CN105869861B - 一种Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高电压技术和脉冲功率技术领域，涉及一种Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置，包括晶闸管、电容器、二极管、电感器、底板、上端板、下端板、左侧板、右侧板、盖板和高压电极。本发明将初级电路和机柜集成在一起，机柜作为初级电路的负极和储热装置，初级电路对称地布置于机柜内部，整个装置结构紧凑，实现了模块化，摆脱了传统初级电路水冷系统的使用限制，在提升Tesla型脉冲变压器的效率同时，解决大功率电路元器件发热问题。

Description

一种Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置
技术领域
本发明属于高电压技术和脉冲功率技术领域，涉及一种Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置。
背景技术
带开路磁芯的Tesla型脉冲变压器(Tesla Tranformer，TT)与同轴脉冲形成线(Coaxial PFL)一体化结构具有能量效率高、简单可靠、结构紧凑、适于重复频率运行等优点，在脉冲功率技术领域得到了广泛应用。一般的Tesla脉冲变压器初级为单匝铜带，次级为锥形多匝线圈，两者之间通过开路磁芯耦合，在结构上与同轴脉冲形成线成为一体。Tesla脉冲变压器的初级外接电容器和晶闸管，构成Tesla脉冲变压器初级电路。工作时电容器充电至工作电压，然后触发晶闸管导通，初级电路对Tesla脉冲变压器放电，初级电路放电产生几十千安的脉冲电流经过Tesla脉冲变压器升压给同轴脉冲形成线的等效电容进行脉冲充电。通常在电容器两端反向并联二极管和电感对初级电路放电过程中产生的反压进行保护和能量回收。
Tesla脉冲变压器的初级内置于同轴脉冲形成线内部，其电路参数随着Tesla脉冲变压器结构的确定无法改变，为保证Tesla脉冲变压器具有较高的耦合效率，必须减小初级电路的杂散电感。初级电路的杂散电感除了电容器自身电感外，还与承装初级电路的机柜有关，即与初级电路的结构形式有关。以往Tesla型脉冲变压器的初级电路设计仅考虑初级电路参数本身，而忽略了机柜对初级放电参数的影响。特别是对于大型脉冲功率装置，如图1所示，承装初级电路的机柜200放置于Tesla脉冲变压器和同轴脉冲形成线一体化结构100的旁边。随着脉冲功率装置功率水平的不断提升，初级电路的功率亦越来越高，相应的初级电路体积和机柜也越来越大，初级电路杂散参数不可避免地增大，从而会导致Tesla变压器的耦合效率降低。与此同时初级电路的功率元器件如晶闸管、二极管的散热问题，虽然可以通过水冷系统解决，但无疑增加了整个系统的复杂性，而且水冷系统的应用容易受到使用环境的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种为Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置，提升Tesla型脉冲变压器的效率，同时解决大功率电路元器件发热问题。
为达到上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置，包括晶闸管、电容器、二极管、电感器、底板、上端板、下端板、左侧板、右侧板、盖板和高压电极；
上端板和下端板形状一样，为矩形板；底板和盖板形状一样，纵切面为弧形的弧形板；左侧板和右侧板形状一样，为扇状弧形板；底板、上端板、下端板、左侧板、右侧板和盖板组成外壳；
晶闸管、电容器、高压电极、二极管和电感器组成Tesla脉冲变压器初级电路及其保护电路，对称地布置于于机柜内部；
电容器分成两组并联的电容器组，第一组电容器组的负极固定在右侧板上，晶闸管和二极管分别位于电容器的两侧，并固定在右侧板上；第二组电容器组的负极固定在左侧板上，晶闸管和二极管分别位于电容器的两侧，并固定在左侧板上；两组电容器组的正端连接高压电极；
电感器固定在下端板上。
进一步，通过螺钉将上端板和下端板上的通孔分别与左侧板和右侧板对应的螺纹孔连接；通过螺钉将底板通孔与左侧板和右侧板下部对应的螺纹孔连接；通过盖板上的通孔将盖板与右侧板和左侧板上对应的螺纹孔进行连接。
进一步，所述上端板、右侧板、底板、下端板、盖板和左侧板的制作材料为厚度2mm、型号2A14T6的铝合金。
本发明将初级电路和机柜集成在一起，机柜作为初级电路的负极和储热装置，初级电路对称地布置于机柜内部，整个装置结构紧凑，实现了模块化，摆脱了传统初级电路水冷系统的使用限制，在提升Tesla型脉冲变压器的效率同时，解决大功率电路元器件发热问题。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1.初级电路元器件(电容器、晶闸管、二极管、高压电极和电感器)结构对称，有效的减小了电路元器件的杂散电感；
2.初级电路元器件安装固定用的左侧板、右侧板采用与同轴脉冲形成线类似的弧形结构，结构强度高、空间紧凑，有效的减小了电路空间结构带来的杂散电感；
3.外壳作为承力结构的同时作为初级电路的负端与大功率元器件(电容器、晶闸管、二极管)直接连接，大功率元器件短时工作产生的热量首先储存在外壳上，然后再由外壳通过传导方式传递至脉冲形成线基筒，或者通过辐射的方式将热量传递至周围空间；
4.初级电路和机柜一体化装置具备模块化功能，提高了初级电容工作的可靠性。
附图说明
图1是传统Tesla型脉冲功率装置的结构示意图；
图2是本发明Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置的结构示意图；
图3是本发明盖板和左侧板连接时的局部示意图；
图4是端板(上端板和下端板)的结构示意图；
图5是侧板(左侧板和右侧板)的结构示意图；
图6是盖板的结构示意图；
图7是底板的结构示意图；
图8是本发明Tesla型脉冲变压器初级电路的电路原理图；
图9是本发明Tesla型脉冲功率装置的结构示意图；
图10是本发明Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置工作电压和电流波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置，如图2和图3所示，包括底板7、上端板1、下端板9、左侧板11、右侧板3、盖板10、晶闸管2、电容器4、高压电极5、二极管6和电感器8；
如图4所示，上端板1和下端板9形状一样，为矩形板；如图6和图7所示，底板7和盖板10形状一样，纵切面为弧形的弧形板；如图5所示，左侧板11和右侧板3形状一样，为扇状弧形板；上端板1、下端板9、左侧板11和右侧板3作为结构主承力件，右侧板3、底板7、盖板10和左侧板11结构为弧形，与固定的脉冲形成线基筒外径相匹配；
底板7、上端板1、下端板9、左侧板11、右侧板3和盖板10组成外壳，其中，上端板1和下端板9留有通孔，通过螺钉分别与左侧板11和右侧板3对应的螺纹孔连接，通过螺钉将底板7通孔与左侧板11和右侧板3下部对应的螺纹孔连接，通过盖板10上的通孔将盖板10与右侧板3和左侧板11上对应的螺纹孔进行连接。
晶闸管2、电容器4、高压电极5、二极管6和电感器8位于外壳300内；
如图2和图8所示，电容器4分成两组并联的电容器组，第一组电容器组的负极固定在右侧板3上，晶闸管2和二极管6分别位于电容器4的两侧，并固定在右侧板3上；第二组电容器组的负极固定在左侧板11上，晶闸管2和二极管6分别位于电容器4的两侧，并固定在左侧板11上；两组电容器组的正端连接高压电极5；
电感器8固定在下端板9上。
底板7、上端板1、下端板9、左侧板11、右侧板3和盖板10组成的外壳300作为电容器4的负端；外壳内部的高压电极5作为电容器4的正端，同时壳体作为晶闸管2和二极管6的储热器和散热器。
本发明整个装置结构紧凑，摆脱了传统大功率元器件水冷系统，适用于脉冲功率装置的小型化和模块化，同时内部电路结构对称布置，有效减小了初级电路杂散参数，提高了Tesla变压器的耦合效率。
进一步，所述上端板1、右侧板3、底板7、下端板9、盖板10和左侧板11的制作材料为厚度2mm、型号2A14T6的铝合金。
如图9所示，本发明机柜300采用与Tesla脉冲变压器和同轴脉冲形成线一体化结构100类似的弧形结构，固定在Tesla脉冲变压器和同轴脉冲形成线一体化结构100上时，空间紧凑、结构强度高，有效的减小了电路空间结构带来的杂散电感；
本发明提出的Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置，实现了Tesla型脉冲变压器初级电路的紧凑化和模块化，如图10所示，采用4组模块在重频50Hz，脉冲放电电流峰值45kA，持续时间40s下运行稳定可靠。

