芯的一周上；

所述两个电容器，一个与+100kV恒流源相连，另一个与-100kV恒流源相连；

充电单元，在5s时间内完成对多个支路的电容器的充电；

触发单元，在10s内完成一次触发和准备工作；

去磁单元，在10s内完成一次去磁动作；

换气单元，换气时间少于5s。

作为优选，所述多个支路为34个支路，其中每个支路电感为220nH，电容量为20nF。 

作为优选，所述第一开关为紫外预电离开关。 

作为优选，所述触发单元包括恒流电源，及通过充电隔离电阻与恒流电源相连的脉冲产生电路，所述脉冲产生电路通过传输线分别与所述重复频率LTD模块的多个支路相连。 

作为优选，所述脉冲产生电路包括依次相连形成回路的第二开关、第三电容及匹配电阻。 

作为优选，所述第二开关为氢闸流管。 

作为优选，所述去磁单元包括幅值相同的两个恒流电源：正电源恒流电源和负电源恒流电源；所述正电源恒流电源依次通过第四电容、第一限流电阻和第一电缆与重复频率LTD模块相连，用于对重复频率LTD模块的一组磁芯去磁；所述负电源恒流电源依次通过第五电容、第二限流电阻和第二电缆与重复频率LTD模块相连，用于对重复频率LTD模块的另一组磁芯去磁；所述第四电容和第五电容的高压端之间连接有第三开关。 

作为优选，还包括连接于第一电缆和重复频率LTD模块之间的第一电感。 

作为优选，还包括连接于第二电缆和重复频率LTD模块之间的第二电感。 

作为优选，所述第三开关为氢闸流管。 

作为优选，所述换气单元包括高压气瓶和控制单元，及依次相连并分别与控制单元相连第一阀门、缓冲腔、第二阀门、换气开关、第三阀门和真空泵；所述第一阀门与高压气瓶相连。 

作为优选，所述所有阀门通断时间小于0.2s，真空泵采用36L/s的容量速率。 

基于上述变压器驱动源的控制方法，其特征在于，具体控制方法为：在开始前5s时间内完成去磁单元充电和重复频率LTD模块换气工作，在第5s时去磁单元放电完成对LTD模块磁芯的复位工作；在第二个5s时间内完成触发单元充电和LTD模块充电工作，在第10s时触发单元放电产生触发脉冲触发重复频率LTD模块，重复频率LTD模块放电产生高压脉冲，完成一个周期的工作；第三个5s重复第一个5s时间内的工作，第四个5s重复第二个5s时间内的工作，这样周而复始运行实现了0.1Hz重复频率100GW高功率高压脉冲输出的目的。 

作为优选，其中，换气单元的具体控制方法为：在换气开始，换气单元控制单元将高压气瓶的绝缘气体通过第一阀门转移至缓冲腔，缓冲腔气压略高于换气开关的工作气压，当开关需要换气时，控制单元先启动真空泵和第三阀门将换气开关内的绝缘气体快速泵出，然后关掉真空泵和第三阀门，开启第二阀门向换气开关注入新的绝缘气体，当换气开关内气压到达预定值时关闭第二阀门，换气过程完成。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够实现100GW以上高功率0.1Hz重复频率快脉冲输出，从而在基于100GW以上高功率变压器驱动源下实现长时间连续重复频率脉冲输出，更有利于核能源的开发，并且实现100GW以上高功率能进一步减低核能源开发成本，并降低核能源开发装置的体积。 

