專利名稱：一種電容分壓式自觸發(fā)直線變壓驅(qū)動(dòng)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用電容分壓實(shí)現(xiàn)開關(guān)自觸發(fā)的直線變壓器驅(qū)動(dòng)源(Linear Transformer Driver, LTD)。
背景技術(shù)：
LTD是一種新的脈沖功率技術(shù)，能夠產(chǎn)生上升時(shí)間約IOOns的高功率脈沖直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載而不需要任何脈沖壓縮段。LTD由一個(gè)開關(guān)和一個(gè)電容器(單向充電)或兩個(gè)電容器(正負(fù)充電)串聯(lián)組成一個(gè)子塊，若干個(gè)子塊并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)腔，若干個(gè)感應(yīng)腔通過(guò)感應(yīng)疊加串聯(lián)為一個(gè)模塊，圖1為單個(gè)感應(yīng)腔剖面圖。通過(guò)增加子塊并聯(lián)的個(gè)數(shù)，可以產(chǎn)生更大脈沖電流輸出，可建造大型脈沖功率裝置。LTD的原理和脈沖變壓器相似。每一個(gè)感應(yīng)腔相當(dāng)于一個(gè)初級(jí)繞組，若干個(gè)感應(yīng)腔串聯(lián)共用一個(gè)次級(jí)導(dǎo)體，相當(dāng)于一個(gè)由多個(gè)初級(jí)繞組和一個(gè)單匝次級(jí)繞組組成的變壓器。圖1中，電容器110、111、112和113正負(fù)充滿電后，外部觸發(fā)信號(hào)120、121使氣體火花開關(guān)118、119導(dǎo)通，電容器通過(guò)氣體火花開關(guān)118、119放電，放電電流的路徑為圖中的箭頭所指的路徑，其中101、102和103構(gòu)成金屬外殼并接地。電容器通過(guò)開關(guān)放電提供初級(jí)電流，能量通過(guò)磁芯108、109從初級(jí)稱合到次級(jí)中心匯流桿107上。圖2是一個(gè)7級(jí)LTD模塊的工作原理圖，7個(gè)感應(yīng)腔的電容同步放電，通過(guò)磁芯將能量耦合到次級(jí)中心匯流桿上，實(shí)現(xiàn)電壓疊加。由LTD的工作原理知，每一個(gè)子塊就有一個(gè)開關(guān)需要觸發(fā)。隨著感應(yīng)腔中子塊個(gè)數(shù)以及串聯(lián)感應(yīng)腔級(jí)數(shù)的增加，須同步觸發(fā)的開關(guān)數(shù)目呈幾何倍數(shù)增加，大規(guī)模開關(guān)同步與觸發(fā)是一大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電容分壓式自觸發(fā)直線變壓驅(qū)動(dòng)源。本發(fā)明運(yùn)用電容分壓原理，將LTD中心匯流桿上的高壓通過(guò)電容耦合到氣體開關(guān)觸發(fā)極上，從而實(shí)現(xiàn)LTD的自觸發(fā)過(guò)程。本發(fā)明提供的電容分壓式自觸發(fā)直線變壓驅(qū)動(dòng)源，由兩部分經(jīng)次級(jí)中心匯流桿串聯(lián)組成，一部分為由若干個(gè)現(xiàn)有的如I所示的普通感應(yīng)腔組成的普通感應(yīng)腔模塊，位于LTD的前級(jí)，另一部分為自觸發(fā)感應(yīng)腔模塊；每個(gè)自觸發(fā)感應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)如圖3所示。與普通感應(yīng)腔結(jié)構(gòu)不同的是，自觸發(fā)感應(yīng)腔是在普通感應(yīng)腔中的內(nèi)層金屬和中心匯流桿之間增加一個(gè)金屬觸發(fā)筒，并在兩個(gè)間隙中填充絕緣介質(zhì)而獲得，增加的金屬觸發(fā)筒可用于實(shí)現(xiàn)電容分壓。所述的自觸發(fā)感應(yīng)腔中，通過(guò)電容分壓獲得的電壓由金屬導(dǎo)線和隔離電阻引到氣體火花開關(guān)的觸發(fā)電極。所述的金屬導(dǎo)線和隔離電阻在自觸發(fā)感應(yīng)腔的徑向上，與觸發(fā)電極處于同一水平面，位于絕緣介質(zhì)中間。
本發(fā)明中，LTD的前級(jí)普通感應(yīng)腔的數(shù)目和后級(jí)自觸發(fā)感應(yīng)腔的數(shù)目可根據(jù)實(shí)際
