CN210640861U - 一种脉冲高压发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种脉冲高压发生器，属于高电压技术领域，该脉冲高压发生器包括储能电容、开关，磁环、回路电容、回路电感等，该方案利用新型磁环结构和新型导线缠绕方式能够组成多个并联初级绕组和多个串联次级绕组，本实用新型提出的新型脉冲高压发生器能够解决现有高压脉冲发生器体积重量庞大、环节多且独立分散、超高压运行使用场合受限等问题，该脉冲高压发生器为桌面级产品，不仅具备稳定可靠的高压产生能力，还具有小型化、紧凑化和全固态的技术特点。

Description

一种脉冲高压发生器

技术领域

本实用新型涉及一种脉冲高压发生器，属于高电压技术领域，特别指一种桌面级脉冲高压发生器，可应用于但不限于：等离子体产生、X射线产生、生物医药、医疗器械、环保处理、农业增产、基因改良等领域。

背景技术

高压脉冲发生器是一种重要的获取瞬时高电压的装置。常见的高压脉冲发生器，例如刚性调制器，是由变压器、开关和储能元器件组成，各部分功能虽然明确但环节多且相互独立，均需特殊的绝缘手段保护，特别是当长时间运行时，还需要放置在特殊的容器中，因此整个高压发生器系统的体积和重量庞大，使用场合受限。

磁芯是高压脉冲发生器的核心器件，磁芯作为一种电磁耦合型能量传递介质，具有饱和和非饱和两种状态。利用磁芯的非饱和特性，即磁性材料内部的磁矢量由无规则排列向有序排列发展的物理状态，可以实现变压、升压的效果，典型实例如，工业应用中的各型磁芯变压器。但是，当需要产生几万伏甚至十几万伏的高电压时，为了保证磁芯变压器的正常工作，必须采取更多的绝缘措施防止打火放电或局部击穿，通常采用绕组增加、磁芯增大、绝缘环节增多和整体浸气或浸油等，不仅增大了整个磁芯的体积和重量，而且限制了应用场合。

除了非饱和状态，其余都是饱和状态。当磁芯饱和时，即磁性材料内部的磁矢量由无规则排列全部变为有规则排列所对应的稳定物理状态。当饱和态持续一段时间后，磁芯内部的磁矢量发生瞬时反向，进入反向非饱和态，外在表现为磁芯绕组电感发生由大到小的瞬时突变，阻抗迅速下降。

实用新型内容

面对上述技术问题，本实用新型针对现有高压脉冲发生器体积重量庞大，环节多且独立分散，超高压运行使用场合受限等问题，提出一种桌面级脉冲高压发生器。该发生器不仅具备稳定可靠的高压产生能力，还具有小型化、紧凑化和全固态的优势。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

一种脉冲高压发生器包括磁环、以及密绕在磁环上的多个次级绕组和多个初级绕组，其中：所述磁环为金属薄片叠加体，所述金属薄片由铁氧体材料、非晶态磁性材料或纳米晶磁性材料中的一种材料制成；所述次级绕组为带绝缘外层的金属导体，次级绕组密绕在磁环上且角向分成N段以构成N个串联次级绕组；所述初级绕组为带绝缘外层的金属导体，初级绕组在每个次级绕组的外部绕制1匝至5匝导线以构成N个并联的初级绕组；所述初级绕组的一端连接电源输入端，初级绕组的另一端接地；所述次级绕组串联组的一端连接电源输出端，次级绕组串联组的另一端接地。

进一步优选的方案，所述初级绕组上还设置有储能电容和开关，其中：所述初级绕组并联后与储能电容和开关串联组成原边回路。其中，所述储能电容可以为固态电容器，所述开关可以为晶闸管。

进一步优选的方案，所述次级绕组上还设置有多个回路电容和回路电感，其中：一个所述回路电感和一个所述回路电容串联组成LC单元，所述一个LC单元与一个次级绕组串联组成一个高压发生单元，所述多个高压发生单元串联组成高压产生回路。

进一步优选的方案，所述回路电容可以为线绕型电感或固态非线绕型层叠电感，所述回路电感可以为固态电容器。

进一步优选的方案，可以包括三至九个串联的次级绕组和三至九个对应的并联初级绕组。具体的，可以包括三个串联的次级绕组和三个对应的并联初级绕组，也可以包括五个串联的次级绕组和五个对应的并联初级绕组。

本实用新型提出的脉冲高压发生器具有以下有益效果：

该高压脉冲发生器既解决了现有高压产生系统庞大，环节较多的问题，又具有小型化和紧凑化的优势，对实际应用有很大益处，特别是在等离子体产生、X射线产生、环保处理、数字诊疗、生物医药、科技农业等领域。实际结果显示，一个拥有5级的桌面级高压脉冲发生器可稳定产生7万伏的瞬时高压。

附图说明

图1为本实用新型的第一实施例结构示意图；

图2为本实用新型中第一实施例电路示意图；

图3为本实用新型中第一实施例输出电压示意图；

图4为本实用新型中第二实施例电路示意图。

图中，1-储能电容、2-开关，3-磁环、4-回路电容、5-回路电感。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。 术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

