CN106601475A - 一种并联组合薄壁环形脉冲电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种并联组合薄壁环形脉冲电容器，包括两个金属电极及夹在两个金属电极之间的单体薄壁电容，所述单体薄壁电容两端具有喷金层；所述两个金属电极为两个半径相同的同心金属电极环；两个金属电极环上具有开口；开口处设有正负电极引出端；所述单体薄壁电容两端的喷金层分别与两个金属电极环连接。该薄壁环形脉冲电容器可安装于脉冲源外筒体内壁，也可对初级线圈励磁，即实现初级电容与初级线圈一体化的Tesla变压器初级回路，使初级回路的面积缩小，并将回路的杂散电感大幅减小，有利于提高变压器的性能。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种并联组合薄壁环形脉冲电容器。
背景技术
超宽谱高功率微波产生系统的核心是脉冲功率源，其可产生纳秒级脉宽、高电压、高瞬时功率的电压脉冲，而Tesla变压器是脉冲功率源的核心部件之一。
Tesla变压器是一种双谐振脉冲变压器，其初级回路中包含了初级脉冲电容器、初级线圈及初级放电开关。脉冲电容器与普通电容的区别是：脉冲电容器必须具有很小的内感(通常在纳亨量级)和短时间内更强的充放电能力。
通常电容器都是制作成独立的单元器件，其外形有圆柱型、立方型、扁平型、圆饼型等等，电极的引出形式有双端引出、单端引出、侧面引出等等。为满足不同装置的物理和结构需要，电容器会被设计成不同的结构形式，从而达到提高装置性能，减小装置体积尺寸等目的。图1是传统脉冲电容器与初级线圈的连接，图中所示的电容器安装于脉冲源外筒体之外，增加初级回路面积，使初级杂散电感变大，且装置体积也较大。
发明内容
为了满足高功率脉冲源小型化和效率高的需要，本发明提供一种并联组合薄壁环形脉冲电容器，它可安装于脉冲源外筒体内壁，减小初级回路体积，同时减小装置的体积。
本发明将壁厚大约在5mm左右的电容称为薄壁电容。
本发明技术解决方案是：
提供一种并联组合薄壁环形脉冲电容器，包括两个金属电极及位于两个金属电极之间的多个单体薄壁电容，其特别之处在于：
上述单体薄壁电容两端具有喷金层；
上述两个金属电极为两个同心金属电极环，其半径相同；两个金属电极环上具有开口，开口处设有正负电极引出端；
上述单体薄壁电容两端的喷金层分别与两个金属电极环连接。
可以将这种结构形式的电容器内置设备中或环绕设备外，有效节约空间；尤其对Tesla变压器的初级电容，该环形电容器可减小初级杂散电感，提高变压器性能。
为了便于多级电容并联形成环形电容器，上述单体薄壁电容呈弧形或平板结构。
为了配合脉冲源的内腔结构，上述金属电极环和脉冲源的内腔结构匹配，其可以为圆环或方形环。
喷金层厚度需要根据电容器端面尺寸确定，喷的太厚或太薄会降低电容器的电极引出的可靠性，因此将上述喷金层喷为2mm厚；通常喷金层的金属选用熔点较低的金属如锌、锡或二者的合金。
上述的开口金属电极环由具有导电性的金属制成，如紫铜、黄铜及合金等，作为电容器充放电的正负电极。
上述单体薄壁电容的个数可以为多个，多个单体薄壁电容之间为并联结构。具体的每个单体薄壁电容单元通过两端的喷金层与开口金属电极环焊接。
开口宽度为20～30mm，上述两个金属电极环的厚度远小于这两个金属电极环的半径。
本发明还提供一种上述脉冲电容器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备单体薄壁电容；
1.1：将金属化薄膜卷绕后，在真空条件下压制成薄片；
1.2：在步骤1.1压制成的薄片的两端喷金，得到单体薄壁电容；
步骤二：制备脉冲电容器；
