CN105187031B - 共用腔体的多级串联ltd及其触发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级串联直线变压器驱动源(Linear Transformer Driver，简称LTD)，以及该驱动源的触发方法。本发明包括多个串联叠放的LTD模块；所有的LTD模块位于一个共用的无磁性金属壳体内。本发明解决了常规多级串联LTD触发电路繁多，制造成本高且触发时序难以保证的技术问题。本发明将多级LTD模块串联叠放于一个共用壳体内，3‑4级LTD模块可以共用一路触发脉冲，所有的LTD模块可以共用一路充电电缆，因此显著减少了引入的触发电缆路数和充电电缆路数，简化了原本十分复杂的线路排布，提高了设备运行可靠性。

Description

共用腔体的多级串联LTD及其触发方法

技术领域

本发明涉及一种多级串联直线变压器驱动源(Linear Transformer Driver，简称LTD)，以及该驱动源的触发方法。

背景技术

LTD脉冲源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50－200ns的高功率脉冲，它在Z箍缩惯性约束聚变(ICF)/聚变能源(IFE)、闪光照相、等熵压缩(ICE)、强激光、X箍缩等领域具有重要应用。要实现Z箍缩ICF/IFE，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60MA LTD型驱动源概念设计，共210路并联，每路60级串联。俄罗斯大电流所研制的1MA LTD模块是大型Z箍缩ICF/IFE的LTD脉冲驱动源概念设计的基础单元，每级模块为一独立模块，内部只含类似Marx的一级电路。每级1MA LTD模块需要4路前沿约25ns幅值120kV的触发脉冲，则210路并联、每路60级串联、电流60MA LTD型脉冲源共需提供50400路上述参数的触发脉冲，而且要求触发脉冲按一定时序使串联模块开关触发闭合，以达到高效叠加与传输，这对触发系统提出了严峻挑战。

LTD常用多间隙气体开关从施加触发脉冲到击穿闭合的延时约30-40ns，要实现多级串联模块电流、电压的有效叠加，开关要求按照标准IVA时序触发闭合。专利CN201310380076.7和CN201410577917.8公开了一种基于内部支路与角向线的同级模块，以及次级为水介质传输线的多级串联LTD的触发方法，简化了LTD脉冲源对触发系统的要求，但独立模块串联的电路拓扑结构导致触发脉冲只能在同一模块内发生作用，每级模块需要分别引入充电电缆和触发电缆。中物院王勐等提出混合式LTD模块电路拓扑结构，每个支路由4级Marx电流串联，采用前2级开关外触发，其余开关过压自击穿的方式，支路为同轴结构，输出高压及外筒与模块腔体与模块内部的高压电极连接，1MA LTD模块共50个支路，该拓扑结构本质上为传统的IVA，脉冲储能与形成单元位于模块之外，单级模块需要的触发路数仍较多。

常规多级串联LTD由独立的单级接地腔体压紧在一起，模块单独激磁、每级独立，多级串联沿轴向压紧密封，次级电极杆通过电磁感应获得电压叠加，其结构如图1所示。每级模块和模块内每个支路的工作条件相同，模块初级外壳在电容器充电和开关触发闭合后处于地电位，多级模块输出电压由电磁感应在次级金属电极杆叠加，脉冲高电压仅存在次级区域。通过分析常规3级串联LTD模块的电流流向和每级模块开关闭合后的脉冲电位分布可知，当模块电气参数与尺寸相同，且模块开关同时触发闭合，则相邻模块之间的激磁电流幅值相等、流向相反，相互抵消，因此相邻模块之间的2块接地盖板不传导电流，仅起到密封模块腔体及保持地电位作用。多余的接地盖板必然增加了多级串联LTD模块的制造成本，而且每级模块均需要单独从外部分别引入充电电缆和触发电缆，不仅增加了制造成本，同时安装不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种共用腔体的多级串联LTD及其触发方法，解决了常规多级串联LTD触发电路繁多，制造成本高且触发时序难以保证的技术问题。