根据附图所示，对本实用新型进行进一步说明：

实施例一

如图1所示，该脉冲高压发生器由储能电容1，晶闸管2，磁环3、回路电容4，回路电感5以及导线若干组成。该磁环3由铁氧体材料、非晶态磁性材料或纳米晶磁性材料制成的金属薄片叠加体，整体呈环状。导线为带绝缘外层的金属导体。晶闸管2，为常见的PN节可控硅。储能电容1和回路电容4为固态电容器，可以是陶瓷电容器或云母电容器，形式不限。回路电感5为线绕型电感或固态非线绕型层叠电感。发生器整体可灌注绝缘胶定型封装在一定体积内。

具体应用时，导线密绕在磁环上并角向分成N段，构成N个次级绕组S；在每个次级外部绕制1匝或2匝导线，构成对应的N个初级绕组P；所有初级并联后与储能电容1、晶闸管2串联连接。一个回路电感5和一个回路电容4串联组成基本LC单元。N个次级绕组S与N个基本LC单元一一串联组成N个高压发生单元，N个高压发生单元串联组成高压产生回路。最终，高电压从第N级高压发生单元的输出端产生。

本实施例中，N为五，即将磁环3按照角度均等为5端，每段上均缠绕有次级绕组S和初级绕组P，具体参见图2，图2中，由于初级绕组P并联，五个初级绕组P的电压相同可以简化为一个绕组，五个次级绕组S串联，分别为第一次级绕组S1、第二次级绕组S2、第三次级绕组S3、第四次级绕组S4、第五次级绕组S5，初级绕组P的一端连接电源输入端Uin，初级绕组P的另一端接地；次级绕组S串联组的一端连接电源输出端Uout，次级绕组S串联组的另一端接地。

需要说明的是，初级绕组P并联后与储能电容1和开关2串联组成原边回路，一个回路电感5和一个回路电容4串联组成LC单元，一个LC单元与一个次级绕组S串联组成一个高压发生单元，多个高压发生单元串联组成高压产生回路，回路电感5也分为第一回路电感L1、第二回路电感L2、第三回路电感L3、第四回路电感L4、第五回路电感L5，回路电容4同样也分为第一回路电容C1、第二回路电容C2、第三回路电容C3、第四回路电容C4、第五回路电容C5。

如图3所示，应用本实用新型获得的一个拥有5级的桌面级高压脉冲发生器的输出电压波形。首先用外部48伏特直流电源给储能电容1充电，当电量充满后触发晶闸管2导通，之后由发生器自动完成电压变换和高电压产生。本实施例中，储能电容1的型号为100微法拉，磁芯原边电感为20微亨利，磁芯副边电感为4毫亨利，回路电容为2纳法拉，回路电感5为40微亨利，在负载电阻500欧姆上可获得7万伏特的瞬时高压。在10Hz连续运行情况下，高压产生一致性好，发生器工作稳定可靠。

实施例二

如图4所示，为一个3级的桌面级高压脉冲发生器，具体的结构和工作原理与实施例一相同。

该实施例中，同样采用对磁芯3进行分时复用的方法，对于同一个带绕组的磁芯3，一方面让其工作在非饱和状态，完成基本升压功能，并存储在特定介质中；另一方面，让其工作在饱和状态，完成电路导通功能，实现存储介质的串联叠加放电。即完成了高电压的产生，又不增加磁芯体积和绕线匝数，实现了小体积下的高压产生。

需要说明的是，次级绕组和初级绕组的数量可以根据实际情况灵活设置，一般情况下可以包括三至九个串联的次级绕组和三至九个对应的并联初级绕组。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种脉冲高压发生器，其特征在于，包括磁环(3)、以及密绕在磁环(3)上的多个次级绕组S和多个初级绕组P，其中：

所述磁环(3)为金属薄片叠加体，所述金属薄片由铁氧体材料、非晶态磁性材料或纳米晶磁性材料中的一种材料制成；

所述次级绕组S为带绝缘外层的金属导体，次级绕组S密绕在磁环(3)上且角向分成N段以构成N个串联次级绕组S；

所述初级绕组P为带绝缘外层的金属导体，初级绕组P在每个次级绕组S的外部绕制1匝至5匝导线以构成N个并联的初级绕组P；

所述初级绕组P的一端连接电源输入端Uin，初级绕组P的另一端接地；

所述次级绕组S串联组的一端连接电源输出端Uout，次级绕组S串联组的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的脉冲高压发生器，其特征在于，所述初级绕组P上还设置有储能电容(1)和开关(2)，其中：所述初级绕组P并联后与储能电容(1)和开关(2)串联组成原边回路。

3.根据权利要求2所述的脉冲高压发生器，其特征在于，所述储能电容(1)为固态电容器，所述开关(2)为晶闸管。

4.根据权利要求1所述的脉冲高压发生器，其特征在于，所述次级绕组S上还设置有多个回路电容(4)和回路电感(5)，其中：

一个所述回路电感(5)和一个所述回路电容(4)串联组成LC单元，所述一个LC单元与一个次级绕组S串联组成一个高压发生单元，所述多个高压发生单元串联组成高压产生回路。

5.根据权利要求4所述的脉冲高压发生器，其特征在于，所述回路电容(4)为线绕型电感或固态非线绕型层叠电感，所述回路电感(5)为固态电容器。

6.根据权利要求3或5所述的脉冲高压发生器，其特征在于，包括三至九个串联的次级绕组S和三至九个对应的并联初级绕组P。

7.根据权利要求6所述的脉冲高压发生器，其特征在于，包括三个串联的次级绕组S和三个对应的并联初级绕组P。

8.根据权利要求6所述的脉冲高压发生器，其特征在于，包括五个串联的次级绕组S和五个对应的并联初级绕组P。

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