CN104467772A - 脉冲变压器型触发器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲变压器型触发器，属于气体开关触发技术领域。包括依次串联的原边驱动部分、脉冲变压器、自击穿型快充放电Marx部分及隔直保护部分。本发明的自击穿型快充放电Marx部分将脉冲变压器副边电容电压进行幅值叠加和前沿陡化。所述触发器的输入电压幅值、输出电压幅值极性、脉冲变压器参数和自击穿陡化部分参数均可根据需要进行调节。本发明的触发器能够克服传统Marx触发器的多级球隙抖动较大、配套设备较多的问题，且能够克服传统脉冲变压器型触发器的绝缘、漏感以及体积问题。

Description

脉冲变压器型触发器

技术领域

本发明属于气体开关触发技术领域，具体涉及一种脉冲变压器型触发器。

背景技术

两电极高库伦大电流气体开关作为脉冲功率电源装置中的重要部件，多采用高幅值(≥100kV)、快前沿(≤20ns)的脉冲进行触发导通。常用的获得高幅值、陡前沿、低抖动脉冲的方法有：传统的Marx触发器、脉冲电容器经气体开关放电输出脉冲、Tesla变压器对脉冲形成线充电、脉冲变压器型触发器等等。

传统的Marx触发器(引用专利《一种二电极气体开关用Marx触发器》，杨兰均，2010.05.26，申请公布号CN101715269A)利用多个低电感储能电容器先并联充电，处于待机状态，然后串联放电，使电压加倍从而获得更高的脉冲电压。尽管Marx触发器技术成熟，但它一般都需要附属高压充电设备和第一级球隙的专用触发器，使得整体体积偏大，结构复杂；而且多级球隙串联放电时，每一级球隙所带来的抖动会累加，不利于实现多路同步精确、可靠工作。

传统的脉冲变压器型触发器利用脉冲变压器升压，经单个陡化开关陡化输出高幅值、陡前沿脉冲，其原边储能电容充电电压低，控制回路简单，不需要高压充电设备。但是减小大变比变压器的漏感比较困难，使得输出波形的前沿不能做到很小，并且由于采用大变比变压器直接升到100kV以上电压，变压器容易出现绝缘问题。输出幅值超过100kV的变压器需要的伏秒积会很大，这就伴随着铁芯体积以及整个变压器体积较为庞大问题。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于触发两电极高库伦大电流气体开关的脉冲变压器型触发器，该触发器能够克服传统Marx触发器的多级球隙抖动较大、配套设备较多的问题，且能够克服传统脉冲变压器型触发器的绝缘、漏感以及体积问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种脉冲变压器型触发器，包括依次串联的原边驱动部分、脉冲变压器、自击穿型快充放电Marx部分及隔直保护部分；

原边驱动部分包括充电模块、晶闸管串及原边充电电容，原边充电电容采用充电模块进行快速充电，充电模块一端接原边充电电容正极及晶闸管串的阳极，另一端接地；原边充电电容与晶闸管串及脉冲变压器原边串联；晶闸管串阴极和脉冲变压器原边的一个端点共同接地；

自击穿型快充放电Marx部分包括若干级，每一级都包含一对耦合电感、一个副边电容及一对放电球电极，放电球电极的一端与副边电容相连，另一端与耦合电感的一端相连，耦合电感与副边电容间隔串联；脉冲变压器副边输出端正极与自击穿型快充放电Marx部分的输入端相连，脉冲变压器副边输出端负极接地；

隔直保护部分包括串联的隔直球隙和隔直电容，且隔直球隙和隔直电容设置于自击穿型快充放电Marx部分与两电极高库伦大电流气体开关之间。

所述晶闸管串采用静态电阻均压、动态阻容电路进行缓冲保护，晶闸管的同步触发是由电容经MOSFET对一个单原边多副边的电流变压器放电实现，触发电流的前沿和幅值由电流变压器副边串接的电阻进行调节。