本发明的技术解决方案是：所提供的共用腔体的多级串联LTD包括多个串联叠放的LTD模块；所述LTD模块位于一个共用的无磁性金属壳体内；每两个相邻的LTD模块间设置有一个镂空的接地电极板；

每个LTD模块均包括呈圆周状均匀设置的一个触发支路和多个放电支路；所述触发支路通过角向传输线与一个金属触发环相连；所述金属触发环通过隔离电感或电阻与放电支路相连；

所述触发支路通过触发电缆与外部触发电源连接；

所述放电支路通过充电电缆与外部充电电源连接。

上述触发支路包括电容器CT1、电容器CT2、开关ST和电阻Rg；所述电容器CT1一端与开关ST的负高压电极连接，另一端接地；所述电容器CT2一端与开关ST正高压电极连接，另一端通过电阻Rg与接地电极板相连；所述开关ST的触发极通过隔离电感ZS与触发电缆相连；所述电阻Rg与电容器CT2之间为高压输出端H。

上述放电支路包括电容器C1、电容器C2和开关S；所述电容器C1和电容器C2分别与开关S的正高压电极和负高压电极相连。

上述角向传输线包括两个1/4圆周角向传输线和四个1/8圆周角向传输线；所述1/4圆周角向传输线的输入端与高压输出端H相连，1/4圆周角向传输线的输出端与两个1/8圆周角向传输线的输入端相连；1/8圆周角向传输线的输出端与金属触发环相连。

本发明提供一种多级串联LTD的触发方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】由触发电源产生的外部触发脉冲沿触发电缆同时引入至各LTD模块的触发支路；

2】触发支路的开关ST在外部触发脉冲作用下击穿闭合，使电容器CT1和电容器CT2串联，在高压输出端H产生两倍于充电电压的触发脉冲；

3】高压输出端H处产生的触发脉冲分别沿顺时针和逆时针两个方向上的1/4圆周角向传输线传输至位于圆周二等分点上的1/4圆周角向传输线输出端；

4】1/4圆周角向传输线输出端处的触发脉冲分别沿两个反方向的1/8圆周角向传输线传输至位于圆周四等分点上的1/8圆周角向传输线输出端，并进一步传输至金属触发环；

5】金属触发环通过隔离电感或电阻将触发脉冲引入至各放电支路开关S的触发电极，使放电支路开关S击穿闭合，使电容器C1和电容器C2串联，实现各LTD模块的放电支路同步放电。

本发明的有益效果是：

(1)本发明将多级LTD模块串联叠放于一个共用壳体内，3-4级LTD模块可以共用一路触发脉冲，所有的LTD模块可以共用一路充电电缆，因此显著减少了引入的触发电缆路数和充电电缆路数，简化了原本十分复杂的线路排布，提高了设备运行可靠性。

(2)本发明将两个相邻的LTD模块之间的接地盖板合二为一，并设计为轮辐镂空状，方便电缆内部走线。圆柱腔体也仅需在端部使用2个法兰，减少了法兰和中间盖板的数量，压缩了脉冲源轴向高度，提高了串联模块集成度，进而降低了整体设备的体积、重量以及造价。

(3)本发明的单个LTD模块包括一个触发支路和多个主放电支路，只需要一路触发脉冲使触发支路开关闭合，再通过角向传输线传输至各主放电支路，使同级模块内的主放电支路同步击穿闭合，自动实现按标准IVA时序触发。

