CN114421930A - 基于光导开关触发的Marx发生器及基于光导开关的触发电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光导开关触发的Marx发生器及基于光导开关的触发电路，主要解决Marx发生器高压电触发系统存在复杂度高、体积相对大、轻量化水平不足等问题。该Marx发生器包括激光脉冲发生器、光纤束和至少一级触发单元；触发单元包括触发电路、正极性主电容和负极性主电容，触发电路包括光导开关、四电极气体开关、触发电容和触发电阻；激光脉冲发生器等输出端通过光纤束与各光导开关的触发端连接；四电极气体开关的负极性电极与负极性主电容连接，正极性电极与正极性主电容连接，触发针通过光导开关与负极性主电容连接，触发盘通过触发电阻、触发电容与负极性主电容连接；相邻触发单元之间通过上一级的正极性主电容与下一级的负极性主电容连接。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率系统高压触发技术领域，具体涉及一种基于光导开关触发的Marx发生器及基于光导开关的触发电路。
背景技术
脉冲功率系统中，初级储能Marx发生器的建立通常采用高压脉冲电触发方式。一般而言，高压触发器输出的脉冲电压幅值在几十千伏至百千伏范围。为了满足高压脉冲输出，高压触发器主要采用Mini-Marx串联倍压、基于脉冲变压器升压和多级脉冲逐级放大等技术路线形式。
基于Mini-Marx的高压触发器沿用Marx并联充电串联放电的电路，串联级数通常在五至八级，前级气体间隙仍需十千伏量级电触发脉冲。基于脉冲变压器的高压触发器采用晶闸管或者闸流管与脉冲变压器相结合的方式实现。晶闸管和闸流管的触发电路相对简单，触发脉冲幅值在百伏至千伏之间，但要求快脉冲前沿输出时高压触发器需增加压缩电路进行脉冲前沿陡化。多级脉冲放大快前沿型高压触发器利用多级脉冲放大实现。首先由5V初级触发脉冲控制MOSFET开关的开通，经MOSFET放电回路产生百伏至千伏脉冲信号，实现触发脉冲幅值一级放大。输出触发脉冲控制氢闸流管的开通，经氢闸流管放电回路产生几十千伏高压脉冲信号，实现触发脉冲幅值二级放大。最终输出触发脉冲经过高压长电缆形成脉冲幅值倍压，实现触发脉冲幅值三级放大，以此触发Marx发生器气体开关。目前，这种多级脉冲放大的方法可实现高电压快前沿脉冲输出，在初级储能Marx发生器高压触发中应用最为广泛。总体而言，上述产生方式均需要多级脉冲放大后对Marx发生器进行触发，技术路线相对复杂，触发系统体积偏大，电触发过程稳定性相对差。
随着脉冲功率装置轻量化、便携式、操作性和维护性等要求的不断提高，上述Marx发生器高压电触发系统由于存在技术复杂度高、体积相对大、轻量化水平不足等问题，无法满足高压触发器紧凑型、小型化、可操作性和维护性等要求。
发明内容
针对现有Marx发生器高压电触发系统存在技术复杂度高、体积相对大、轻量化水平不足等问题，本发明提供了一种基于光导开关触发的Marx发生器及基于光导开关的触发电路。该Marx发生器既降低了高压触发系统复杂度，缩小了高压触发系统体积，同时解决Marx发生器各级气体开关触发时相互影响的问题，是一种触发脉冲产生和传输方式简单、触发器结构紧凑的Marx发生器，对于脉冲功率装置高压触发技术的发展具有重要的意义。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明基于光导开关触发的Marx发生器包括激光脉冲发生器、光纤束和至少一级触发单元；所述触发单元包括触发电路、正极性主电容和负极性主电容，所述触发电路包括光导开关、四电极气体开关、触发电容和触发电阻；所述激光脉冲发生器为μJ量级激光脉冲发生器，其输出端通过光纤束与各光导开关的触发端连接；所述四电极气体开关的负极性电极与负极性主电容连接，所述四电极气体开关的正极性电极与正极性主电容连接；所述四电极气体开关的触发针通过光导开关与负极性主电容连接；所述四电极气体开关的触发盘通过触发电阻、触发电容与负极性主电容连接；相邻触发单元之间通过上一级触发单元的正极性主电容与下一级触发单元的负极性主电容连接，从而实现相邻触发单元之间的串联。
进一步地，所述Marx发生器放置在变压器油或者SF6气体中，以确保沿面绝缘要求。
进一步地，所述触发单元的级数为3～6级，3～6级触发单元依次串联连接。
