CN113097769B - 一种高压同轴叠层混合母排 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压同轴叠层混合母排，属于高压脉冲功率技术领域，尤其涉及高压脉冲电源多支路并联系统的连接，包括阴极母排、阳极母排、阴极筒、绝缘层、绝缘筒和夹具，阴极母排、绝缘层和阳极母排通过夹具固定后贴合在一起构成层叠结构，阴极母排外侧加装阴极筒构成同轴结构，实现叠层与同轴结构的组合；阴极母排、绝缘层和阳极母排之间设置一定大小的贯穿孔，贯穿孔与阴极筒同轴，通过阴极筒和各贯穿孔实现外部高压脉冲电源和开关与母排的连接。本发明有效减小了母排的杂散参数尤其是电感，提高了脉冲电源系统工作时的效率；通过同轴结构连接固定了各支路元件，减少了复杂的布线；有效避免电源工作时的高压对控制电路等低压系统的电磁干扰。

Description

一种高压同轴叠层混合母排

技术领域

本发明属于高压脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种高压同轴叠层混合母排。

背景技术

在供电系统中，电气连接一般采用普通导线、同轴导线、导电金属排、电缆绞线等，每种方式各有优点。叠层母排作为一种多层复合结构的连接排，由于其可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性高、节省空间、装配简洁、快捷等特点，在后来的发展中逐渐成为诸多供电系统主回路电气连接件的选择。

在脉冲功率技术领域中，通常要求脉冲发生器响应迅速、脉冲延时短，如何提高脉冲电源的工作效率减小脉冲延时极其重要，其中一个重要思路就是减小电源支路工作时的杂散参数。多支路并联的高压脉冲电源系统中，每个电源支路都需要连接一个高压脉冲开关和高压脉冲电源，各并联电源支路之间还要实现可靠电气连接。工程中一般采用高压电缆实现各支路内部器件的串联和各支路的并联，但高压电缆自身都有相对负载来说比较大的杂散参数，包括电阻和电感，这不仅阻碍了脉冲电源系统的脉冲上升速率，而且还增加了整个电源系统在高压电缆上的损耗，大大降低了电源的工作效率。

传统的叠层母排结构一般是将两层铜排叠在一起，铜排层与层之间用绝缘材料进行电气隔离，通过相关工艺将导电层和绝缘层压制成一个整体。它将连接线做成了扁平的截面，增大了导电层的表面积，减小了线路中的杂散电感，增大了散热面积，提升了载流量。

一般实际工作电路中，都需要根据设计要求采用合适的母排连接结构。为减小杂散参数，专利申请202020753745.6公开了一种多层叠层组合成一体的母排，并成功应用于电力电子电路。为增大爬电距离，专利申请201521127307.4公开了一种叠层母排的新增爬电结构，并提出了改变绝缘板、绝缘垫片上通孔直径的方法，专利申请202020752806.7公开了一种提升爬电距离的叠层母排结构，其提出了增加绝缘隔绝组件的方法，并成功应用于低压电子电路中。但对于高压脉冲功率技术领域，复杂的大型多层叠层结构不仅不利于减小杂散电感，还会对母排的耐压和绝缘设计带来挑战，增加母排的安装复杂度和空间。此外高压脉冲功率领域的电压等级远高于电力电子电路，所以需要为高压脉冲多电源并联放电系统设计满足要求的母排结构。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高压同轴叠层混合母排，其目的在于阴极母排、绝缘层和阳极母排通过夹具固定后紧密贴合在一起构成层叠结构，阴极母排外侧加装阴极筒构成同轴结构，实现叠层与同轴结构的组合，由此解决高压脉冲功率领域中多电源支路并联放电系统中支路杂散参数大、电源工作效率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高压同轴叠层混合母排，包括阴极母排、阳极母排、绝缘层和夹具；