附图说明

图1为本发明结构原理框图。 

图2为本发明其中一实施例中的LTD模块的结构剖面示意图。 

图3为图2所示实施例的LTD模块等效电路示意图。 

图4为本发明其中一实施例的触发单元电路原理示意图。 

图5为本发明其中一实施例的去磁单元电路原理示意图。 

图6为本发明其中一实施例的换气单元电路原理示意图。 

图7为本发明其中一实施例的控制方法时间示意图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。 

本具体实施例以实现由初级储能电容器到负载上的0.1Hz重复频率、峰值功率高于100GW的高电压脉冲输出，产生1MA/100kV高电压脉冲为例进行具体说明。 

如图1、2和3所示，高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，包括重复频率LTD模块，及分别与其相连的充电单元、触发单元、去磁单元和换气单元，所述重复频率LTD模块包括多个支路和磁芯，每个支路包括依次相连的第一电容器C1、第一开关K1和第二电容器C2；所述两个电容器，一个与正电压恒流源相连，另一个与同样幅值的负电压恒流源相连；还包括负载电阻R1，每个支路的电流由正电压电容器经过第一开关K1流过负电压电容器后经直线变压器将能量耦合到负载电阻；其中，所述变压器驱动源的每个组成部分在10s时间内完成一次动作，并恢复到准备状态；所述磁芯为环形磁芯，多个支路均匀设置在环形磁芯的一周上；所述两个电容器，一个与+100kV恒流源相连，另一个与-100kV恒流源相连，为两个电容器分别充上+100kV和-100kV的直流高压；充电单元，在5s时间内完成对多个支路的电容器的充电；触发单元，在10s内完成一次触发和准备工作；去磁单元，在10s内完成一次去磁动作；换气单元，换气时间少于5s。 

当第一开关K1触发导通时，每个支路的电流由正电压电容器经过开关流过负电压电容器后经直线变压器将大部分能量耦合到负载电阻R1上，在匹配负载上形成大电流。 

在本具体实施例中，所述多个支路为34个支路；为了获得较大电流输出，电路的电气设计需要低电感设计，每个支路电感为220nH，电容量为20nF。34个支路均布在环形磁芯上，相当于34个变压器初级，所有支路同时放电时共用一个次级，即匹配负载电阻R1。34个支路的匹配负载电阻R1根据R=（1/34）×（L/C）^1/2=（1/34）×（220/20）^1/2=0.1W；在匹配负载电阻R1上的汇聚电流根据I=0.55V/R=0.55×200kV/0.1W=1.1MA。最终实现在匹配负载上的1MA的大电流输出，其脉冲上升时间根据公式t=1.21×（L/C）^1/2可知约为80ns。 

重复频率LTD模块本身实现0.1Hz重复频率输出的技术难题在于要在10s时间内完成对电容器的充电和放电过程，还要保证在下一个10s时间开始时第一开关K1能够承受±100kV的直流耐压，而不会自击穿导通，这就要求开关内的绝缘气体要在10s内从放电被电离恢复到绝缘状态，采用在要求时间内将被电离的绝缘气体更换为新的绝缘气体来实现。 

在本具体实施例中，所述第一开关K1为紫外预电离开关，相对低的导通电感和较低的触发电压，能更好的降低回路电感输出大电流，同时提高模块运行稳定性。 

充电单元主要实现在5s时间内完成对模块整个34个支路的电容器的充电任务。每个支路包含两个电容器，在0.1Hz工作环境下，为了保证紫外预电离开关可靠工作，扣除5s开关换气时间，模块充电时间仅为5秒，根据电容器充电时间与充电电流的关系公式U×C=I×t来选取满足充电时间5秒的100kV的恒流电源来实现。 

如图4所示，所述触发单元包括恒流电源，及通过充电隔离电阻与恒流电源相连的脉冲产生电路，所述脉冲产生电路通过传输线分别与所述重复频率LTD模块的多个支路相连。触发单元为LTD模块中所有紫外预电离开关提供触发信号。LTD模块共有34个±100kV的紫外预电离开关，为实现气体开关的低抖动可靠触发，触发单元输出幅值大于60kV，前沿约50ns的高压脉冲，在模块内流经相同长度传输线后同时触发34个开关，实现同步触发的目的。为了实现0.1Hz重复频率运行需要所选用的器件和开关均要在10s内完成准备和一次工作。选用可以工作在不低于0.1Hz的重复频率下的开关管，控制触发简单，运行稳定。故触发单元能够保证0.1Hz重复频率运行的要求。 

所述脉冲产生电路包括依次相连形成回路的第二开关K2、第三电容C3及匹配电阻R2。基本原理为第三电容器C3由恒流源快速充电至60kV，第二开关K2在前级触发脉冲作用下快速导通，初级电容C3经第二开关K2对地放电，因第三电容C3两端电压不能突变，在C3与R2之间产生快前沿的60kV电脉冲。充电电源采用恒流电源将电容器充电至60kV需要0.5s。 

