CN215498760U - 一种具备引弧功能的高压电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具备引弧功能的高压电源，包括：电性连接的储能电路和触发电路；用于实现充电功能、触发功能、引弧功能和主放电功能；储能电路包括储能电容、储能电容充电机、续流二极管、隔离电感；储能电容用于为脉冲注入提供能量；续流二极管用于为隔离电感提供回路；隔离电感用于匹配放电电流和在触发时隔离触发电压；触发电路包括触发电容充电机、触发储能电容、升压变压器、高压开关、二次侧储能电容、可饱和电感、触发耦合电容、退磁电阻；触发耦合电容用于隔离直流电压；退磁电阻用于为升压变压器和可饱和电感退磁。本实用新型通过降低主储能电源的输出电压，引入一个更高电压的触发电源来实现负载的击穿放电。

Description

一种具备引弧功能的高压电源

技术领域

本实用新型涉及电源技术领域，具体而言，尤其涉及一种具备引弧功能的高压电源。

背景技术

常规的引弧手段以及存在的缺陷如下：

三电极开关：在主放电电极之间引入一个触发电极，将高压脉冲加在触发电极上，触发电极导通后在周围产生等离子体，降低主放电电极之间的绝缘能力，从而导致主放电电极击穿，产生电弧放电。使用此种方法确实可以有效引弧，是业界广泛使用的一种方法，但是引入一个触发电极会增加负载设计的复杂程度，需要额外处理触发电极的电气绝缘。并且在某些特殊场合，驱动的负载是固定的，无法重新设计负载增加触发电极这种方式就不能使用三电极的形式来引弧。

改变电极间距：可以用机械的方式改变主放电电极间的距离，在主放电电极间电压一定的情况下，通过缩短距离增加电极间的电场强度，使电场强度达到击穿强度从而实现引弧。但机械动作机构的设计难度较大，并且速度慢，无法实现高重复频率的触发放电，触发抖动时间大，无法与其他设备联动，只能应用在简单系统，或者对时间要求不高的系统中。

实用新型内容

根据上述提出的技术问题，提供一种具备引弧功能的高压电源。本实用新型通过降低主储能电源的输出电压，引入一个更高电压的触发电源来实现负载的击穿放电。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种具备引弧功能的高压电源，包括：电性连接的储能电路和触发电路；用于实现充电功能、触发功能、引弧功能和主放电功能；

所述储能电路包括储能电容C1、储能电容充电机P1、续流二极管D1、隔离电感L1；储能电容C1用于为脉冲注入提供能量，通过长时间充电、短时间放电为负载提供瞬时功率；续流二极管D1用于为隔离电感L1提供回路，使能量一次性注入负载；隔离电感L1用于匹配放电电流和在触发时隔离触发电压；

所述触发电路包括触发电容充电机P2、触发储能电容C2、升压变压器T1、高压开关Q1、二次侧储能电容C3、可饱和电感L2、触发耦合电容C4、退磁电阻R1；触发耦合电容C4用于隔离直流电压，当触发电路参数触发波形后通过耦合电容C4将触发电压注入到负载上；退磁电阻R1用于为升压变压器T1和可饱和电感L2退磁。

进一步地，所述储能电路中：

所述储能电容充电机P1的一端连接第一节点N1，另一端连接接地点；

所述储能电容C1的一端连接第一节点N1，另一端连接第二节点N2；

所述续流二极管D1的一端连接第二节点N2，另一端连接第三节点N3；

所述隔离电感L1的一端连接第三节点N3，另一端连接第四节点N4；

第一节点N1的一端连接第三节点N3，第二节点N2和第四节点连接接地点。

进一步地，所述触发电路中：

所述触发电容充电机P2的一端连接第七节点N7，另一端连接接地点；

所述触发储能电容C2的一端连接第七节点N7，另一端连接接地点；

所述升压变压器T1的第一引脚连接第七节点N7，第二引脚连接所述高压开关Q1，第三引脚连接第八节点N8，第四引脚连接接地点；

所述二次侧储能电容C3的一端连接第八节点N8，另一端连接接地点；

所述可饱和电感L2的一端连接第八节点N8，另一端连接第六节点N6；

所述触发耦合电容C4的一端连接第六节点N6，另一端连接第五节点N5；

所述退磁电阻R1一端连接第六节点N6，另一端连接第五节点N5；

第五节点N5连接所述储能电路中的第四节点N4。

进一步地，所述高压电源还包括触发脉冲源，触发脉冲源由触发储能电容C2、高压开关Q1、脉冲变压器T1、触发电容充电机组成；所述高压开关Q1采用多只半导体开关串联的方式实现；所述脉冲变压器T1采用高饱和磁通的铁芯，且初次级均采用高压线绕制。

进一步地，所述高压电源还包括磁压缩电路，由二次侧电容C3和可饱和电感L2组成，用于加快输出电压的上升沿；所述可饱和电感L2采用通过高压线绕制的高方形比的非晶磁芯。

进一步地，所述非晶磁芯的截面积及匝数根据磁性材料的磁导率及二次侧电容C3的实际上升速率进行设计，在触发储能电容C2的电压达到峰值时饱和。

较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型提供的具备引弧功能的高压电源，通过降低主储能电源的输出电压，引入一个更高电压的触发电源来实现负载的击穿放电。

2、本实用新型提供的具备引弧功能的高压电源，能够应用到电力绝缘测试领域，例如绝缘油的老化测试，六氟化硫等绝缘气体的老化测试。

3、本实用新型提供的具备引弧功能的高压电源，能够用于有机溶液的制备处理，多种有机溶液，例如甲醇、乙醇、乙烷、甲苯等在电弧的作用下原有的溶液特性会发生变化，使用本实用新型电源可以稳定的产生脉冲电弧用于制备多种电弧活化有机溶剂。

4、本实用新型提供的具备引弧功能的高压电源，能够应用到电激励气体激光器，采用本实用新型提供的引弧功能将激光器中的气体击穿，再提供一个激光器能稳定工作的电压即可。

5、本实用新型提供的具备引弧功能的高压电源，还能够应用到机械冲击爆破领域，例如岩石电致裂、压力容器脉冲压力测试等。

基于上述理由本实用新型可在电源等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型具备引弧功能的高压电源电路原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

如图1所示，本实用新型提供了一种具备引弧功能的高压电源，包括：电性连接的储能电路和触发电路；用于实现充电功能、触发功能、引弧功能和主放电功能；

所述储能电路包括储能电容C1、储能电容充电机P1、续流二极管D1、隔离电感L1；其中：

储能电容C1用于为脉冲注入提供能量，通过长时间充电、短时间放电为负载提供瞬时功率；充电机通过较长的时间为C1充电(数十秒至数分钟)，放电时间往往在微秒量级。

续流二极管D1用于为隔离电感L1提供回路，使能量一次性注入负载；放电初期系统的能量来源是储能电容，放电后期系统的能量来源是电感；如果没有续流二极管，电感中的能量会折回储能电容C1，形成标准的LRC震荡波形，电容器需要承受很大的电应力，并且在充电机上会形成反压，需要额外的防护。

隔离电感L1用于匹配放电电流和在触发时隔离触发电压；隔离电感L1串联在放电主回路中，由空心线圈绕制而成，当隔离电感L1用于匹配放电电流时，将储能电容C1中的能量在一定时间内释放至负载，不至于电流过大损坏电容器。放电的时间取决于电容器的容值C和电感量L，通过L和C的值来计算放电时间，从而计算出储能电容的放电电流。当隔离电感L1在触发时隔离触发电压时，触发时在负载上会产生一个非常高的峰值电压来击穿负载，如果没有此电感时，触发电流会流入储能电容导致触发电压无法升高，负载无法击穿引弧失败。

所述触发电路包括触发电容充电机P2、触发储能电容C2、升压变压器T1、高压开关Q1、二次侧储能电容C3、可饱和电感L2、触发耦合电容C4、退磁电阻R1；其中：

触发耦合电容C4用于隔离直流电压，当触发电路参数触发波形后通过耦合电容C4将触发电压注入到负载上；储能电容C1充电后负载上会有静态的电容电压，所以触发电容不可以与负载直接相连，需要一个电容来隔离直流电压，当触发电路参数触发波形后通过耦合电容C4将触发电压注入到负载上。

退磁电阻R1用于为升压变压器T1和可饱和电感L2退磁。由于触发电路用到的变压器T1、可饱和电感L2都工作在单边模式，所以需要一个退磁电流为其退磁，这样每个触发脉冲开始之前保证变压器T1及电感L2都处于反向饱和状态。R1的大小可以由储能电容C1的电压除以升压变压器T1及可饱和电感L2的饱和电流(二者较大的一个)计算得出。

继续参见图1，所述储能电路中：所述储能电容充电机P1的一端连接第一节点N1，另一端连接接地点；所述储能电容C1的一端连接第一节点N1，另一端连接第二节点N2；所述续流二极管D1的一端连接第二节点N2，另一端连接第三节点N3；所述隔离电感L1的一端连接第三节点N3，另一端连接第四节点N4；第一节点N1的一端连接第三节点N3，第二节点N2和第四节点连接接地点。

继续参见图1，所述触发电路中：所述触发电容充电机P2的一端连接第七节点N7，另一端连接接地点；所述触发储能电容C2的一端连接第七节点N7，另一端连接接地点；所述升压变压器T1的第一引脚连接第七节点N7，第二引脚连接所述高压开关Q1，第三引脚连接第八节点N8，第四引脚连接接地点；所述二次侧储能电容C3的一端连接第八节点N8，另一端连接接地点；所述可饱和电感L2的一端连接第八节点N8，另一端连接第六节点N6；所述触发耦合电容C4的一端连接第六节点N6，另一端连接第五节点N5；所述退磁电阻R1一端连接第六节点N6，另一端连接第五节点N5；第五节点N5连接所述储能电路中的第四节点N4。

具体实施时，作为本实用新型优选的实施方式，所述高压电源还包括触发脉冲源，触发脉冲源由触发储能电容C2、高压开关Q1、脉冲变压器T1、触发电容充电机组成；其中：

所述高压开关Q1往往需要承受较高的电压单只半导体开关无法满足要求，采用多只半导体开关串联的方式实现；

所述脉冲变压器T1采用高饱和磁通的铁芯(硅钢片或铁基纳米晶合金)，且初次级均采用高压线绕制，使其具有更高的耐压值。

具体实施时，作为本实用新型优选的实施方式，所述高压电源还包括磁压缩电路，由二次侧电容C3和可饱和电感L2组成，用于加快输出电压的上升沿；所述可饱和电感L2采用通过高压线绕制的高方形比的非晶磁芯。其中，非晶磁芯的截面积及匝数根据磁性材料的磁导率及二次侧电容C3的实际上升速率进行设计，在触发储能电容C2的电压达到峰值时饱和。

本实用新型高压电源的工作原理如下：

充电阶段：储能电容充电机P1、触发电容充电机P2分别对储能电容C1及触发储能电容C2充电，此时的电压由于没有达到负载S的击穿电压，所以负载处于开路状态。此时有微弱的电流从由储能电容C1的正极流入隔离电感L1，经过退磁电阻R1、可饱和电感L2、升压变压器T1流入储能电容C1的负极，由于电感几乎对直流的电流没有阻碍，所以该电流的大小可以通过储能电容C1两端电压除以退磁电阻R1的阻值计算得出。该电流的作用是为可饱和电感L2和升压变压器T1退磁(L1是空芯线圈不存在磁饱和的问题，故不需要退磁)。触发耦合电容C4的一端电压等于储能电容C1的充电电压，另一端的电压为0V。

触发阶段：高压开关Q1导通，此时触发储能电容C2的两段的电压加在升压变压器一次侧上，同时变压器次级感应出高压为二次侧储能电容C3充电，充电的速率受升压变压器T1的漏感及触发储能电容C2、二次侧储能电容C3组成LC谐振网络，二次侧储能电容C3的上升率受三者的值影响。L2为可饱和电感，在饱和之前电感量很大，对电流的变化有很强的阻碍作用，饱和后电感量迅速降低，对电流变化的阻值作用也迅速变弱，可以简化为磁开关，其饱和时间是受控制的，由磁芯的相对磁导率、磁芯截面积、线圈匝数、及二次侧储能电容C3两端的电压决定。

引弧阶段：二次侧储能电容C3的电压上升过程中，可饱和电感L2处于未饱和状态，此时的电感量较大，经过设计可以当二次侧储能电容C3处于峰值时恰好让可饱和电感L2饱和。此时可饱和电感L2导通，等效电路为二次侧储能电容C3、触发耦合电容C4串联。负载端电压上升，由于隔离电感L1的存在，电流无法直接流入储能电容C1，当负载S上升至击穿电压时负载S发生放电。

主放电阶段：负载S发生放电之后，两端电压迅速降低，此时储能电容C1通过隔离电感L1对负载放电，实现能量注入，主放电的初期：储能电容C1的电压降低储能降低，隔离电感L1的电流上升储能上升，能量一部分通过电弧注入到负载、另一部分转移到隔离电感L1中。放电后期：储能电容C1的电压逐渐降低为0，此时电感中的电流接近最大值，续流二极管D1导通，电感中的能量通过续流二极管D1注入到负载。

为了验证本实用新型装置的有效性，进行了如下的实验：

该实验中，制作了一套脉冲液压源，负载为密闭式压力容器，电极间距4mm，绝缘介质为硅油。设计目标是在100us内为负载注入100kJ的能量，以产生冲击液压脉冲。使用的电路与如图1所示，其中：储能电容C1的容值为3125uF、充电电压为8kV充电储能为100kJ，触发电容C2的充电电压为10kV，变压器T1的变比为1:10，触发源最终的输出电压为100kV的触发电压。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (6)

1.一种具备引弧功能的高压电源，其特征在于，包括：电性连接的储能电路和触发电路；用于实现充电功能、触发功能、引弧功能和主放电功能；

所述储能电路包括储能电容C1、储能电容充电机P1、续流二极管D1、隔离电感L1；储能电容C1用于为脉冲注入提供能量，通过长时间充电、短时间放电为负载提供瞬时功率；续流二极管D1用于为隔离电感L1提供回路，使能量一次性注入负载；隔离电感L1用于匹配放电电流和在触发时隔离触发电压；

所述触发电路包括触发电容充电机P2、触发储能电容C2、升压变压器T1、高压开关Q1、二次侧储能电容C3、可饱和电感L2、触发耦合电容C4、退磁电阻R1；触发耦合电容C4用于隔离直流电压，当触发电路参数触发波形后通过耦合电容C4将触发电压注入到负载上；退磁电阻R1用于为升压变压器T1和可饱和电感L2退磁。

2.根据权利要求1所述的具备引弧功能的高压电源，其特征在于，所述储能电路中：

所述储能电容充电机P1的一端连接第一节点N1，另一端连接接地点；

所述储能电容C1的一端连接第一节点N1，另一端连接第二节点N2；

所述续流二极管D1的一端连接第二节点N2，另一端连接第三节点N3；

所述隔离电感L1的一端连接第三节点N3，另一端连接第四节点N4；

第一节点N1的一端连接第三节点N3，第二节点N2和第四节点连接接地点。

3.根据权利要求1所述的具备引弧功能的高压电源，其特征在于，所述触发电路中：

所述触发电容充电机P2的一端连接第七节点N7，另一端连接接地点；

所述触发储能电容C2的一端连接第七节点N7，另一端连接接地点；

所述升压变压器T1的第一引脚连接第七节点N7，第二引脚连接所述高压开关Q1，第三引脚连接第八节点N8，第四引脚连接接地点；

所述二次侧储能电容C3的一端连接第八节点N8，另一端连接接地点；

所述可饱和电感L2的一端连接第八节点N8，另一端连接第六节点N6；

所述触发耦合电容C4的一端连接第六节点N6，另一端连接第五节点N5；

所述退磁电阻R1一端连接第六节点N6，另一端连接第五节点N5；

第五节点N5连接所述储能电路中的第四节点N4。

4.根据权利要求1所述的具备引弧功能的高压电源，其特征在于，所述高压电源还包括触发脉冲源，触发脉冲源由触发储能电容C2、高压开关Q1、脉冲变压器T1、触发电容充电机组成；所述高压开关Q1采用多只半导体开关串联的方式实现；所述脉冲变压器T1采用高饱和磁通的铁芯，且初次级均采用高压线绕制。

5.根据权利要求1所述的具备引弧功能的高压电源，其特征在于，所述高压电源还包括磁压缩电路，由二次侧电容C3和可饱和电感L2组成，用于加快输出电压的上升沿；所述可饱和电感L2采用通过高压线绕制的高方形比的非晶磁芯。

6.根据权利要求5所述的具备引弧功能的高压电源，其特征在于，所述非晶磁芯的截面积及匝数根据磁性材料的磁导率及二次侧电容C3的实际上升速率进行设计，在触发储能电容C2的电压达到峰值时饱和。

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