CN108365834A - 一种轻量化小型化脉冲功率装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻量化小型化脉冲功率装置，包括壳体、整体安装在壳体内部的Marx发生器主体，Marx发生器主体包括若干的单侧引出一体封装双电容PFN模块、气体火花开关和充电电感，单侧引出一体封装双电容PFN模块的同一侧引出有两个电极头，气体火花开关与充电电感紧密排列在电极头的一侧，相邻两个单侧引出一体封装双电容PFN模块之间连接有一个气体火花开关，气体火花开关设置有与电极头连接的连接端、与充电电感连接的高压输入端且气体火花开关的电极端、连接端、高压输入端三者为一体化结构。利用单侧引出一体封装双电容PFN模块研制的脉冲功率装置，体积和重量与现有脉冲功率装置相比能够缩减50%以上，并且成本低，维护简便，适用范围广。

Description

一种轻量化小型化脉冲功率装置

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种轻量化小型化脉冲功率装置。

背景技术

脉冲功率装置，是一种将电能在短时间内向负载快速释放的装置，向负载输出的脉冲宽度通常约几十至数百纳秒，输出功率通常在数吉瓦（109瓦）以上。它可应用于材料，环保，高电压，高功率微波等领域。

近十年来，脉冲功率装置在实用化的应用方向上有以下发展趋势：从单台大功率向多台小功率组合转变，从后级高压整形输出向初级低压整形再叠加输出转变。这是因为，如今脉冲功率装置的功率输出指标已经不再是难点，人们关注的重点是脉冲功率装置的小型化、机动化和可靠性。而传统的脉冲功率装置，由初级升压部件与次级整形部件组成，体积庞大，难以做到小型化。新兴的发展思路概括起来包含两个方面，第一是研制特殊的储能模块，具备对匹配负载输出类方波的功能，这样可以将整形部件融入初级，经升压后直接对负载输出，进而省略了一个环节，理论上能使脉冲功率装置节约至少一半的空间。第二方面是气体绝缘介质的使用。传统的脉冲功率装置，使用油或水来进行绝缘，而新的应用思路采用气体绝缘，这又大大降低了装置的重量。

目前的小型化脉冲功率装置，无不基于这两点优化方向。申请号为201621420566.0，名称为《一种两侧四端头式低电感脉冲储能与形成模块》中介绍的双电容模块具有储能密度较高，工作可靠，输出脉宽长等特点，符合前述的第一点。然而它外形相对狭长，使用气体绝缘时，为了确保压力容器外壳的安全，不得不大幅增加外壳的厚度和重量，不适合整体系统的小型化，轻量化。

因此，进一步缩小脉冲功率装置的体积，降低重量，进行更多的技术改进，包括装置布局设计，绝缘设计，轻质外壳的研制等，是一项复杂的任务。

发明内容

本发明公开了一种轻量化小型化脉冲功率装置，解决了脉冲形成单元的外形相对狭长导致装置体积过大，装置采用油或水绝缘导致外壳过厚、重量过重，不利于整体小型化和轻量化的问题。基于研制的单侧引出一体封装双电容PFN模块，进而研制了一种轻量化小型化脉冲功率装置，该装置体积小、重量轻。输出脉冲宽度可达百纳秒左右，适用于多数用途，输出功率可达数吉瓦，能够兼顾单台工作与多台合成工作。

本发明为实现上述目的，主要通过以下技术方案实现：

一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于包括壳体、整体安装在壳体内部的Marx发生器主体，所述Marx发生器主体包括若干的单侧引出一体封装双电容PFN模块、气体火花开关和充电电感，所述单侧引出一体封装双电容PFN模块的同一侧引出有两个电极头，所述气体火花开关与充电电感紧密排列在电极头的一侧，所述相邻两个单侧引出一体封装双电容PFN模块之间连接有一个气体火花开关，所述气体火花开关设置有与电极头连接的连接端、与充电电感连接的高压输入端且气体火花开关的电极端、连接端、高压输入端三者为一体化结构。

