CN107070436A - 一种ltd串联装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LTD串联装置，所述LTD串联装置中设有隔离开关，所述隔离开关连接在LTD串联装置中LTD次级末端与负载之间，隔离开关的击穿电压大于LTD串联装置产生的预脉冲，LTD串联装置产生的放电脉冲大于隔离开关的击穿电压，能够避免LTD装置由于开关自击穿造成的预脉冲对负载的影响，同时，能够为磁芯复位提供接口且不会造成复位脉冲影响负载。
Description
技术领域
本发明涉及LTD装置研究领域，具体地，涉及一种LTD串联装置。
背景技术
脉冲功率技术是通过将能量在时间和空间上的压缩，产生极高功率电脉冲的技术。直线变压驱动源(Linear Transformer Driver,LTD)是俄罗斯强流电子学研究所(HighCurrent Electronics Institute，HCEI)发明的一种新型脉冲功率技术，其技术的核心是：通过将容量较大的储能电容“化整为零”，分为很多容量较小的电容器并联，每个电容器配置独立的开关，构成很多并联的基本放电单元，每个基本放电单元的放电周期很短，可以直接产生快前沿的脉冲，不需要传统脉冲功率技术庞大复杂的脉冲压缩网络，通过多个基本放电单元的并联组成一个模块输出大电流，典型的LTD模块是通过多个模块的串联在次级以感应叠加的方式输出高电压，一个LTD模块材料装置的原理及构成如图1所示。
LTD技术能够直接产生快前沿脉冲，且其模块化和标准化设计非常有利于大规模应用，很快成为下一代大型脉冲功率装置建造很有前途的技术途径。例如，美国圣地亚实验室(Sandia National Laboratory,SNL)2000年开始与HCEI合作进行研究，研究的主要项目是Z箍缩驱动的惯性聚变能(Z-IFE)计划。该计划的技术路线是利用Z-pinch实现惯性约束聚变点火，远景目标是提供高效、经济、清洁的商用聚变发电装置。其驱动源采用快脉冲LTD技术。
在大型LTD装置中，每个LTD模块包含多个开关，整个装置由数量众多的LTD模块串并联组成，包含数量庞大的开关。开关的工作原理是气体可控放电导通，工作原理决定其必然存无法消除的自击穿现象，这种开关自击穿现象会产生一定幅值的电脉冲并向负载传导，这种脉冲称为“预脉冲”。多种负载均对预脉冲较为敏感，某些应用场合，预脉冲可能造成负载的彻底破坏。
发明内容
本发明提供了一种LTD串联装置，能够避免LTD装置由于开关自击穿造成的预脉冲对负载的影响，同时，能够为磁芯复位提供接口且不会造成复位脉冲影响负载。
直线变压驱动源(Linear Transformer Driver,LTD)装置包含大量开关，在充电过程有可能出现开关自击穿现象，开关自击穿放电产生的脉冲虽然幅值较低，但仍然可能对某些类型的负载造成破坏。本发明设计了在LTD装置中加入了气体绝缘介质隔离开关，能够隔离由于LTD中开关自击穿产生的脉冲，保护负载。同时为LTD中磁芯复位提供接口，并能够隔离复位脉冲和负载，避免复位脉冲对负载造成影响。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种LTD串联装置，所述LTD串联装置中设有隔离开关，所述隔离开关连接在LTD串联装置中LTD次级末端与负载之间，隔离开关的击穿电压大于LTD串联装置产生的预脉冲，LTD串联装置产生的放电脉冲大于隔离开关的击穿电压。
在LTD技术研究中，对于开关自击穿产生的预脉冲，目前研究的重点是降低开关的自击穿概率，从而降低预脉冲出现的概率。如果基于LTD技术建造大型脉冲功率装置，其包含的开关个数可达十万量级，而开关的自击穿概率即使可以降低，也是不可避免的，因此，如果物理实验的负载对预脉冲敏感，则问题很难解决。本发明提出的隔离开关技术，基于预脉冲必然存在的事实，从另外的角度提出解决方案。在LTD技术研究的近20年内，尚无类似概念提出。需要对LTD的工作原理及预脉冲产生机理有较为深刻的认识，且在脉冲功率技术领域有较为丰富的技术和经验积累，才能提出该方案。
进一步的，隔离开关左端与LTD次级末端连接，隔离开关右端与负载连接。
隔离开关在LTD串联装置中的位于LTD次级的末端，当前面LTD模块中的开关发生自击穿时，产生的预脉冲不能通过隔离开关，因而避免了对负载的影响。当装置正常工作时，前面LTD装置内所有开关按照时序触发导通，产生的放电脉冲远远超过隔离开关的击穿电压，则隔离开关在很短时间内击穿导通，不影响装置放电脉冲馈入负载。开关采用气体绝缘介质，能够在击穿后恢复绝缘强度，能够重复工作。
进一步的，所述装置还包括复位电流源，复位电流源与从隔离开关左侧接入LTD次级。很多场合磁芯都需要复位，均有复位电流源，本发明中隔离开关的设置为复位电流的馈入提供了一个与负载隔离的接口，使得磁芯复位时复位电流不会对负载产生影响。