在晶闸管的两端并联有用于保护晶闸管的反向快速续流二极管。

原副边绕组匝数少，脉冲变压器采用低漏感绕组分布形式。

自击穿型快充放电Marx部分通过耦合电感进行隔离。

当脉冲变压器副边输出高压脉冲时，耦合电感处于同名端连接方式；当副边电容电压满足球电极的自击穿条件时，各个球隙同步击穿，耦合电感处于异名端连接方式。

所述自击穿型快充放电Marx部分在接收到光纤信号之前处于不带电状态。

自击穿型快充放电Marx部分的级数为2～10级。

相对应的一对耦合电感绕制于同一块闭合磁芯上，同一闭合磁芯上的一对耦合电感匝数一致；且闭合磁芯截面满足每一级球电极放电时加在耦合电感上的脉冲电压的伏秒积。

该触发器输出的电压脉冲为正负双极性，将自击穿型快充放电Marx部分与脉冲变压器部分两接线头对调则改变触发器输出脉冲极性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的脉冲变压器型触发器包括四个模块化结构，为依次串联的原边驱动部分、脉冲变压器、自击穿型快充放电Marx部分及隔直保护部分，模块化的结构更加便于组装和配合。主要优势体现在：

首先，本发明的脉冲变压器部分输出端电压幅值不高，很好的解决了普通脉冲变压器型触发器高幅值脉冲直接经单个陡化开关陡化的技术方案所面临的绝缘问题和变压器漏感大、体积大等问题。

其次，自击穿型快充放电Marx部分包括若干级，每一级都包含一对耦合电感、一个副边电容及一对放电球电极，很好的解决了传统Marx型触发器的多级(一般大于6级)球隙抖动较大的问题，同时也省去了传统Marx型触发器为第一级球隙专门配置的触发系统，使整体结构更加简单。

再次，本发明采用多级球隙自击穿陡化，与普通脉冲变压器型触发器采用单级陡化开关相比，单级能量小，很大程度减小了球电极的烧蚀，减小了对球电极耐烧蚀强度的要求。

最后，本发明可以很方便的通过调整原边充电电容的容值和充电电压、脉冲变压器的匝比、自击穿球电极间隙距离、充气气压、副边电容值等参数来得到不同的输出电压和输出能量，从而满足不同需求。除了用于触发高库伦大电流两电极气体开关外，还可以用于其它需要高幅值快前沿高压脉冲的场合，应用广泛。

进一步地，本发明的后级自击穿型快充放电Marx部分在非工作时处于不带电状态，不会出现误触发问题。

进一步地，本发明可以正负双极性脉冲输出，由于整体触发器模块化结构，不改变脉冲变压器副边接地点，只需将自击穿型快充放电Marx部分与脉冲变压器部分两接线头对调后即可改变触发器输出脉冲极性，因此能够满足不同场合需求。

进一步地，自击穿型快充放电Marx部分的级数可以是2～10级，可以根据需要自行调整自击穿型快充放电Marx的级数，使用灵活。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

其中，SCR为晶闸管串，D为二极管，C为原边充电电容，T为脉冲变压器，g₁、g₂……g_N为自击穿球电极，C₁、C₂……C_N为副边储能电容，L₁₁、L₁₂为相互配合的耦合电感，L₂₁、L₂₂为相互配合的耦合电感，L_N1、L_N2为第N级相互配合的耦合电感，自击穿型快充放电Marx部分为N(2～10)级；g₀为隔直球隙，C₀为隔直电容。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种新型脉冲变压器型触发器，包括依次串联的原边驱动部分、脉冲变压器部分、自击穿型快充放电Marx部分、隔直保护部分。

串联结构即为：原边驱动部分的输出端与脉冲变压器部分的输入端相连，脉冲变压器部分的输出端与自击穿型快充放电Marx部分的输入端相连，自击穿型快充放电Marx部分的输出端与隔直保护部分的输入端相连，最后隔直保护部分的输出用于产生高压脉冲。