附图说明

图1为常规三级串联LTD拓扑结构示意图；

图2为共用腔体的三级串联LTD拓扑结构示意图；

图3为单级LTD模块内部结构示意图；

图4为角向传输线连接示意图；

图5为单级LTD模块轴向剖视图；

图6为常规三级串联LTD等效电路；

图7为共用腔体的三级串联LTD等效电路；

图8为由两种等效电路模拟计算得到的电流及电压波形。

具体实施方式

本发明的核心技术思想是：所有串联模块每级由一个触发支路和主放电支路组成，同级模块采用一路脉冲使触发支路开关闭合，通过角向传输线传输到同级主放电支路开关，使同级模块同步触发闭合；多级串联模块内电极压紧密封形成次级外筒，构成LTD机芯，装入一个无磁性的金属壳体(如铝或不锈钢等)，除第一级和最后一级模块的接地金属盖板为整体，模块之间电极板合二为一且呈镂空轮辐状，通过金属电极与腔体端部的接地电极板连接；模块正负极性充电电缆从第一级模块引入，通过隔离电感连接到各级模块开关，引入的n路外触发脉冲(等于模块串联数与一路脉冲可有效触发支路的开关数)通过隔离电阻分别连接到各级模块触发支路，当初级采用气体绝缘、次级采用真空绝缘或真空磁绝缘，触发脉冲与次级感应的电脉冲在初次级传输时间基本相等，实现所有串联模块按标准IVA时序触发。

参见图2，以共用腔体的三级串联LTD为例，三级串联叠放的LTD模块共用一个无磁性的金属壳体1，每两个相邻的LTD模块间设置有一个镂空的接地电极板2；正极性充电电缆3和负极性充电电缆4分别通过隔离电感或电阻依次连接到三级模块支路开关正负高压电极；一路外部触发电缆5从上游第一级模块接地盖板引入，通过隔离电阻连接到各级模块触发支路6的开关触发电极，当触发支路6的开关触发闭合后，各级模块产生的快前沿触发脉冲沿各自角向传输线传输到本级模块其他放电支路的开关，使三级串联模块获得触发脉冲同步闭合。如共用腔体充气体，即初级气体绝缘，次级真空绝缘或真空磁绝缘，模块之间触发脉冲传输时间与次级电脉冲传输时间相同，外部引入的一路脉冲使三级串联模块开关按标准IVA时序触发闭合，次级获得近三倍电压。多级串联模块共用同一腔体，相邻模块之间通过镂空的接地电极板2相通和接地，形成初级区域，可简化LTD脉冲源充电、触发、气路连接，提高了串联模块集成度，压缩了多级串联LTD高度。

参见图3，每个LTD模块均包括呈圆周状均匀设置的一个触发支路6和多个放电支路7；触发支路6通过多组角向传输线8与一个金属触发环9相连；金属触发环9通过隔离电感或电阻与放电支路7相连。参见图4，角向传输线8的具体连接方式为：触发支路6的高压输出端H与两个方向相反的1/4圆周角向传输线81相连，每个1/4圆周角向传输线81又分别与两个方向相反的1/8圆周角向传输线82相连。四条1/8圆周角向传输线82分别在其输出端与金属触发环9相连。

参见图5，触发支路6包括电容器CT1、电容器CT2、开关ST和电阻Rg；电容器CT1一端与开关ST的负高压电极连接，另一端接地；电容器CT2一端与开关ST正高压电极连接，另一端通过电阻Rg与接地电极板相连；开关ST的触发极通过隔离电感或电阻与触发电缆5相连；电阻Rg与电容器CT2之间为高压输出端H。放电支路7包括电容器C1、电容器C2和开关S；电容器C1和电容器C2分别与开关S的正高压电极和负高压电极相连。

共用腔体的三级串联LTD的具体工作过程为：所有支路开关的正高压电极通过螺旋状电阻丝串接，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串接，引出到模块负极性充电电源，螺旋状电阻丝起隔离作用。当所有支路电容器充电到设定电压时，引入腔体的一路前沿约25ns幅值140kV的外触发脉冲通过上游第一级接地盖板电缆引入接孔引入，经一电感数微亨和电阻数十欧姆的螺旋状电阻丝连接到触发支路的开关ST触发电极，引起开关ST击穿闭合，使触发支路两只电容器CT1、CT2串联，电容器CT1一端接地，在触发支路6的高压输出端H，产生快前沿幅值约2倍电容器充电电压的触发脉冲，从H点开始分别沿两条1/4圆周角向传输线81传输至图4中的A、C两点，从A、C两点再分别经四条1/8圆周角向传输线82沿顺时针和逆时针方向传输1/4圆周到B1、B2和D1、D2四点，再从B1、B2和D1、D2四点分别连接到金属触发环9。金属触发环9根据模块并联的总支路数m均分为m/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本级模块其余放电支路7的开关触发电极，使所有放电支路7的开关击穿闭合，实现三级模块主放电支路的同步放电。