所述阴极母排、绝缘层和所述阳极母排依次贴合设置形成层叠结构，所述夹具设置于所述层叠结构两侧，用于固定所述层叠结构；

所述层叠结构设有贯穿孔，在所述阴极母排沿所述贯穿孔轴向方向设有阴极筒；

所述母排用于与外部脉冲电源相连接，所述阴极筒用于使所述外部脉冲电源的脉冲开关穿过并与所述阳极母排相连；工作时，电流从外部脉冲电源阳极流出，经所述脉冲开关汇入所述阳极母排并流入负载，再由所述阴极母排流回所述阴极筒和所述外部脉冲电源的阴极，从而形成完整回路。

优选地，所述阴极母排上设有阴极凸台，所述阴极凸台与所述贯穿孔同轴设置；所述阴极筒的两端设有上基座和下基座，所述下基座与所述阴极凸台配合安装。

优选地，所述阴极筒的侧壁设有阴极筒贯穿孔，所述阴极筒贯穿孔用于将所述阴极筒内的导线引出。

优选地，所述阴极母排和所述阳极母排沿同一方向延伸形成母排端口，所述母排端口设有端口环氧块。

优选地，所述阴极母排在所述母排端口处设置为L型结构，以增大所述母排端口处所述阴极母排与所述阳极母排之间的距离。

优选地，所述绝缘层的材料为环氧树脂。

优选地，所述层叠结构的贯穿孔由同轴设置的阴极母排贯穿孔、绝缘层贯穿孔和阳极母排贯穿孔构成，且所述阴极母排贯穿孔、绝缘层贯穿孔和阳极母排贯穿孔的孔径逐级递减。

优选地，还包括绝缘筒，所述绝缘筒沿所述绝缘层贯穿孔的外沿与所述阴极筒同向延伸，且所述绝缘筒与所述阴极筒同轴设置。

优选地，所述绝缘筒的材料为环氧树脂。

优选地，所述绝缘层的长度和宽度均大于所述阴极母排和所述阳极母排的长度和宽度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的高压同轴叠层混合母排结构，将阴极母排、环氧绝缘层和阳极母排通过夹具固定后紧密贴合在一起构成叠层结构，在阴极母排外侧加装阴极筒构成同轴结构，形成同轴与叠层混合结构；工作时流过两个叠层排中相反的电流，流过同轴阴极筒和高压脉冲开关中相反的电流，减小了母排的杂散电感，从而减小了整个电源系统的杂散损耗和脉冲延迟时间，提高了电源系统的工作效率；此外同轴阴极筒结构，还可以屏蔽电源系统工作时的高压对电源控制、脉冲开关的触发等低压系统的电磁辐射干扰，通过同轴结构将外部开关结构和叠层结构连接在一起，不仅固定了各支路元件还减少了复杂的布线。

2、本发明提出的高压同轴叠层混合母排结构，通过在阴极母排和阳极母排之间加装一定厚度的，长度和宽度均大于阴极母排和阳极母排的环氧绝缘层，使得母排主体的绝缘强度得到提高，能耐受较高的工作电压。

3、本发明提出的高压同轴叠层混合母排结构，通过设置绝缘筒来提升母排局部的绝缘强度，本发明中同轴叠层混合结构，需要设置从阴极母排经过环氧绝缘层到阳极母排的贯穿孔，这种结构破坏了母排局部的绝缘强度，本发明在中间环氧绝缘层的贯穿孔处浇筑环氧绝缘筒，环氧绝缘筒与贯穿孔同轴配合，整体呈中空圆柱体，并具有一定的高度，这种新增结构解决了由上述贯穿孔带来的绝缘破坏问题，使得母排局部区域的绝缘强度得到了保障。