在本具体实施例中，所述第二开关为氢闸流管，可以工作在kHz的重复频率下而不用对其内部的绝缘介质进行处理，第二开关K2本身的触发只需要低压脉冲信号，其控制可以由计算机程序控制，操作简单，运行稳定。故触发单元能够保证0.1Hz重复频率运行的要求。 

如图5所示，所述去磁单元是为LTD模块中的磁芯提供重复频率去磁复位工作，保证每次LTD模块放电前磁芯由饱和状态复位到励磁状态。要求在LTD模块每次放电前完成去磁任务，为了满足重复频率运行，需要在10s周期内能完成一次去磁动作。包括幅值相同的两个恒流电源：正电源恒流电源和负电源恒流电源；所述正电源恒流电源依次通过第四电容C4、第一限流电阻R4和第一电缆T1与重复频率LTD模块相连，用于对重复频率LTD模块的一组磁芯去磁；所述负电源恒流电源依次通过第五电容C5、第二限流电阻R5和第二电缆T2与重复频率LTD模块相连，用于对重复频率LTD模块的另一组磁芯去磁；所述第四电容和第五电容的高压端之间连接有第三开关K3。 

所述第三开关为氢闸流管。在本具体实施例中，LTD模块内共有四只相同的磁芯，分成两组，去磁需要极性相反的两路去磁脉冲分别给两组磁芯去磁，每一路电流峰值大于5kA，持续时间大于10μs。考虑到去磁对象的对称性采用对称结构去磁电路，可同时输出极性相反而电流波形完全相同的两路去磁电流脉冲。恒流充电电源（±40kV/10mA）在3.5s时间内给分别为880nF的高压储能电容器（C4、C5）充上极性相反的电压（40kV）后，氢闸流管导通，去磁电流源输出脉冲经两路输出电缆（T1、T2）馈送至LTD模块。开关氢闸流管可以工作在kHz的重复频率下，保证0.1Hz重复频率运行需求。 

还包括连接于第一电缆和重复频率LTD模块之间的第一电感；还包括连接于第二电缆和重复频率LTD模块之间的第二电感。隔离电感（L1、L2）用于LTD模块和去磁电源之间的高压隔离，避免LTD模块主回路放电产生的高压脉冲馈入去磁电源回路造成损坏。 

如图6所示，所述换气单元是为了实现所有开关放电后将开关内的绝缘气体置换，保证在下一个周期充电时开关的耐压，确保整个LTD模块的正常工作。包括高压气瓶和控制单元，及依次相连并分别与控制单元相连第一阀门、缓冲腔、第二阀门、换气开关、第三阀门和真空泵；所述第一阀门与高压气瓶相连。在换气开始，换气单元控制单元将高压气瓶的绝缘气体通过第一阀门转移至缓冲腔，缓冲腔气压略高于换气开关的工作气压，当开关需要换气时，控制单元先启动真空泵和第三阀门将换气开关内的绝缘气体快速泵出，然后关掉真空泵和第三阀门，开启第二阀门向换气开关注入新的绝缘气体，当换气开关内气压到达预定值时关闭第二阀门，换气过程完成。 

所述所有阀门通断时间小于0.2s，真空泵采用36L/s的容量速率，34个开关总容积小于15L，抽气3s内开关内残余气体约为8%，1s内可以完成关掉阀门3并开启阀门2向换气开关注入新的绝缘气体的工作，故整个换气过程用时少于5s，保证模块0.1Hz重复频率运行需求。 

如图7所示，基于上述变压器驱动源的具体控制方法为：在开始前5s时间内完成去磁单元充电和重复频率LTD模块换气工作，在第5s时去磁单元放电完成对LTD模块磁芯的复位工作；在第二个5s时间内完成触发单元充电和LTD模块充电工作，在第10s时触发单元放电产生触发脉冲触发重复频率LTD模块，重复频率LTD模块放电产生高压脉冲，完成一个周期的工作；第三个5s重复第一个5s时间内的工作，第四个5s重复第二个5s时间内的工作，这样周而复始运行实现了0.1Hz重复频率100GW高功率高压脉冲输出的目的。 

本具体实施例实现了一种模块化、可以重复频率运行的高功率快脉冲直线型变压器驱动源，实现峰值功率高于100GW、0.1Hz重复频率运行的快脉冲输出，电压峰值100kV、电流峰值1MA，脉冲上升时间小于100ns。 