为了减小漏感，采用提高原边电压减小变比的方法。固体开关中，晶闸管的通流能力大，但是普通晶闸管开关耐压只有2500V，远不能满足实际要求，所以前级采用晶闸管串联作为原边驱动回路的开关。系统后级快充放电Marx部分球电极兼顾波形陡化和电压叠加作用。接收到光纤信号后，已经用高压模块充好电的原边电容经晶闸管串对脉冲变压器快速放电，脉冲变压器产生的高幅值快前沿脉冲对自击穿型Marx进行快速充电，伴随着各级球隙的同步击穿放电同时实现电压幅值的叠加以及脉冲前沿的陡化。

本发明触发器主电路结构为：主电路包括前级晶闸管串联同步触发、脉冲变压器、高压恒流模块、自击穿型快充放电Marx部分、隔直保护部分。

主放电电容经过晶闸管串与脉冲变压器的原边串联，晶闸管串的阴极和脉冲变压器原边一端共同接地，高压充电模块对主放电电容充电恒流充电，脉冲变压器副边输出端接自击穿型Marx，采用耦合电感隔离。变压器副边输出端负极接地。主充电电容采用高压恒流模块进行快速充电，其一端接地。一端接充电电容正极，也即是晶闸管串的阳极。

所述的晶闸管串采用静态电阻均压保护，动态阻容电路进行缓冲保护，晶闸管的同步触发是由电容经MOSFET对一个单原边多副边的电流变压器放电实现，触发电流的前沿和幅值由副边串接的电阻进行调节。所述的脉冲变压器采用环形磁芯结构，较小磁芯体积和提高磁芯利用率。

所述的自击穿型快充放电Marx，采用放电球隙经过耦合电感进行隔离。脉冲变压器副边输出高压脉冲时，耦合电感处于同名端连接方式，电感相互削减，从而实现对副边电容的快速充电。待副边电容电压满足球电极的自击穿条件时，球隙同步击穿，此时耦合电感处于异名端连接方式，电感相互增强，从而增大隔离电感的阻抗，提高隔离效果，使得电容放电回路只是副边电容、球电极和连接它们的导线，而不经过耦合电感。自击穿型快充放电Marx级数可以根据实际需要在2～10级内调整。

参见图1，一种新型脉冲变压器型触发器，包括；原边驱动部分、脉冲变压器部分、自击穿型快充放电Marx部分、隔直保护部分。

接收到光纤信号后，已经用高压充电模块充好电的原边电容经晶闸管串同步导通对脉冲变压器快速放电，脉冲变压器产生的高幅值快前沿脉冲对自击穿型快充放电Marx进行快速充电，伴随着N对球隙的同步击穿放电实现电压幅值的N倍叠加以及脉冲前沿的陡化。

原边充电电容C容量为0.1μF～10μF，充电电压为3kV～10kV；SCR为晶闸管串，整体耐压与原边充电电容充电电压配合，安全起见，留有一定裕度。晶闸管串导通时间小于1μs；如上所述构成原边驱动部分。脉冲变压器T输出电压幅值在30kV～80kV，前沿0.1μs～100μs，如上所述构成脉冲变压器部分。相互配合的L_N1和L_N2起隔离作用时电感值为0.1mH～100mH，相互削弱时电感值为1μH～50μH；球电极g_N直径为15mm～40mm，间隙距离为2mm～7mm；副边储能电容C_N容值为1000pF～5000pF，耐压与脉冲变压器副边输出电压配合；如上所述为自击穿型快充放电Marx部分。隔直球电极g₀直径为15mm～40mm，间隙距离为5mm～30mm；隔直电容C₀容值为500pF～3000pF，耐压与触发器输出电压配合；如上所示为保护部分。

下面给出一些参数变化的实施例。

实施例1

本实施例为一种用于两电极高库伦大电流气体开关的触发器，自击穿型快充放电Marx级数为3级，原边充电电容容值取0.5μF，充电5.7kV，脉冲变压器输出幅值+45kV、前沿1.7μs的脉冲电压；副边三个电容均取值1700pF，50kV耐压；三个球隙同步击穿实现幅值叠加、前沿陡化。两电极高库伦大电流气体开关在充空气10个大气压情况下，能可靠击穿。