4、本发明提出的高压同轴叠层混合母排结构，在阴极母排和阳极母排引出的母排端口设置了端口环氧块，增大了引出端的爬电距离。

附图说明

图1是本发明高压同轴叠层混合母排的结构示意图；

图2是本发明高压同轴叠层混合母排的截面示意图；

图3是本发明高压同轴叠层混合母排的结构侧视图；

图4是本发明高压同轴叠层混合母排的结构俯视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-阴极母排；11-阴极凸台；12-阴极螺丝螺母；2-阴极筒；21-上基座螺孔；22-阴极筒贯穿孔；23-上基座；24-下基座；3-阳极母排；31-阴极螺孔；4-绝缘层；5-绝缘筒；6-夹具；61-夹具螺丝螺母；7-端口环氧块；71-端口螺孔；72-端口螺丝螺母。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提出的一种高压同轴叠层混合母排，包括阴极母排1、阴极筒2、阳极母排3、绝缘层4和夹具6。其中，所述阴极母排1、所述绝缘层4和所述阳极母排3通过所述夹具6固定后紧密贴合在一起构成叠层结构，在所述阴极母排1外侧加装所述阴极筒2构成同轴结构，形成同轴与叠层混合结构。

具体而言，请参阅图1-4，所述阴极母排1、所述绝缘层4和所述阳极母排3从上到下依次贴合在一起，所述绝缘层4的宽度稍大于所述阴极拍4和所述阳极母排3，不仅保证了爬电距离还为所述夹具6的安装提供了空间。

作为本发明的优选实施例，所述阴极母排1和所述阳极母排3的材料均采用铜，所述绝缘层4的材料为环氧树脂。

进一步地，所述夹具6紧贴所述阴极母排1和所述阳极母排3外侧表面并在两端留有螺孔，夹具螺丝螺母61穿过所述夹具6两端的螺孔和所述绝缘层4上的螺孔，将所述阴极母排1、阳极母排3和绝缘层4紧紧连成一个整体，使三者紧密贴合在一起。需要说明的是，所述夹具6的数量可跟实际需要进行设置。

请参阅图1和图2，本发明的实施例中，所述阴极母排1上设有阴极凸台11，所述阴极凸台11为中空圆柱形凸台，其上设有不贯穿阴极母排的螺孔，所述阴极筒2同样为中空圆柱形结构，在所述阴极筒2的上下两端分别设有上基座23和下基座24，本实施例中，所述上基座23、所述下基座24和所述阴极筒2为一体浇筑成型。具体而言，所述下基座24设有与所述阴极凸台11表面相配合的螺孔，两者通过阴极螺丝螺母12固定并紧密贴合在一起，所述上基座23表面会预留一定数量的上基座螺孔21，用以连接外部或固定结构。

进一步地，所述阴极筒2的侧壁设有阴极筒贯穿孔22，所述阴极筒贯穿孔22的位置在阴极筒2中部附近，用以作为高压脉冲电源的充电线引出口或者其他预留接线的引出口。

基于上述实施例，在所述阴极母排1的表面、所述阴极凸台11的中间开有阴极母排贯穿孔，相应的在所述绝缘层4上开有绝缘层贯穿孔，同样在所述阳极母排3相应位置开有阳极母排贯穿孔，且满足所述阴极母排贯穿孔、绝缘层贯穿孔和阳极母排贯穿孔的孔径逐渐递减。三个贯穿孔同轴配合在一起，所述阳极母排贯穿孔周围还设有阴极螺孔31，用以连接高压脉冲开关阳极端。本发明的工作原理如下：工作时通过所述阴极筒2的上基座23，母排整体与外部高压脉冲电源阴极相连接，高压脉冲开关可以在所述阴极筒2中穿过连接到所述阳极母排3上。电源支路在工作时，电流从电源阳极出发，经过高压脉冲开关汇入所述阳极母排3，再从阳极母排3引出端流到负载，最后从阴极母排1端部流阴极筒2和电源阴极，形成完整的回路。整体来看，所述阴极筒2的同轴结构，与所述阴极母排1、阳极母排3组成的叠层结构组合在一起，使得工作时电源支路的电流在流经阴极母排1和阳极母排3时产生的磁场方向相反，在同轴的阴极筒2和高压脉冲开关中产生的磁场方向相反，减小了电源支路的杂散电感，有效提高了电源的工作效率。同时，阴极筒2的结构可以有效屏蔽高压脉冲开关和电源工作时的高压对高压脉冲开关触发器等低压控制电路的电磁干扰。