进一步地，所述单侧引出一体封装双电容PFN模块上下位置交错排列呈两列设置。

进一步地，所述气体火花开关包括气体火花开关A和气体火花开关B，所述气体火花开关A和气体火花开关B交替排列呈一列且在同一周线上设置。

进一步地，所述气体火花开关A的电极端、连接端和高压输入端依次通过连接片进行连接，所述连接片中部的折弯处设置有开孔为连接端，连接片的一端设置有开孔为高压输入端，电极端位于连接片的另一端。

进一步地，所述气体火花开关B的连接端、电极端和高压输入端依次通过连接片进行连接，所述电极端位于连接片的中部，连接片一端的折弯处设置有开孔为连接端，连接片的另一端设置有开孔为高压输入端。

进一步地，相邻两个气体火花开关之间通过级间绝缘板隔离。

进一步地，所述气体火花开关与级间绝缘板对应位置设置有连接孔，尼龙杆横向穿过连接孔将气体火花开关和级间绝缘板拉紧固定。

进一步地，所述级间绝缘板与气体火花开关电极接触的部分为圆台状结构的凸起。

进一步地，所述气体火花开关与Marx发生器主体共用六氟化氢的工作环境。

进一步地，所述壳体设置有高压输入端和高压输出端，所述壳体的高压输入端和高压输出端均为快接插结构。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

与现有使用变压器技术路线或形成线技术路线的脉冲功率装置相比，本发明的整个脉冲功率装置外轮廓呈长方形体，这样能够充分利用空间。同时整台装置的结构简单，维护方便，体积小于0.4立方米，重量小于300kg，体积和重量与现有脉冲功率装置相比均能缩减50%以上，整个装置的结构简单，维护方便。装置中的脉冲形成单元为单侧引出一体封装双电容PFN模块，具备阻抗低，能够对匹配负载输出百纳秒脉宽的脉冲电压，储能密度高等特点，且其成本低和同容量的电容器无明显差别。

附图说明

图1是本发明的脉冲功率装置结构示意图。

图2是本发明中的Marx发生器主体结构示意图。

图3是本发明中的Marx发生器主体侧视结构示意图。

图4是本发明中的壳体结构示意图。

图5是本发明中的脉冲形成单元即单侧引出一体封装双电容PFN模块的结构示意图。

图6是本发明中的气体火花开关A结构示意图。

图7是本发明中的气体火花开关B结构示意图。

图8是本发明中的级间绝缘板结构示意图。

其中：1、壳体，2、Marx发生器主体，3、气体火花开关，4、充电电感，5、单侧引出一体封装双电容PFN模块，6、级间绝缘板，7、气体火花开关A，8、气体火花开关B，9、气体火花开关与脉冲形成单元的连接端，10、气体火花开关与充电电感的高压输入端。

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所示的一种轻量化小型化脉冲功率装置（为显示清晰，图中省略了紧固支撑结构），采用Marx发生器技术路线，包括外部的壳体和内部的Marx发生器主体。

外部壳体由金属钛材料制备而成，如图4所示，箱体内部的空间可容纳不多于18级的Marx发生器，图2所示的为14级Marx发生器。壳体的前后相对的两面分别设置有高压输入端和高压输出端，并且壳体上的高压输入端和高压输出端均设计为快接插结构。壳体除了设置的高压输入端和高压输出端外，其余的四个面上均没有任何凸起，其外形轮廓就是整个装置的最大尺寸。壳体的重量能够小于110kg，设计压力0.3Mpa。

Marx发生器包括若干的单侧引出一体封装双电容PFN模块、充电电感和气体火花开关，如图2和图3所示，不使用接地电阻或接地电感。为了使装置内部的结构紧凑，绝缘空间狭小，Marx发生器主体在箱体内的布局与原有的脉冲功率装置不同。

首先，单侧引出一体封装双电容PFN模块作为脉冲形成单元，单侧引出一体封装双电容PFN模块上下位置交错排列呈两列设置，并且放置在用有机玻璃制作的阁子里固定。如图5所示，单侧引出一体封装双电容PFN模块的外观是一个薄膜电容器，实际上内部封装有两个电容器，构成一个二级PFN。单侧引出一体封装双电容PFN模块的电极同侧引出有两个电极头，且两个电极头被同侧设置的绝缘端子隔离，两个电极头既能够充当输入端子又能够充当输出端子，与现有的双侧引出方式（模块的一侧为输出端子，另一侧为输入端子，即输出端子和输入端子不在同侧）相比，外部电连接点仅为2个，结构更加简单紧凑，利于实现脉冲功率装置小型化。