将单体薄壁电容两端的喷金层分别与两个同心半径相同的金属电极环焊接，即得到脉冲电容器。
本发明还提供一种Tesla变压器，包括脉冲电容器，其特别之处在于：
包括两个金属电极及夹在两个金属电极之间的单体薄壁电容，上述单体薄壁电容两端具有喷金层；
上述两个金属电极为两个半径相同的同心金属电极环；金属电极环上具有开口；开口处设有正负电极引出端；
上述单体薄壁电容两端的喷金层分别与两个金属电极环连接；
上述脉冲电容器既作为Tesla变压器的初级线圈，又作为Tesla变压器的初级电容，安装于Tesla变压器的外筒磁芯内壁。可实现初级电容与初级线圈一体化的Tesla变压器初级回路。
将该电容器装配在Tesla变压器中，在金属电极环的开口处接入晶闸管便能实现脉冲电容器的充放电，同时也具备Tesla变压器初级线圈的励磁作用，即初级电容与初级线圈一体化的Tesla变压器初级回路。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出的一种并联组合薄壁环形脉冲电容器，其可用于Tesla变压器中，既可作为初级电容器又可用作初级线圈，使初级回路的面积缩小，并将回路的杂散电感大幅减小，有利于提高变压器的性能。
2、本发明提出的一种并联组合薄壁环形脉冲电容器可根据脉冲源的内腔结构进行设计，省去电容器外置所占空间，便于系统紧凑化、小型化。
3、本发明提出的一种并联组合薄壁环形脉冲电容器外径紧贴脉冲源外筒内壁，脉冲电容器产生的热量可由脉冲源内腔的变压器油快速导去，有利于脉冲源工程化。
附图说明
图1是传统脉冲电容器与初级线圈的电路示意图；
图2是本发明脉冲电容器连接示意图；
图3是本发明脉冲电容器结构示意图；
图4是本发明脉冲电容器结构侧视图；
图5是Tesla变压器结构图；
图6是脉冲功率源的结构图；
图中附图标记为：1-开口金属电极环；2-喷金层；3-单体薄壁电容；4-晶闸管；5-引出电极；6-并联组合薄壁环形脉冲电容器；7-次级线圈；8-中筒磁芯；9-外筒磁芯；10-脉冲源外筒；11-脉冲源中筒；12-Tesla变压器，13-脉冲源内筒；14-脉冲源输出端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图2和图3所示，本发明主体结构形状通常为圆环形(也可以制作成如矩形环等各种形状)；包括多个单体薄壁电容3，单体薄壁电容3两端(同一侧的轴向两端)具有喷金层2，喷金层2和两个金属电极环1焊接；如图4所示，电容器的厚度d(即单体薄壁电容3的厚度，取决于薄膜的厚度及单体电容的容值)及开口尺寸l均远小于电极环的半径，电极环的宽度h通常也是厘米量级。
任意单体薄壁电容3为金属化薄膜卷绕后并在真空条件下压制而成的弧形薄壁状；金属化薄膜材料通常为高分子介质膜(如聚丙烯膜)表面喷镀一层微米级的金属，喷镀层金属为常见导电性及熔点较低的金属。单体薄壁电容3的两端面经喷金处理得到2mm厚的喷金层2；开口金属电极环1为由具有导电性的金属制成，作为电容器充放电的正负电极；其厚度小于内径，开口宽度为20mm。
电容器的制作方法是将多个单体薄壁电容并联焊接而成，具体步骤如下：
首先，采用金属化薄膜进行卷绕，并在真空条件下压制成弧形薄壁状即得到单体薄壁电容；其次，在单体薄壁电容的两端喷金处理后形成喷金层；然后，将多个喷金后的单体薄壁电容两端的喷金层分别与两个开口金属电极环焊接构成电容，即并联组合薄壁环形脉冲电容器。
并联组合薄壁环形脉冲电容器通常配装在脉冲源内部，脉冲源的外壳即是电容器的外壳。下面给出其在Tesla变压器型高功率脉冲源中应用的实施例，但本发明不局限于该实施例，可广泛适用于一切Tesla变压器型高功率脉冲源和紧凑型脉冲源装置等。
