CN106533397B - 一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种两侧四端头低感脉冲储能与成形模块，包括一个内部充有绝缘介质的密封腔、在密封腔外相对两侧位置分别设置的两组输出端子和输入端子、设置在输出端子或输入端子之间的绝缘端子，所述一个输出端子对应一个输入端子且输出端子与输入端子通过连接铜片进行连接，所述绝缘端子将其所在侧的两组输出端子或输入端子隔离，所述密封腔内包括若干个低感脉冲电容器，所述每个低感脉冲电容器的两个电极各自与连接铜片连接。本发明采用上述结构，将储能器件和脉冲形成功能进行了集成，可直接输出百纳秒级准方波脉冲波形,工作电压大于120 kV，使用寿命长，可规模化生产。

Description

一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块。
背景技术
脉冲功率是通过将一定的能量进行时间尺度的压缩而获得高功率的一门学科。由于其高功率、短脉冲的特点，使其能够产生一些特殊的作用效果，在受控核聚变、核爆炸模拟、高功率激光/微波、等离子体物理等领域有广泛的应用。
脉冲功率系统是获得脉冲功率的主要手段，其核心是储能器件和开关器件。近年来，随着应用范围的不断拓展和深入，对脉冲功率系统的输出波形质量要求越来越高，在众多形状的波形中，方波可满足大部分应用要求。获得方波输出波形一般有两种途径，一种是在高压输出端子后增加相应的脉冲整形系统，如脉冲形成线等，以改善最终输出波形质量，这种方法适用范围广，但会大幅增加系统体积和重量；另一种是在变压前即获得方波波形，然后通过升压系统将该波形幅值翻倍，形状保持不变，这种方法可避免高压脉冲整形系统的引入，有利于缩小系统的体积重量，因此被广泛采用，形成了Marx-PFN等典型技术路线。目前Marx-PFN技术路线均使用分散的一组电容和电感，通过串并联方式形成n级PFN，并将其用作Marx发生器的一级。但这种组装方式需统筹考虑大量元器件的排布方式，电路连接复杂，安装和维护性差。
发明内容
本发明提供了一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，该模块将储能器件和脉冲形成功能进行了集成设计，外部电连接点仅为4个，可被高压电源充电，并且能够直接输出幅值约几十kV、脉冲宽度大于150ns的脉冲方波，其结构简单紧凑，耐压强度高，成本低廉，使用寿命长。
本发明为实现上述目的，主要通过以下技术方案实现：一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，包括一个内部充有绝缘介质的密封腔、在密封腔外相对两侧位置分别设置的两组输出端子和输入端子、设置在输出端子或输入端子之间的绝缘端子，所述一个输出端子对应一个输入端子且输出端子与输入端子通过连接铜片进行连接，所述绝缘端子将其所在侧的两组输出端子或输入端子隔离，所述密封腔内包括若干个低感脉冲电容器，所述每个低感脉冲电容器的两个电极各自与连接铜片连接。
进一步地，所述绝缘端子为工字形绝缘端子。
进一步地，所述绝缘端子内部为充有绝缘介质的中空结构，所述绝缘端子内部与密封腔连通。
进一步地，所述绝缘端子的表面设置有周期性凸起结构。
进一步地，所述输出端子与输入端子对称设置。
进一步地，所述模块的放电回路与输出端子连接，充电回路与输入端子连接，模块外部的充电回路与放电回路被模块本身隔开。
进一步地，所述输入端子与输出端子均为表面光滑且两端切削成半球结构的长方体。
进一步地，所述半球结构中的所有棱均为弧状。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
与现有技术相比，本发明中的低感储能与成形模块将电容、电感等元件进行了集成，模块整体设计为矩形平板状，体积约为6.4L，多个模块能够实现密堆积叠加以实现电压倍增，空间利用率高。经过特殊设计的双端输出输入结构，将充电回路与放电回路进行了空间隔离，在降低系统的绝缘要求和缩短放电回路的同时，有利于充电、放电回路的集成化与模块化设计。模块可通过两端的输出端子和输入端子分别接开关和充电回路，直接组成N级Marx-PFN发生器，N代表脉冲储能与成形模块的个数。整个发生器外部接线仅为4N条，接线数量大幅减少。同时结构设计也有利于降低系统绝缘要求，易于实现系统的模块化、功能化设计。整个模块采用固态、液态混合绝缘方式，结构紧凑，该模块可显著减小基于Marx-PFN等技术路线的脉冲功率系统的体积重量和维护时间，并提高其可靠性。
附图说明
图1是本发明内含两个低感脉冲电容器的脉冲储能与成形模块结构示意图。
图2是本发明内含两个低感脉冲电容器的脉冲储能与成形模块平面设计图。
图3是本发明内含两个低感脉冲电容器的脉冲储能与成形模块原理电路图。
图4是本发明内含两个低感脉冲电容器的脉冲储能与成形模块典型输出波形图。
其中：1、密封腔，2、输入端子，3、输出端子，4、连接铜片，5、绝缘端子，6、低感脉冲电容器。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，包括一个矩形壳体、两组输出端子和输入端子、一对绝缘端子、低感脉冲电容器C1、低感脉冲电容器C2和连接铜片。矩形壳体的内部包括一个密封腔，输出端子和输入端子在密封腔外侧两个相对的位置上分别设置，两个输出端子在一侧，两个输入端子在另一侧，一个输出端子对应一个输出端子，并且输出端子和输入端子通过连接铜片进行连接。连接铜片包括上连接铜片和下连接铜片，连接铜片在矩形壳体的密封腔内上端和下端分别不接触设置，并且连接铜片的两端延伸至矩形壳体两端。密封腔内的低感脉冲电容器C1和低感脉冲电容器C2为平板电容结构并排设置，每个低感脉冲电容器的一个电极与上连接铜片连接，每个低感脉冲电容器的另一个电极与下连接铜片进行连接。矩形壳体两端的绝缘端子将其所在侧的两组输出端子或两组输入端子隔开，即输出端子与输出端子隔离，输入端子与输入端子隔离，输出端子与模块外部的放电回路连接，输入端子与充电回路连接。充电回路与放电回路不交叉，被模块本身隔开，互不影响，这样不但可降低系统的绝缘要求，缩短放电回路，同时有利于实现充电、放电回路的集成化和模块化设计。