Claims (3)

1.一种Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置，包括晶闸管（2）、电容器（4）、二极管（6）和电感器（8），其特征在于，还包括底板（7）、上端板（1）、下端板（9）、左侧板（11）、右侧板（3）、盖板（10）和高压电极（5）；
上端板（1）和下端板（9）形状一样，为矩形板；底板（7）和盖板（10）形状一样，纵切面为弧形的弧形板；左侧板（11）和右侧板（3）形状一样，为扇状弧形板；右侧板（3）、底板（7）、盖板（10）和左侧板（11）的弧形结构，与固定的脉冲形成线基筒外径相匹配；底板（7）、上端板（1）、下端板（9）、左侧板（11）、右侧板（3）和盖板（10）组成外壳（300）；
Tesla脉冲变压器初级电路中的晶闸管（2）、电容器（4）、高压电极（5）、二极管（6）和电感器（8）分别对称地布置于于机柜（300）内部；
电容器（4）分成两组并联的电容器组，第一组电容器组的负极固定在右侧板（3）上，第一组晶闸管（2）和二极管（6）分别位于第一组电容器（4）的上下两侧，并固定在右侧板（3）上；第二组电容器组的负极固定在左侧板（11）上，第二组晶闸管（2）和二极管（6）分别位于第二组电容器（4）的上下两侧，并固定在左侧板（11）上；两组电容器组的正端连接高压电极（5）；
电感器（8）固定在下端板（9）上。
2.根据权利要求1所述Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置，其特征在于，通过螺钉将上端板（1）和下端板（9）上的通孔分别与左侧板（11）和右侧板（3）对应的螺纹孔连接；通过螺钉将底板（7）通孔与左侧板（11）和右侧板（3）下部对应的螺纹孔连接；通过盖板（10）上的通孔将盖板（10）与右侧板（3）和左侧板（11）上对应的螺纹孔进行连接。
3.根据权利要求1或2所述Tesla型脉冲变压器初级电路和机柜一体化装置，其特征在于，所述上端板（1）、右侧板（3）、底板（7）、下端板（9）、盖板（10）和左侧板（11）的制作材料为厚度2 mm、型号2A14T6的铝合金。
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