如图4所示，在本实施例中，并联组合薄壁环形脉冲电容器作为初级电容及初级线圈被应用，将以前长方体型的脉冲电容器外置安装改为薄壁环形内置，减小初级回路的杂散电感的同时提高了变压器性能，并且大大减小了装置的体积。
该变压器的初级工作电压为1000V，初级电容为15uF，次级线圈宽度为120mm，脉冲形成线直径为184mm；根据上述参数设计环形初级电容器宽度为120mm，长度为环形周长577mm。根据初级工作电压，单体薄壁电容介质选择宽120mm、5um厚的聚丙烯金属化薄膜卷绕而成，单体薄壁电容为3.0uF，这样单体薄壁电容的厚度为3mm，因此需5个单体薄壁电容并联即可。开口金属电极环1采用导电性好的黄铜材料，其外径为184mm、内径为178mm、宽度为40mm，开口宽度为20mm，其开口处预留电容充放电的正负极引出孔。如图5和图6所示，正负电极可通过脉冲形成线外筒开孔引出至脉冲源外部，便于安装初级晶闸管放电开关。初级放电开关通常选择晶闸管，将晶闸管4直接安装在脉冲源外部初级接口上。受现有晶闸管开关技术限制，初级放电开关外置不可避免，本实施例也不能完全消除Tesla变压器初级外回路，并联组合薄壁环形脉冲电容器实现Tesla变压器初级回路一体化，这样以来将回路面积降至最小，其杂散电感也可减小至十nH级，一体化后的变压器初级回路将对有效耦合系数几乎不产生影响。采用并联组合薄壁环形脉冲电容器，实现Tesla变压器型脉冲源的初级电容器内置，有效减小了装置体积，提高了初、次级能量传输效率，获得了较高的变压器耦合系数。
Claims (9)
1.一种并联组合薄壁环形脉冲电容器，包括两个金属电极及位于两个金属电极之间的多个单体薄壁电容，其特征在于：
所述单体薄壁电容两端具有喷金层；
所述两个金属电极为两个半径相同的同心金属电极环；两个金属电极环上具有开口；开口处设有正负电极引出端；
所述单体薄壁电容两端的喷金层分别与两个金属电极环连接。
2.根据权利要求1所述的并联组合薄壁环形脉冲电容器，其特征在于：所述单体薄壁电容呈弧形或平板结构。
3.根据权利要求1所述的并联组合薄壁环形脉冲电容器，其特征在于：所述金属电极环为圆环或方形环。
4.根据权利要求1至3任一所述的并联组合薄壁环形脉冲电容器，其特征在于：所述喷金层的厚度为2mm。
5.根据权利要求1至3任一所述的并联组合薄壁环形脉冲电容器，其特征在于：所述的金属电极环的材料为紫铜、黄铜或合金。
6.根据权利要求1至3任一所述的并联组合薄壁环形脉冲电容器，其特征在于：所述喷金层的金属选用锌、锡或二者的合金。
7.根据权利要求1至3任一所述的并联组合薄壁环形脉冲电容器，其特征在于：所述开口的宽度为20～30mm。
8.一种权利要求1所述的并联组合薄壁环形脉冲电容器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：制备单体薄壁电容；
1.1：将金属化薄膜卷绕后，在真空条件下压制成薄片；
1.2：在步骤1.1压制成的薄片的两端喷金，得到单体薄壁电容；
步骤二：制备脉冲电容器；
将单体薄壁电容两端的喷金层分别与两个同心半径相同的金属电极环焊接，即得到脉冲电容器。
9.一种Tesla变压器，初级回路中包括脉冲电容器，其特征在于：包括两个金属电极及夹在两个金属电极之间的多个单体薄壁电容，所述单体薄壁电容两端具有喷金层；
所述两个金属电极为两个半径相同的同心金属电极环；金属电极环上具有开口；开口处设有正负电极引出端；
所述单体薄壁电容两端的喷金层分别与两个金属电极环连接；
所述脉冲电容器既作为Tesla变压器的初级电容，又作为Tesla变压器的初级线圈，安装于Tesla变压器的外筒磁芯内壁。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170426 |