如图2所示，整个模块的设计为对称结构，图中的左右两幅小图分别对应一对绝缘端子的侧视图。绝缘端子在壳体外对称设置，在绝缘端子的两侧设置有输出端子和输入端子，端子数量为两对共四个，即为两侧四端头模块。模块的设计目标为低成本、小体积、高耐压。壳体和绝缘端子的材质均采用普通工程塑料，具有加工难度小，成本低廉的优点。由于普通工程塑料的耐高压性能较差，因此将绝缘端子设计为中空结构，并且与密封腔连通，内部充满绝缘介质以提高模块的绝缘性，绝缘介质可用变压器填充液，这样采用固态、液态混合绝缘方式提高其击穿场强。输出端子采用表面不光滑的不锈钢长方体，长方体的两端切削成半球结构，并且半球结构上的所有棱均为圆弧状结构，以避免尖端放电。
为了在有限的空间内提高模块的耐压强度，绝缘端子的内部设置为中空结构，因此绝缘端子采用工字形绝缘端子，该工字型绝缘端子将输出端子或输入端子三面环绕，并且绝缘端子的表面有周期性凸起结构，能有效增加沿面距离。绝缘端子内部充满变压器油，可在约150×80×60（mm）的尺寸内将两个输出端子或输入端子之间的耐压强度最高提升至120kV，这种设计既能实现可靠绝缘，又不增加接线难度，利于安装维护。模块内部绝缘使用成本低廉、可被变压器油浸润的油纸，以及充满整个内部空间的变压器油绝缘。进油采用真空进油技术，在模块的最高点和最低点位置均留出直径约为10mm的孔洞，最高点接真空系统，最低点接油泵，缓慢循环进油，以确保模块内所有细小空间均被变压器油充满，提高模块的耐压强度。整个模块的典型尺寸为720×155×62（mm），最高耐压强度可达120kV，能够以任意姿势放置和固定，不论安装还是维护都非常方便。
内含两个低感脉冲电容器的脉冲储能与成形模块的原理电路图如图3所示，
图中的C1 和C2对应附图1中的低感脉冲电容器C1 和低感脉冲电容器C2 ，两个输出端子对应附图2中的两个输出端子，两个输入端子对应附图2中的两个输入端子，
其中LC1 、LC2 分别为低感脉冲电容器C1和低感脉冲电容器C2 的自感，L1 为上连接铜片与输出端子之间的连接铜片的自感，L3为上连接铜片与两个低感脉冲电容器之间连接形成接触点之间的连接铜片的自感，L5为上连接铜片与输出端子之间的连接铜片的自感，L2为下连接铜片与输入端子之间的连接铜片的自感，L4为下连接铜片与两个低感脉冲电容器之间连接形成接触点之间的连接铜片的自感，L6为下连接铜片与输出端子之间的连接铜片的自感，由于连接铜片本身的厚度、长度不同，电感存在差异，并且铜片的长度越长电感越大，铜片的横截面积越大电感越小，因此各个电感值均可以通过每段铜片的长度实现精确调节，比如改变两个低感电容器与连接铜片的接触位置，或位于两个低感电容器接触点之间的连接铜片的截面积、距离等方式。
如图4所示，内含两个低感脉冲电容器的脉冲储能与成形模块的典型输出波形为典型的近梯形波，波形平滑没有振荡，脉宽约为180nm，平顶时间大于70nm且平顶稳定度高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，其特征在于包括一个内部充有绝缘介质的密封腔、在密封腔外相对两侧位置分别设置的两组输出端子和输入端子、设置在输出端子或输入端子之间的绝缘端子，所述一个输出端子对应一个输入端子且输出端子与输入端子通过连接铜片进行连接，所述绝缘端子将其所在侧的两组输出端子或输入端子隔离，所述密封腔内包括若干个低感脉冲电容器，所述每个低感脉冲电容器的两个电极各自与连接铜片连接。
2.根据权利要求1所述的一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，其特征在于所述绝缘端子为工字形绝缘端子。
3.根据权利要求2所述的一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，其特征在于所述绝缘端子内部为充有绝缘介质的中空结构，所述绝缘端子内部与密封腔连通。
4.根据权利要求3所述的一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，其特征在于所述绝缘端子的表面设置有周期性凸起结构。
5.根据权利要求1所述的一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，其特征在于所述输出端子与输入端子对称设置。
6.根据权利要求5所述的一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，其特征在于所述模块的放电回路与输出端子连接，充电回路与输入端子连接，模块外部的充电回路与放电回路被模块本身隔开。
7.根据权利要求5或6任意所述的一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，其特征在于所述输入端子与输出端子均为表面光滑且两端切削成半球结构的长方体。
8.根据权利要求7所述的一种两侧四端头式低感脉冲储能与成形模块，其特征在于所述半球结构中的所有棱均为弧状。
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