Claims (10)

1.一种高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，包括重复频率LTD模块，及分别与其相连的充电单元、触发单元、去磁单元和换气单元，所述重复频率LTD模块包括多个支路和磁芯，每个支路包括依次相连的第一电容器、第一开关和第二电容器；所述两个电容器，一个与正电压恒流源相连，另一个与同样幅值的负电压恒流源相连；还包括负载电阻，每个支路的电流由正电压电容器经过第一开关流过负电压电容器后经直线变压器将能量耦合到负载电阻；其特征在于：

所述变压器驱动源的每个组成部分在10s时间内完成一次动作，并恢复到准备状态；

所述磁芯为环形磁芯，多个支路均匀设置在环形磁芯的一周上；

所述两个电容器，一个与+100kV恒流源相连，另一个与-100kV恒流源相连；

充电单元，在5s时间内完成对多个支路的电容器的充电；

触发单元，在10s内完成一次触发和准备工作；

去磁单元，在10s内完成一次去磁动作；

换气单元，换气时间少于5s。

2.根据权利要求1所述的高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，其特征在于：所述多个支路为34个支路，其中每个支路电感为220nH，电容量为20nF。

3.根据权利要求1所述的高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，其特征在于：所述第一开关为紫外预电离开关。

4.根据权利要求1所述的高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，其特征在于：所述触发单元包括恒流电源，及通过充电隔离电阻与恒流电源相连的脉冲产生电路；所述脉冲产生电路通过传输线分别与所述重复频率LTD模块的多个支路相连。

5.根据权利要求4所述的高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，其特征在于：所述脉冲产生电路包括依次相连形成回路的第二开关、第三电容及匹配电阻；所述第二开关为氢闸流管。

6.根据权利要求1所述的高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，其特征在于：

所述去磁单元包括幅值相同的两个恒流电源：正电源恒流电源和负电源恒流电源；

所述正电源恒流电源依次通过第四电容、第一限流电阻和第一电缆与重复频率LTD模块相连，用于对重复频率LTD模块的一组磁芯去磁；

所述负电源恒流电源依次通过第五电容、第二限流电阻和第二电缆与重复频率LTD模块相连，用于对重复频率LTD模块的另一组磁芯去磁；

所述第四电容和第五电容的高压端之间连接有第三开关。

7.根据权利要求6所述的高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，其特征在于：还包括：连接于第一电缆和重复频率LTD模块之间的第一电感；连接于第二电缆和重复频率LTD模块之间的第二电感；所述第三开关为氢闸流管。

8.根据权利要求1所述的高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，其特征在于：所述换气单元包括高压气瓶和控制单元，及依次相连并分别与控制单元相连第一阀门、缓冲腔、第二阀门、换气开关、第三阀门和真空泵；所述第一阀门与高压气瓶相连；所述所有阀门通断时间小于0.2s，真空泵采用36L/s的容量速率。

9.基于根据权利要求1所述的高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源，其特征在于的控制方法，其特征在于，具体控制方法为：在开始前5s时间内完成去磁单元充电和重复频率LTD模块换气工作，在第5s时去磁单元放电完成对LTD模块磁芯的复位工作；在第二个5s时间内完成触发单元充电和LTD模块充电工作，在第10s时触发单元放电产生触发脉冲触发重复频率LTD模块，重复频率LTD模块放电产生高压脉冲，完成一个周期的工作；第三个5s重复第一个5s时间内的工作，第四个5s重复第二个5s时间内的工作，这样周而复始运行实现了0.1Hz重复频率100GW高功率高压脉冲输出的目的。

10.根据权利要求9所述的高功率重复频率快脉冲直线型变压器驱动源控制方法，其特征在于：其中，换气单元的具体控制方法为：在换气开始，换气单元控制单元将高压气瓶的绝缘气体通过第一阀门转移至缓冲腔，缓冲腔气压略高于换气开关的工作气压，当开关需要换气时，控制单元先启动真空泵和第三阀门将换气开关内的绝缘气体快速泵出，然后关掉真空泵和第三阀门，开启第二阀门向换气开关注入新的绝缘气体，当换气开关内气压到达预定值时关闭第二阀门，换气过程完成。