实施例2

本实施例为一种用于两电极高库伦大电流气体开关的触发器，自击穿型快充放电Marx级数为5级，原边充电电容容值取5μF，充电3kV，脉冲变压器输出幅值+25kV、前沿10μs的脉冲电压；副边四个电容均取值3000pF，35kV耐压；五个球隙同步击穿实现幅值叠加、前沿陡化。两电极高库伦大电流气体开关在充空气8个大气压情况下，能可靠击穿。

实施例3

本实施例为一种用于两电极高库伦大电流气体开关的触发器，自击穿型快充放电Marx级数为6级，原边充电电容容值取3μF，充电2kV，脉冲变压器输出幅值-20kV、前沿15μs的脉冲电压；副边三个电容均取值2000pF，30kV耐压；六个球隙同步击穿实现幅值叠加、前沿陡化。两电极高库伦大电流气体开关在充空气9个大气压情况下，能可靠击穿。

Claims (10)

1.一种脉冲变压器型触发器，其特征在于，包括依次串联的原边驱动部分、脉冲变压器、自击穿型快充放电Marx部分及隔直保护部分；

原边驱动部分包括充电模块、晶闸管串及原边充电电容，原边充电电容采用充电模块进行快速充电，充电模块一端接原边充电电容正极及晶闸管串的阳极，另一端接地；原边充电电容与晶闸管串及脉冲变压器原边串联；晶闸管串阴极和脉冲变压器原边的一个端点共同接地；

自击穿型快充放电Marx部分包括若干级，每一级都包含一对耦合电感、一个副边电容及一对放电球电极，放电球电极的一端与副边电容相连，另一端与耦合电感的一端相连，耦合电感与副边电容间隔串联；脉冲变压器副边输出端正极与自击穿型快充放电Marx部分的输入端相连，脉冲变压器副边输出端负极接地；

隔直保护部分包括串联的隔直球隙和隔直电容，且隔直球隙和隔直电容设置于自击穿型快充放电Marx部分与两电极高库伦大电流气体开关之间。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲变压器型触发器，其特征在于，所述晶闸管串采用静态电阻均压、动态阻容电路进行缓冲保护，晶闸管的同步触发是由电容经MOSFET对一个单原边多副边的电流变压器放电实现，触发电流的前沿和幅值由电流变压器副边串接的电阻进行调节。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲变压器型触发器，其特征在于，在晶闸管的两端并联有用于保护晶闸管的反向快速续流二极管。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲变压器型触发器，其特征在于，脉冲变压器采用低漏感绕组分布形式。

5.根据权利要求1所述的一种脉冲变压器型触发器，其特征在于，自击穿型快充放电Marx部分通过耦合电感进行隔离。

6.根据权利要求1所述的一种脉冲变压器型触发器，其特征在于，当脉冲变压器副边输出高压脉冲时，耦合电感处于同名端连接方式；当副边电容电压满足球电极的自击穿条件时，各个球隙同步击穿，耦合电感处于异名端连接方式。

7.根据权利要求1所述的一种脉冲变压器型触发器，其特征在于，所述自击穿型快充放电Marx部分在接收到光纤信号之前处于不带电状态。

8.根据权利要求1所述的一种脉冲变压器型触发器，其特征在于，自击穿型快充放电Marx部分的级数为2～10级。

9.根据权利要求1所述的一种脉冲变压器型触发器，其特征在于，相对应的一对耦合电感绕制于同一块闭合磁芯上，同一闭合磁芯上的一对耦合电感匝数一致；且闭合磁芯截面满足每一级球电极放电时加在耦合电感上的脉冲电压的伏秒积。

10.根据权要求1所述的一种脉冲变压器型触发器，其特征在于，该触发器输出的电压脉冲为正负双极性，将自击穿型快充放电Marx部分与脉冲变压器部分两接线头对调则改变触发器输出脉冲极性。