其次，气体火花开关与充电电感紧密排列在单侧引出一体封装双电容PFN模块的电极电极头的一侧。气体火花开关设置有与电极头连接的连接端、与充电电感连接的高压输入端，并且气体火花开关的电极端、连接端和高压输入端三者通过连接片连接且为一体化结构。即气体火花开关的充电馈线和开关电极进行了一体化设计，这样在安装时可减少一处电连接装配。为配合整体的结构，设计后的开关分为两种：气体火花开关A和气体火花开关B，气体火花开关A和气体火花开关B交替排列成一列，并且在同一轴线上横向设置。单侧引出一体封装双电容PFN模块的一个电极头与其相邻的气体火花开关A连接，另一个电极头与其相邻的气体火花开关B连接。如图6所示，气体火花开关A的电极端、连极端和高压输入端依次通过连接片进行连接，连接片中部折弯处设置有开孔为连接端，连接片的一端设置有开孔为高压输入端，电极端位于连接片的另一端。如图7所示，气体火花开关B的连接端、电极端和高压输入端依次通过连接片进行连接，电极端位于连接片的中部，连接片一端的折弯处设置有开孔为连接端，连接片的另一端设置有开孔为高压输入端。每个气体火花开关的两个电极端各自连接对应一个连接端和一个高压出入端，相邻两个单侧引出一体封装双电容PFN模块的电极之间连接有一个气体火花开关。气体火花开关与Marx发生器整体共用六氟化硫的工作环境。

相邻两个气体火花开关之间通过级间绝缘板隔离。如图8所示，级间绝缘板与气体火花开关的相应位置设置有连接孔，尼龙杆横向穿过连接孔将气体火花开关和级间绝缘板拉紧固定。级间绝缘板采用尼龙或高分子量聚乙烯等材料制备而成，整体结构为平板状，其与气体火花开关电极端接触的部分为圆台状结构的凸起，有利于绝缘。

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 (10)

1.一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于包括壳体、整体安装在壳体内部的Marx发生器主体，所述Marx发生器主体包括若干的单侧引出一体封装双电容PFN模块、气体火花开关和充电电感，所述单侧引出一体封装双电容PFN模块的同一侧引出有两个电极头，所述气体火花开关与充电电感紧密排列在电极头的一侧，所述相邻两个单侧引出一体封装双电容PFN模块之间连接有一个气体火花开关，所述气体火花开关设置有与电极头连接的连接端、与充电电感连接的高压输入端且气体火花开关的电极端、连接端、高压输入端三者为一体化结构。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于所述单侧引出一体封装双电容PFN模块上下位置交错排列呈两列设置。

3.根据权利要求1所述的一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于所述气体火花开关包括气体火花开关A和气体火花开关B，所述气体火花开关A和气体火花开关B交替排列呈一列且在同一轴线上设置。

4.根据权利要求3所述的一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于所述气体火花开关A的电极端、连接端和高压输入端依次通过连接片进行连接，所述连接片中部的折弯处设置有开孔为连接端，连接片的一端设置有开孔为高压输入端，电极端位于连接片的另一端。

5.根据权利要求3所述的一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于所述气体火花开关B的连接端、电极端和高压输入端依次通过连接片进行连接，所述电极端位于连接片的中部，连接片一端的折弯处设置有开孔为连接端，连接片的另一端设置有开孔为高压输入端。

6.根据权利要求1所述的一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于相邻两个气体火花开关之间通过级间绝缘板隔离。

7.根据权利要求6所述的一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于所述气体火花开关与级间绝缘板对应位置设置有连接孔，尼龙杆横向穿过连接孔将气体火花开关和级间绝缘板拉紧固定。

8.根据权利要求7所述的一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于所述级间绝缘板与气体火花开关电极接触的部分为圆台状结构的凸起。

9.根据权利要求1所述的一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于所述气体火花开关与Marx发生器主体共用六氟化氢的工作环境。

10.根据权利要求1所述的一种轻量化小型化脉冲功率装置，其特征在于所述壳体设置有高压输入端和高压输出端，所述壳体的高压输入端和高压输出端均为快接插结构。