图6为常规多级(三级)串联LTD的等效电路图，图7为共用腔体多级(三级)串联LTD的等效电路图，当单模块的电气参数与俄罗斯大电流所研制的40支路并联的等效电气参数相同，即C＝800nF，电感L＝7μH，连接0.1Ω的匹配电阻负载，次级传输线阻抗每级增加0.1Ω，电气长度0.73ns。当多级串联LTD模块按标准IVA时序触发闭合时两种结构在电路上等效，模拟计算结果如图8所示，匹配负载上的电压电流完全相同，电流约1MA，电压约300kV。

本发明提出的模块结构和触发方法尤其适合初级采用气体绝缘、次级采用真空绝缘或真空磁绝缘的多级串联LTD脉冲源，每路触发脉冲可有效触发3－4级串联模块，且电脉冲在初次级传输时间相同，自动实现了LTD按标准IVA时序触发。发明的共用腔体的LTD结构及触发方法显著减少了LTD型驱动源引入的触发电缆路数和充电电缆数。

Claims (5)

1.一种共用腔体的多级串联LTD，其特征在于：包括多个串联叠放的LTD模块；所述多个串联叠放的LTD模块位于一个共用的无磁性金属壳体内；每两个相邻的LTD模块间设置有一个镂空的接地电极板；

每个LTD模块均包括呈圆周状均匀设置的一个触发支路和多个放电支路；所述触发支路通过多组角向传输线与一个金属触发环相连；所述金属触发环通过隔离电感或电阻与放电支路相连；

所述触发支路通过触发电缆与外部触发电源连接；

所述放电支路通过充电电缆与外部充电电源连接。

2.根据权利要求1所述的共用腔体的多级串联LTD，其特征在于：所述触发支路包括电容器CT1、电容器CT2、开关ST和电阻Rg；所述电容器CT1一端与开关ST的负高压电极连接，另一端接地；所述电容器CT2一端与开关ST正高压电极连接，另一端通过电阻Rg与接地电极板相连；所述开关ST的触发极通过隔离电感ZS与触发电缆相连；所述电阻Rg与电容器CT2之间为高压输出端H。

3.根据权利要求1或2所述的共用腔体的多级串联LTD，其特征在于：所述放电支路包括电容器C1、电容器C2和开关S；所述电容器C1和电容器C2分别与开关S的正高压电极和负高压电极相连。

4.根据权利要求2所述的共用腔体的多级串联LTD，其特征在于：所述角向传输线包括两个1/4圆周角向传输线和四个1/8圆周角向传输线；所述1/4圆周角向传输线的输入端与高压输出端H相连，1/4圆周角向传输线的输出端与两个1/8圆周角向传输线的输入端相连；1/8圆周角向传输线的输出端与金属触发环相连。

5.一种多级串联LTD的触发方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】由触发电源产生的外部触发脉冲沿触发电缆同时引入至各LTD模块的触发支路，所述LTD模块串联叠放于一个共用的无磁性金属壳体内；

2】触发支路的开关ST在外部触发脉冲作用下击穿闭合，使电容器CT1和电容器CT2串联，在高压输出端H产生两倍于充电电压的触发脉冲；

3】高压输出端H处产生的触发脉冲分别沿顺时针和逆时针两个方向上的1/4圆周角向传输线传输至位于圆周二等分点上的1/4圆周角向传输线输出端；

4】1/4圆周角向传输线输出端处的触发脉冲分别沿两个反方向的1/8圆周角向传输线传输至位于圆周四等分点上的1/8圆周角向传输线输出端，并进一步传输至金属触发环；

5】金属触发环通过隔离电感或电阻将触发脉冲引入至各放电支路开关S的触发电极，使放电支路开关S击穿闭合，实现各LTD模块的放电支路同步放电。