请参阅图1和图2，本发明另一实施例中，所述阴极母排1和所述阳极母排3沿同一方向延伸形成母排端口，所述母排端口预留一定数量的螺孔，用以安装负载线圈或电缆。具体而言，所述阴极母排1在所述母排端口处为L型的直角结构，通过此结构，使阴极母排1在所述母排端口处增大与所述阳极母排3之间的距离。进一步地，在母排端口处，所述阴极母排1与所述阳极母排3之间安装有所述端口环氧块7，以增大母排端口的爬电距离。所述端口环氧块7通过端口螺丝螺母72与所述阴极母排1、所述阳极母排3、负载线圈或电缆相连，在所述端口环氧块7上还设置了多个端口螺孔71，方便作为安装端口将母排位置固定。

本发明的高压同轴叠层混合母排用于高压脉冲功率技术领域，工作时要承受高达几千伏到几十千伏的电压，这对整个母排的耐压和绝缘提出了更高的要求。工作时母排的两极如果没有任何保护措施将发生放电击穿，严重威胁整个电源系统的安全可靠和人身设备安全，所以提高其绝缘耐压和增大爬电距离的设计非常重要。

请参阅图2，从图中可以看出，同轴结构与叠层结构的配合，需要阴极母排1、绝缘层4和阳极母排3之间的贯穿孔配合，在高压脉冲功率场合，就必须解决以上配合带来的阴极母排1和阳极母排3之间通过贯穿孔爬电的问题，基于上述实施例中通过阴极母排1、绝缘层4、阳极母排3上的贯穿孔半径逐级减小来增大爬电距离还远远不够。

本发明的另一个实施例中，设置了中空圆柱形结构的绝缘筒5，所述绝缘筒5与所述绝缘层贯穿孔同轴，其底部浇筑在所述绝缘层4表面并紧密贴合，其轴向伸展方向与所述阴极筒2一致。作为本发明的优选实施例，所述绝缘筒5的材料为环氧树脂，通过加入绝缘筒5与绝缘层4很好的配合在一起，构成环氧浇筑结构，使得阴极母排1和阳极母排3之间的爬电距离大大增大，整体解决了母排工作于高压环境下的绝缘与耐压问题，增加了系统的绝缘可靠性。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-4所示，本发明提出的高压同轴叠层混合母排，结构主要包括阴极母排1、阴极筒2、阳极母排3、绝缘层4、绝缘筒5和夹具6。

阴极母排1和阳极母排3内部导体材料厚度为4mm，加上外绝缘整体厚度为6mm，所述阴极母排1和所述阳极母排3主体部分长度分别为780mm和824mm，宽度均为282mm。所述绝缘层的厚度为8mm，长度为814mm，宽度为350mm。阴极母排1、绝缘层4和阳极母排3从上到下依次贴合在一起，绝缘层4的宽度稍大于阴极母排1和阳极母排3，这不仅保证了爬电距离还为夹具6的安装提供了空间。所述绝缘层4为环氧树脂浇筑而成的板状结构，保证了阴极母排1和阳极母排3工作时能承受较高的电压水平，提升了母排整体的绝缘和耐压。

优选地，阴极母排1上设置高度为12mm，内径为110.5mm，外径为133.5mm的中空圆柱形阴极凸台11，阴极凸台11上设置不贯穿阴极母排的螺孔。阴极筒2呈现中空圆柱形，主体高度为238mm，内外半径分别是102.5mm和110.5mm。阴极筒2两端分别设有呈现中空圆柱形的上基座23和下基座24，高均为8mm，内外半径分别是102.5mm和133.5mm，上基座23和下基座24与阴极筒2一体浇筑而成。