本发明提供的基于光导开关的触发电路包括四电极气体开关、光导开关、触发电容和触发电阻；所述四电极气体开关的负极性电极用于与Marx发生器的负极性主电容连接，所述四电极气体开关的正极性电极用于与Marx发生器的正极性主电容连接；所述四电极气体开关的触发针通过光导开关用于与Marx发生器的负极性主电容连接；所述四电极气体开关的触发盘通过触发电阻、触发电容用于与Marx发生器的负极性主电容连接，所述光导开关的触发端用于与激光脉冲发生器的输出端连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明Marx发生器将触发电路与四电极气体开关构成一体化设计，替代了传统电路拓扑结构的高压电触发器，显著降低了高压触发系统复杂度，大大缩小了高压触发器体积。
2.本发明Marx发生器在高压充电过程中同时为触发电路供能，避免了现有高压触发器与Marx发生器需要单独高压供电的问题。
3.本发明Marx发生器利用光纤束低能量光脉冲控制高功率光导开关，避免了现有高压触发器在Marx发生器触发建立过程中各级电磁耦合相互干扰的问题。
4.本发明Marx发生器将光导开关的高功率高耐压与带有预电离间隙的四电极气体开关相结合，有效发挥了光脉冲辐射电离与过电压两种机制共同作用促进放电过程、增强触发效果的优势。
附图说明
图1为本发明基于光导开关的触发电路示意图；
图2为本发明基于光导开关触发的Marx发生器示意图。
附图标记：1-光导开关，2-四电极气体开关，3-触发电容，4-触发电阻，5-负极性主电容，6-正极性主电容，7-激光脉冲发生器，8-光纤束，21-四电极气体开关的触发针，22-四电极气体开关的触发盘，23-四电极气体开关的负极性电极，24-四电极气体开关的正极性电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明基于μJ量级低能量触发光导开关技术，提出了一种基于光导开关触发的Marx发生器，该Marx发生器将触发电路与Marx气体开关相结合形成一体化集成设计，从而实现了小型化设计和紧凑型设计。同时，该Marx发生器采用μJ量级低能量激光控制Marx气体开关导通，触发电路利用Marx发生器高压充电端进行供能，激光触发光导开关后形成光脉冲照射和过电压控制Marx气体开关，从而实现Marx发生器串联建立的目的。
如图1所示，本发明提供的基于光导开关的触发电路包括四电极气体开关2、光导开关1、触发电容3和触发电阻4；四电极气体开关2的负极性电极23用于与Marx发生器的负极性主电容5连接，四电极气体开关2的正极性电极24用于与Marx发生器的正极性主电容6连接；四电极气体开关2的触发针21通过光导开关1用于与Marx发生器的负极性主电容5连接；四电极气体开关2的触发盘22通过触发电阻4、触发电容3用于与Marx发生器的负极性主电容5连接。
本发明将光导开关1、触发电容3、触发电阻4、四电极气体开关2的触发针21和四电极气体开关触发盘22构成高压触发放电回路，使得高压触发放电回路与Marx气体开关形成一体化设计，该种设置可大幅降低Marx发生器触发系统复杂度、缩小触发系统体积，提升触发系统轻量化水平，适用于对高压触发器系统复杂度、体积和轻量化要求较高的Marx发生器中。
如图2所示，本发明提供的基于光导开关触发的Marx发生器包括激光脉冲发生器7、光纤束8和至少一级触发单元；每级触发单元均包括触发电路、正极性主电容6和负极性主电容5，上述触发电路包括光导开关1、四电极气体开关2、触发电容3和触发电阻4；激光脉冲发生器7为μJ量级激光脉冲发生器，其输出端通过光纤束8与各光导开关1的触发端连接；四电极气体开关2的负极性电极23与负极性主电容5连接，四电极气体开关2的正极性电极24与正极性主电容6连接；四电极气体开关2的触发针21通过光导开关1与负极性主电容5连接；四电极气体开关的触发盘22通过触发电阻4、触发电容3与负极性主电容5连接；相邻触发单元之间通过上一级触发单元的正极性主电容6与下一级触发单元的负极性主电容5连接，从而实现相邻触发单元之间的串联。