隔离开关还能够为LTD装置的磁芯复位提供接口，同时避免复位脉冲对负载造成影响，多个LTD模块串联工作时，可视为变压器，每个LTD模块等效为一个单匝初级绕组，多个单匝初级绕组通过感应叠加原理在共同的次级上产生高电压。LTD装置工作放电时，每次放电后，其磁芯要饱和，下次工作前要对磁芯进行复位，即施加一个反向电流将磁芯反向励磁到饱和状态，虽然复位电流源电压较低，但复位电流源如果与负载直接连接，仍然有可能影响甚至破坏负载，且电流从负载分流会应用磁芯复位效果。在LTD次级末端加隔离开关可以有效解决这个问题复位电流源从隔离开关左侧接入，通过合理设计的大电感与LTD次级连接，可有效对磁芯进行复位，同时由于隔离开关的存在，复位电流不会对负载产生影响。实验时无需将复位电流源与装置断开，也无需将负载与装置断开。
进一步的，隔离开关采用气体介质火花开关。隔离开关采用气体介质火花开关，设计原则和一般的气体火花开关一致，开关击穿电压设置稍高于LTD开关自击穿产生的预脉冲电压和复位电流源输出电压即可。
进一步的，隔离开关为工作于自击穿状态的气体介质火花开关。开关具有两个金属电极，其间为绝缘气体，电极间隙和气体类型及气压决定开关的导通电压。当一个LTD串联装置设计完成时，其输出电压能够确定，由于其开关自击穿而产生的预脉冲幅值(通常远小于LTD串联装置的输出电压)也能够评估。隔离开关的工作电压(自击穿导通电压)即可根据LTD串联装置的正常输出电压及预脉冲电压而设定，设定的标准为隔离开关的工作电压大于预脉冲电压且远小于LTD串联装置的输出电压。由于隔离开关是气体介质火花开关，其工作电压可通过调整其内部气压来调节，因此，在设计隔离开关时，可按照评估的预脉冲电压范围的下限设置，在调试过程中，逐步提高隔离开关的气压从而提高工作电压，使之能够可靠隔离预脉冲，又不至于对LTD装置输出的脉冲造成明显的影响。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在LTD装置中加入了气体绝缘介质隔离开关，能够隔离由于LTD中开关自击穿产生的脉冲，保护负载。同时为LTD中磁芯复位提供接口，并能够隔离复位脉冲和负载，避免复位脉冲对负载造成影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请中现有的LTD串联装置原理示意图；
图2是本申请中改进后的LTD串联装置原理示意图；
图3是本申请中隔离开关作为复位接口原理示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种LTD串联装置，能够避免LTD装置由于开关自击穿造成的预脉冲对负载的影响，同时，能够为磁芯复位提供接口且不会造成复位脉冲影响负载。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请提供一种LTD串联装置，了隔离开关在LTD串联装置中的位于LTD次级的末端，如图2所示，当前面LTD模块中的开关发生自击穿时，产生的预脉冲不能通过隔离开关，因而避免了对负载的影响。当装置正常工作时，前面LTD装置内所有开关按照时序触发导通，产生的放电脉冲远远超过隔离开关的击穿电压，则隔离开关在很短时间内击穿导通，不影响装置放电脉冲馈入负载。开关采用气体绝缘介质，能够在击穿后恢复绝缘强度，能够重复工作。
隔离开关还能够为LTD装置的磁芯复位提供接口，同时避免复位脉冲对负载造成影响，原理如图3所示。多个LTD模块串联工作时，可视为变压器，每个LTD模块等效为一个单匝初级绕组，多个单匝初级绕组通过感应叠加原理在共同的次级上产生高电压。LTD装置工作放电时，励磁电流方向如图3中实线箭头所示，每次放电后，其磁芯要饱和，下次工作前要对磁芯进行复位，即施加一个反向电流将磁芯反向励磁到饱和状态，所需复位电流方向如图3中虚线箭头所示。虽然复位电流源电压较低，但复位电流源如果与负载直接连接，仍然有可能影响甚至破坏负载，且电流从负载分流会应用磁芯复位效果。在LTD次级末端加隔离开关可以有效解决这个问题，如图3所示，复位电流源从隔离开关左侧接入，通过合理设计的大电感与LTD次级连接，可有效对磁芯进行复位，同时由于隔离开关的存在，复位电流不会对负载产生影响。实验时无需将复位电流源与装置断开，也无需将负载与装置断开。
隔离开关采用气体介质火花开关，设计原则和一般的气体火花开关一致，开关击穿电压设置稍高于LTD开关自击穿产生的预脉冲电压和复位电流源输出电压即可。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种LTD串联装置，其特征在于，所述LTD串联装置中设有隔离开关，所述隔离开关连接在LTD串联装置中LTD次级末端与负载之间，隔离开关的击穿电压大于LTD串联装置产生的预脉冲，LTD串联装置产生的放电脉冲大于隔离开关的击穿电压。
2.根据权利要求1所述的LTD串联装置，其特征在于，隔离开关左端与LTD次级末端连接，隔离开关右端与负载连接。
3.根据权利要求1所述的LTD串联装置，其特征在于，所述装置还包括复位电流源，复位电流源与从隔离开关左侧接入LTD次级。
4.根据权利要求1所述的LTD串联装置，其特征在于，隔离开关采用气体介质火花开关。
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2017
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