优选地，在阴极母排1的表面、阴极凸台11的中间，设置半径为110.5mm的阴极母排贯穿孔，相应的在绝缘层4上设置半径为78mm的绝缘层贯穿孔，阳极母排3上设置半径为60mm的阳极母排贯穿孔，三个贯穿孔同轴配合在一起。阳极母排3的贯穿孔周围设置阴极螺孔31，以连接高压脉冲开关阳极端。

优选地，本发明的具体实施例中，设置了高为73mm，内径为82mm，外径为86mm的中空圆柱形的绝缘筒5。所述绝缘筒5与所述绝缘层4的贯穿孔同轴，其底部浇筑在所述绝缘层4表面并紧密贴合，轴向伸展方向与阴极筒2一致。

本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种高压同轴叠层混合母排，其特征在于，包括阴极母排(1)、阳极母排(3)、绝缘层(4)和夹具(6)；

所述阴极母排(1)、绝缘层(4)和所述阳极母排(3)依次贴合设置形成层叠结构，所述夹具(6)设置于所述层叠结构两侧，用于固定所述层叠结构；

所述层叠结构设有贯穿孔，在所述阴极母排(1)沿所述贯穿孔轴向方向设有阴极筒(2)；

所述母排用于与外部脉冲电源相连接，所述阴极筒(2)用于使所述外部脉冲电源的脉冲开关穿过并与所述阳极母排(3)相连；工作时，电流从外部脉冲电源阳极流出，经所述脉冲开关汇入所述阳极母排(3)并流入负载，再由所述阴极母排(1)流回所述阴极筒(2)和所述外部脉冲电源的阴极，从而形成完整回路。

2.根据权利要求1所述的一种高压同轴叠层混合母排，其特征在于，所述阴极母排(1)上设有阴极凸台(11)，所述阴极凸台(11)与所述贯穿孔同轴设置；所述阴极筒(2)的两端设有上基座(23)和下基座(24)，所述下基座(24)与所述阴极凸台(11)配合安装。

3.根据权利要求2所述的一种高压同轴叠层混合母排，其特征在于，所述阴极筒(2)的侧壁设有阴极筒贯穿孔(22)，所述阴极筒贯穿孔(22)用于将所述阴极筒(2)内的导线引出。

4.根据权利要求1或3所述的一种高压同轴叠层混合母排，其特征在于，所述阴极母排(1)和所述阳极母排(3)沿同一方向延伸形成母排端口，所述母排端口设有端口环氧块(7)。

5.根据权利要求4所述的一种高压同轴叠层混合母排，其特征在于，所述阴极母排(1)在所述母排端口处设置为L型结构，以增大所述母排端口处所述阴极母排(1)与所述阳极母排(3)之间的距离。

6.根据权利要求5所述的一种高压同轴叠层混合母排，其特征在于，所述绝缘层(4)的材料为环氧树脂。

7.根据权利要求6所述的一种高压同轴叠层混合母排，其特征在于，所述层叠结构的贯穿孔由同轴设置的阴极母排贯穿孔、绝缘层贯穿孔和阳极母排贯穿孔构成，且所述阴极母排贯穿孔、绝缘层贯穿孔和阳极母排贯穿孔的孔径逐级递减。

8.根据权利要求7所述的一种高压同轴叠层混合母排，其特征在于，还包括绝缘筒(5)，所述绝缘筒(5)沿所述绝缘层贯穿孔的外沿与所述阴极筒(2)同向延伸，且所述绝缘筒(5)与所述阴极筒(2)同轴设置。

9.根据权利要求8所述的一种高压同轴叠层混合母排，其特征在于，所述绝缘筒(5)的材料为环氧树脂。

10.根据权利要求9所述的一种高压同轴叠层混合母排，其特征在于，所述绝缘层(4)的长度和宽度均大于所述阴极母排(1)和所述阳极母排(3)的长度和宽度。

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