本发明Marx发生器将带有触发放电回路的四电极气体开关2放置于正负极性充电的高压脉冲电容器之间，μJ量级激光脉冲发生器7连接光纤束8，分束光纤经过准直后接入光导开关1。光导开关1设置在四电极气体开关2的触发针21与负极性主电容5之间，触发电容3和触发电阻4设置在四电极气体开关的触发盘22与负极性主电容5之间，触发电容利用Marx发生器其中一极性高压充电端形成触发电路高压供能。
上述Marx发生器采用正负双极性充电模式，Marx发生器的负极性主电容、正极性主电容和带有触发放电回路的四电极气体开关2形成触发单元，触发放电回路靠近负极性主电容一侧，后级触发单元连接方式同上，触发单元的级数根据Marx发生器电路结构和触发建立效果确定，该级数一般为3～6级，整个Marx发生器置于变压器油或者SF6气体中以确保沿面绝缘要求。
本发明Marx发生器将高功率光导开关1的高耐压、低能量光触发特性和四电极气体开关2的预电离特性相结合，利用μJ级激光脉冲发生器7产生光脉冲控制光导开关1的开通，进而引发四电极气体开关2形成预电离引燃和间隙过电压两种机制放电。四电极气体开关2在过电压和紫外光照射的共同作用下受控触发导通，引起Marx发生器串联建立。
如图2所示，μJ量级激光脉冲发生器7经过光纤束8将光脉冲耦合到触发单元的高功率光导开关1上，触发控制高功率光导开关1的导通。高功率光导开关1导通后，四电极气体开关触发针21与触发盘22发生击穿，从而触发盘22的电位被钳制为四电极气体开关负极性电极23的电位，导致触发盘22与四电极气体开关2的正极性电极24承受过电压。同时，触发针21与触发盘22击穿后形成紫外光照射四电极气体开关2的主间隙。在过电压和紫外光照射的共同作用下，四电极气体开关2受控导通，最终形成Marx发生器的串联建立。
根据Marx发生器充电电压值确定四电极气体开关2工作气压范围，在Marx发生器不同充电电压条件下，控制μJ量级激光脉冲发生器7产生光脉冲引起光导开关1导通，进而触发四电极气体开关2，从而获得光脉冲与气体开关导通时刻的击穿时延及其抖动。通过调节激光脉冲发生器7光脉冲的光功率和四电极气体开关2的气压值，获取Marx发生器不同充电电压条件下四电极气体开关2最优击穿抖动的实验条件，以此作为Marx发生器有效建立的触发条件。
Claims (4)
1.一种基于光导开关触发的Marx发生器，其特征在于：包括激光脉冲发生器(7)、光纤束(8)和至少一级触发单元；
所述触发单元包括触发电路、正极性主电容(6)和负极性主电容(5)，所述触发电路包括光导开关(1)、四电极气体开关(2)、触发电容(3)和触发电阻(4)；
所述激光脉冲发生器(7)为μJ量级激光脉冲发生器，其输出端通过光纤束(8)与各光导开关(1)的触发端连接；
所述四电极气体开关(2)的负极性电极(23)与负极性主电容(5)连接，所述四电极气体开关(2)的正极性电极(24)与正极性主电容(6)连接；所述四电极气体开关(2)的触发针(21)通过光导开关(1)与负极性主电容(5)连接；所述四电极气体开关的触发盘(22)通过触发电阻(4)、触发电容(3)与负极性主电容(5)连接；
相邻触发单元之间通过上一级触发单元的正极性主电容(6)与下一级触发单元的负极性主电容(5)连接，从而实现相邻触发单元之间的串联。
2.根据权利要求1所述的基于光导开关触发的Marx发生器，其特征在于：所述Marx发生器放置在变压器油或者SF6气体中，以确保沿面绝缘要求。
3.根据权利要求1或2所述的基于光导开关触发的Marx发生器，其特征在于：所述触发单元的级数为3～6级，3～6级触发单元依次串联连接。
4.一种基于光导开关的触发电路，其特征在于：包括四电极气体开关(2)、光导开关(1)、触发电容(3)和触发电阻(4)；
所述四电极气体开关(2)的负极性电极(23)用于与Marx发生器的负极性主电容(5)连接，所述四电极气体开关(2)的正极性电极(24)用于与Marx发生器的正极性主电容(6)连接；所述四电极气体开关(2)的触发针(21)通过光导开关(1)用于与Marx发生器的负极性主电容(5)连接；所述四电极气体开关(2)的触发盘(22)通过触发电阻(4)、触发电容(3)用于与Marx发生器的负极性主电容(5)连接，
所述光导开关(1)的触发端用于与激光脉冲发生器(7)的输出端连接。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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