需要調(diào)整。本發(fā)明中，對(duì)于一個(gè)LTD裝置來(lái)說(shuō)，普通感應(yīng)腔和自觸發(fā)感應(yīng)腔能夠相間置于LTD中，即前幾級(jí)感應(yīng)腔由普通感應(yīng)腔組成，接著是自觸發(fā)感應(yīng)腔，然后是普通感應(yīng)腔，再放置自觸發(fā)感應(yīng)腔，依次串聯(lián)放置下去，直到獲得所需的電壓。本發(fā)明提供電容分壓式自觸發(fā)直線變壓驅(qū)動(dòng)源，工作時(shí)只需觸發(fā)前幾級(jí)普通感應(yīng)腔，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)LTD模塊的觸發(fā)。因此，本發(fā)明可有效減少外部觸發(fā)脈沖的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)LTD的可靠觸發(fā)。圖3為自觸發(fā)LTD感應(yīng)腔軸向切面示意圖。工作時(shí)，先將電容器313、314、315和316正負(fù)充電到工作電壓，然后使用外部觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)前級(jí)感應(yīng)腔，使其放電，中心匯流桿306通過(guò)電磁感應(yīng)獲得感應(yīng)電壓。一方面，中心匯流桿306與觸發(fā)筒310之間設(shè)有絕緣套管307，所以觸發(fā)筒310與中心匯流桿306之間存在電容，同時(shí)金屬觸發(fā)筒310與感應(yīng)腔外殼301 (處于地電位)之間也存在分布電容，故通過(guò)電容分壓作用觸發(fā)筒上存在對(duì)地高壓，其值與分布電容的大小有關(guān)，另一方面，由于子塊中兩電容器充電電壓相等，極性相反，故觸發(fā)極處于虛地電位，所以當(dāng)中心匯流桿306上存在感應(yīng)電壓時(shí)，觸發(fā)筒上也會(huì)出現(xiàn)耦合電壓，該電壓可通過(guò)限流電阻325、326用于觸發(fā)氣體開關(guān)321、322。隨著自觸發(fā)感應(yīng)腔的增多，中心匯流桿306上的感應(yīng)電壓也越來(lái)越大，其后的自觸發(fā)LTD感應(yīng)腔的觸發(fā)筒上的耦合電壓也越來(lái)越高，氣體開關(guān)的導(dǎo)通也會(huì)越來(lái)越快，最終隨著脈沖電壓在次級(jí)匯流桿306上的傳播，自觸發(fā)LTD感應(yīng)腔的氣體開關(guān)依次導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)LTD模塊的自觸發(fā)。雖然觸發(fā)氣體開關(guān)會(huì)導(dǎo)致次級(jí)匯流桿306上的輸出總能量有所減少，但減少的能量相對(duì)較少，可以忽略不計(jì)。由工作原理知，該自觸發(fā)LTD只需觸發(fā)前級(jí)感應(yīng)腔即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)LTD模塊的觸發(fā)，大大減少了所需觸發(fā)脈沖的數(shù)量。它具有觸發(fā)硬件少，工作穩(wěn)定可靠，能有效實(shí)現(xiàn)電壓疊加等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)該自觸發(fā)方式運(yùn)用于超大型裝置時(shí)，可解決常規(guī)LTD面臨的十萬(wàn)量級(jí)氣體開關(guān)的同步觸發(fā)問(wèn)題。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、降低了 LTD裝置對(duì)觸發(fā)系統(tǒng)的要求。通常LTD裝置中的氣體開關(guān)所需觸發(fā)電壓較高(50 75kV)，并且需要一定的觸發(fā)能量，當(dāng)數(shù)十萬(wàn)路開關(guān)需要同步觸發(fā)時(shí)，外部觸發(fā)源所需提供的能量極為龐大，并且對(duì)其同步系統(tǒng)要求也相對(duì)較高。采用自觸發(fā)方式能夠?qū)TD裝置儲(chǔ)能中的少量能量轉(zhuǎn)換為觸發(fā)能量，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，也便于運(yùn)行與維護(hù)。2、開關(guān)觸發(fā)同步性較為穩(wěn)定；通常外部觸發(fā)系統(tǒng)中會(huì)使用氣體開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖，當(dāng)氣體開關(guān)使用數(shù)目較多時(shí)，整個(gè)觸發(fā)系統(tǒng)的輸出脈沖抖動(dòng)較大，不利于LTD裝置獲得理想的電壓電流輸出。采用自觸發(fā)方式后，在觸發(fā)筒上獲得的觸發(fā)電壓相對(duì)比較穩(wěn)定，且隨著觸發(fā)導(dǎo)通級(jí)數(shù)的增加，后級(jí)獲得的觸發(fā)電壓會(huì)逐漸增大，這有利于所有氣體開關(guān)的快速、同步觸發(fā)與導(dǎo)通。3、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。本發(fā)明所涉及的LTD感應(yīng)腔與傳統(tǒng)的感應(yīng)腔并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，僅僅在其中引入了一個(gè)觸發(fā)圓筒，這種改變并未對(duì)感應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，所示實(shí)施起來(lái)較為簡(jiