RU2263392C2

RU2263392C2 - High-voltage pulse generator

Info

Publication number: RU2263392C2
Application number: RU2003110307/09A
Authority: RU
Inventors: А.В. Кривоносенко (RU); А.В. Кривоносенко; Д.А. Кривоносенко (RU); Д.А. Кривоносенко
Original assignee: Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2005-10-27

Abstract

FIELD: pulse engineering; magnetic pulse generators.

SUBSTANCE: proposed pulse generator designed to generate high-voltage, short-length, and high-power pulses for feeding various loads has series-connected pulse source, pulse transformer using cylindrical ferrite core disposed inside current duct that connects one output of pulse source to finishing lead of pulse transformer primary winding 5. Starting lead of the latter is connected to other output of pulse source. Pulse transformer windings are coaxially disposed inside above-mentioned core. Secondary winding is wound on additional core and connected to load. Novelty is introduction of saturable-core pulse transformer whose primary winding is connected to pulse source output. Output of secondary winding is connected to starting lead of pulse transformer primary winding and to current duct. Current duct is divided into (n + 1) coaxial conductors with additional insulating cylindrical or flat conductors in-between, some of them being connected to starting lead and other ones, to finishing lead of pulse transformer primary winding. Pulse transformer is provided with n windings whose starting and finishing leads are connected to respective additional conductors. Saturable-core pulse transformer is provided with n secondary windings.

EFFECT: enhanced power and reduced time due to positioning energy stores as close as possible to load; reduced inductances in main and auxiliary circuits.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к магнитным генераторам импульсов, и предназначено для генерирования импульсов высокого напряжения малой длительности высокой мощности для питания различных нагрузок.The invention relates to a pulse technique, namely to magnetic pulse generators, and is intended to generate high voltage pulses of short duration high power to power various loads.

Недостатками известных магнитных генераторов импульсов являются их значительные габариты и низкий к.п.д. В обзоре: Мешков А.Н. Магнитные генераторы мощных наносекундных импульсов.//ПТЭ №1, 1990 г., с.20-36 определены направления развития техники магнитных генераторов как на основе новой элементной базы, так и качественно новых методов построения схем.The disadvantages of the known magnetic pulse generators are their significant dimensions and low efficiency In Review: A. Meshkov Magnetic generators of powerful nanosecond pulses. // PTE No. 1, 1990, pp. 20-36. The directions of development of the technology of magnetic generators are determined both on the basis of a new element base and qualitatively new methods for constructing circuits.

Наиболее полно это положение (качественный новый метод построения схемы) реализовано в генераторе, описанном в патенте РФ №2189695 от 09.01.2001. МПК⁷ Н 03 К 3/53, опубл. 20.09.2002, Бюл. №26. Магнитный генератор импульсов содержит генератор исходных импульсов, выход которого присоединен к первичной обмотке насыщающегося трансформатора, его вторичная обмотка шунтирована вторым емкостным накопителем и соединена последовательно через насыщающийся дроссель, первый емкостной накопитель и первичную обмотку импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, причем насыщающийся дроссель имеет один виток, который размещен внутри сердечника и соосно его оси, а витки первичной обмотки импульсного трансформатора намотаны на сердечник насыщающегося дросселя, при этом насыщающийся трансформатор снабжен n-ветвями вторичной обмотки и соответственно первый и второй накопители разделены на n-одинаковых емкостных накопителей, соединенных своей ветвью первичной обмотки импульсного трансформатора. Разделение электрической цепи на n-цепей изменяет ее свойство - она становится канонической. Это применительно к магнитным генераторам позволяет повысить коэффициент сжатия звена, осуществить токоформирование в выходом каскаде - все это приводит к сокращению количества звеньев и элементов в генераторе, что повышает к.п.д., мощность и надежность генератора.This provision is most fully (a qualitatively new method of constructing a circuit) is implemented in the generator described in the patent of the Russian Federation No. 2189695 dated 01/09/2001. IPC ⁷ N 03 K 3/53, publ. 09/20/2002, Bull. No. 26. The magnetic pulse generator contains an initial pulse generator, the output of which is connected to the primary winding of a saturable transformer, its secondary winding is shunted by a second capacitive storage and connected in series through a saturable inductor, the first capacitive storage and the primary winding of a pulse transformer, the secondary winding of which is connected to the load, and the saturable inductor has one turn, which is placed inside the core and coaxially to its axis, and the turns of the primary winding of the pulsed trans the formator is wound on the core of a saturable inductor, while the saturable transformer is equipped with n-branches of the secondary winding and, accordingly, the first and second drives are divided into n-identical capacitive drives connected by their primary branch of the pulse winding transformer. Separation of an electric circuit into n-circuits changes its property - it becomes canonical. As applied to magnetic generators, it allows to increase the compression ratio of the link, to carry out current formation in the output of the cascade - all this leads to a reduction in the number of links and elements in the generator, which increases the efficiency, power and reliability of the generator.

Однако недостатком этого генератора является относительно низкая мощность в импульсе, обусловленная значительным волновым сопротивлением дросселя, которое определяется его геометрическими размерами, обусловленные, в свою очередь, требуемым магнитным потоком импульсного трансформатора, поскольку у дросселя и импульсного трансформатора общий магнитопровод.However, the disadvantage of this generator is the relatively low power in the pulse due to the significant wave impedance of the inductor, which is determined by its geometric dimensions, due, in turn, due to the required magnetic flux of the pulse transformer, since the inductor and the pulse transformer have a common magnetic circuit.

Этот недостаток устранен в генераторе высоковольтных импульсов, выбранном нами за прототип, описанном в патенте РФ №2181925 от 09.02.2000, МКИ⁷ Н 03 К 3/45, опубл. 27.04.2002, Бюл. №12. Генератор высоковольтных импульсов, включающий последовательно соединенные источник импульсов, импульсный трансформатор с цилиндрическим ферритовым сердечником, размещенным внутри токопровода, соединяющего один выход источника импульсов с концом первичной обмотки импульсного трансформатора, начало которой подключено к другому выходу источника импульсов. Обмотки импульсного трансформатора расположены соосно внутри вышеуказанного сердечника, причем вторичная обмотка намотана на дополнительный сердечник и присоединена к нагрузке. Размещение сердечника трансформатора внутри токопровода позволяет обеспечить необходимую площадь сердечника для потока импульсного трансформатора при малой толщине стенки сердечника, что обеспечивает низкое волновое сопротивление дросселя и, соответственно, потенциально обеспечивает высокую мощность генератора. Однако свойства элементов источника импульсов не позволяют эту возможность реализовать.This disadvantage is eliminated in the high-voltage pulse generator, which we selected for the prototype described in RF patent No. 2181925 dated 09.02.2000, MKI ⁷ N 03 K 3/45, publ. 04/27/2002, Bull. No. 12. A high-voltage pulse generator, including a pulse source connected in series, a pulse transformer with a cylindrical ferrite core placed inside a conductor connecting one output of the pulse source to the end of the primary winding of the pulse transformer, the beginning of which is connected to another output of the pulse source. The windings of a pulse transformer are located coaxially inside the aforementioned core, with the secondary winding wound on an additional core and connected to the load. Placing the core of the transformer inside the current lead allows you to provide the required core area for the pulse transformer flow with a small thickness of the core wall, which ensures low wave impedance of the inductor and, accordingly, potentially provides high generator power. However, the properties of the elements of the pulse source do not allow this opportunity to be realized.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение мощности генератора и получение импульсов малой длительности.The main task to be solved by the claimed invention is directed is to increase the power of the generator and to obtain pulses of short duration.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, является генерирование импульсов высокой мощности и малой длительности, получаемые за счет предельного приближения накопителей энергии к нагрузке и предельного уменьшения индуктивностей в основных и во вспомогательных цепях.The technical result achieved by the claimed invention is the generation of pulses of high power and short duration, obtained due to the maximum approximation of energy storage to the load and the maximum reduction of inductances in the main and auxiliary circuits.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном генераторе высоковольтных импульсов, включающем последовательно соединенные источник импульсов, импульсный трансформатор с цилиндрическим ферритовым сердечником, который размещен внутри токопровода, соединяющего один выход источника импульсов с концом первичной обмотки импульсного трансформатора, начало которой подключено к другому выходу источника импульсов. Обмотки импульсного трансформатора расположены соосно внутри вышеуказанного сердечника, причем вторичная обмотка намотана на дополнительный сердечник и присоединена к нагрузке. Согласно изобретению, в генератор дополнительно введен импульсный трансформатор с насыщающимся магнитопроводом, к первичной обмотке которого подключен выход источника импульсов, а выход вторичной обмотки подключен к началу первичной обмотки импульсного трансформатора и к токопроводу. При этом токопровод разделен на (n+1)-коаксиальных токопроводов, между которыми введены дополнительные изолированные цилиндрические или полосковые токопроводы, присоединенные, соответственно, одни к началу, а другие - к концу первичной обмотки импульсного трансформатора. Импульсный трансформатор снабжен n-обмотками, начала и концы которых присоединены к своим дополнительным токопроводам, а импульсный трансформатор с насыщающимся магнитопроводом снабжен при этом n-вторичными обмотками.The specified technical result is achieved by the fact that in the known generator of high-voltage pulses, including a series-connected pulse source, a pulse transformer with a cylindrical ferrite core, which is placed inside the conductor that connects one output of the pulse source to the end of the primary winding of the pulse transformer, the beginning of which is connected to another output of the source pulses. The windings of a pulse transformer are located coaxially inside the aforementioned core, with the secondary winding wound on an additional core and connected to the load. According to the invention, a pulse transformer with a saturable magnetic circuit is additionally introduced into the generator, the output of the pulse source is connected to the primary winding thereof, and the output of the secondary winding is connected to the beginning of the primary winding of the pulse transformer and to the current lead. In this case, the current lead is divided into (n + 1) -coaxial conductors, between which additional insulated cylindrical or strip conductors are connected, connected, respectively, one to the beginning and the other to the end of the primary winding of the pulse transformer. The pulse transformer is equipped with n-windings, the beginnings and ends of which are connected to their additional current conductors, and the pulse transformer with a saturable magnetic circuit is equipped with n-secondary windings.

При этом токопроводы по краям и по середине точечно симметрично соединены между собой, а вторичные обмотки импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом содержат по две ветви, размещенные симметрично относительно начал (концов) на магнитопроводе.In this case, the conductors along the edges and in the middle are pointwise symmetrically connected to each other, and the secondary windings of the pulse transformer with a saturable magnetic circuit contain two branches, placed symmetrically relative to the beginnings (ends) on the magnetic circuit.

Разделение токопровода на (n+1)-коаксиальных токопроводов и введение между ними дополнительных изолированных изоляцией коаксиальных или полосковых токопроводов позволяет создать накопитель энергии, предельно приближенный к нагрузке, и в n-раз уменьшить его волновое сопротивление. Точечное и симметричное соединение токопроводов по краям и по середине позволяет реализовать короткое время пробега электромагнитной волны по накопителю при формировании импульса. Введение в генератор импульсов импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом позволяет снизить влияние свойств источника импульсов на параметры генерируемого импульса, а выполнение вторичной обмотки импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом из n-обмоток, каждая из них содержат по две ветви, размещенные симметрично относительно начал (концов) на магнитопровод позволяет уменьшить величину индуктивности ~ в 2n раз и равномерно распределить потенциалы по магнитопроводу, что обеспечивает высокую надежность импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом.Dividing the conductors into (n + 1) -coaxial conductors and introducing additional coaxial or strip conductors between them isolated by insulation allows you to create an energy storage device that is extremely close to the load and reduce its wave impedance n-times. The point and symmetrical connection of the conductors at the edges and in the middle allows a short travel time of the electromagnetic wave through the drive during pulse formation. The introduction of a pulsed transformer with a saturable magnetic circuit into the pulse generator allows one to reduce the influence of the properties of the pulse source on the parameters of the generated pulse, and the secondary winding of a pulsed transformer with a saturable magnetic circuit of n-windings, each of them contains two branches placed symmetrically relative to the beginnings (ends) on the magnetic circuit allows you to reduce the inductance ~ by 2n times and evenly distribute the potentials along the magnetic circuit, which ensures high reliability and pulsed transformer with a saturable magnetic core.

На чертеже приведена схема предложенного генератора. Генератор импульсов высокого напряжения содержит источник импульсов 1, содержащий последовательно соединенные коммутатор 1.1 и конденсатор 1.2, выход источника 1 подключен к первичной обмотке трансформатора 2 с насыщающимся магнитопроводом, вторичная обмотка которого разделена на n-обмоток 2.2.1...2.2.n и подключена к токопроводу 3 и к началу первичной обмотки импульсного трансформатора. Токопровод 3 является корпусом генератора, внутри токопровода 3 размещен цилиндрический ферритовый сердечник 4, обмотки импульсного трансформатора 5, 6 расположены соосно внутри сердечника, при этом вторичная обмотка 6 импульсного трансформатора намотана на дополнительный сердечник 7 и подключена к нагрузке 8, причем токопровод 3 разделен на (n+1) коаксиальных токопроводов 3.1...3.n+1, между которыми введены дополнительные изолированные изоляцией 9 цилиндрические или полосковые токопроводы 10.1...10.n, 11.1...11.n, присоединенные, соответственно, одни к началу, а другие - к концу первичной обмотки 5 импульсного трансформатора. При этом импульсный трансформатор содержит n первичных обмоток 5.1...5.n. Токопроводы по концам и по середине точечно и симметрично соединены между собой.The drawing shows a diagram of the proposed generator. The high voltage pulse generator contains a pulse source 1, containing a switch 1.1 and a capacitor 1.2 connected in series, the output of the source 1 is connected to the primary winding of the transformer 2 with a saturable magnetic circuit, the secondary winding of which is divided into n-windings 2.2.1 ... 2.2.n and connected to the current lead 3 and to the beginning of the primary winding of a pulse transformer. The lead 3 is a generator housing, a cylindrical ferrite core 4 is placed inside the lead 3, the windings of the pulse transformer 5, 6 are coaxially inside the core, while the secondary winding 6 of the pulse transformer is wound on an additional core 7 and connected to the load 8, and the lead 3 is divided into ( n + 1) coaxial conductors 3.1 ... 3.n + 1, between which additional cylindrical or strip conductors 10.1 ... 10.n, 11.1 ... 11.n, isolated by insulation, are inserted, connected one to the other chalu, and others - by the end of the primary winding of the pulse transformer 5. Moreover, the pulse transformer contains n primary windings 5.1 ... 5.n. The conductors at the ends and in the middle are point and symmetrically connected to each other.

Работа генератора импульсов высокого напряжения осуществляется следующим образом. После заряда от внешнего источника 12 накопительного конденсатора 1.2 срабатывает коммутатор 1.1 и накопительный конденсатор 1.2 разряжается на первичную обмотку 2.1 импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом 2, во вторичной обмотке 2.2.1...2.2.n которого индуцируется напряжение, под действием которого заряжаются накопители, образованные разделенным токопроводом 3 и дополнительными изолированными изоляцией 9 токопроводами 10 и 11. После того, как напряжение на накопителях достигнет максимальной величины, сердечник импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом 2 насыщается и накопитель, образованный токопроводами 3 и 10 перезаряжается сам на себя практически до такого же напряжения. По окончании перезаряда накопители, образованные токопроводом 3 и дополнительными токопроводами 10 и 11, оказываются включенными униполярно и последовательно по отношению к токопроводу 3 и к первичной обмотке 5. По токопроводу 3 начинает распространяться волна тока, образуется ударная электромагнитная волна, сердечник 4 насыщается и накопители подключаются к обмотке 5 и разряжаются на нагрузку 8 через импульсный трансформатор.The operation of the high voltage pulse generator is as follows. After charging from the external source 12 of the storage capacitor 1.2, the switch 1.1 is activated and the storage capacitor 1.2 is discharged to the primary winding 2.1 of a pulse transformer with a saturable magnetic circuit 2, in the secondary winding 2.2.1 ... 2.2.n of which a voltage is induced, under which the drives are charged, formed by a divided current lead 3 and additional insulated insulation 9 current leads 10 and 11. After the voltage across the drives reaches its maximum value, the core of the pulse trans Shaper with saturated saturable magnetic core 2 and the drive current lead formed of 3 and 10 recharges to itself practically to the same voltage. At the end of the recharge, the drives formed by the current lead 3 and additional current leads 10 and 11 turn on unipolarly and sequentially with respect to the current lead 3 and to the primary winding 5. A current wave begins to propagate through the current lead 3, an electromagnetic shock wave forms, the core 4 is saturated and the drives are connected to the winding 5 and discharged to the load 8 through a pulse transformer.

Claims

A high voltage pulse generator comprising a pulse source, consisting of a series-connected storage capacitor and a commutator charged from an external source, a pulse transformer with windings, the secondary winding of which is connected to the load, a current conductor, characterized in that it is equipped with a pulse transformer with a saturable core, to the primary whose winding is connected to the output of the pulse source, and the output of its secondary winding, divided into n secondary windings, is to the beginning of the primary winding and a pulse transformer and to the current lead, the windings of the pulse transformer located coaxially inside its cylindrical ferrite core, its primary winding is divided into n primary windings, and its secondary winding is wound to an additional core, the current lead is divided into (n + 1) coaxial current conductors, between which introduced n additional insulated cylindrical or strip conductors connected respectively to the beginnings and ends of n primary windings of a pulse transformer and form ue drives included unipolarly and consistently with respect to the current lead and the primary winding of the pulse transformer.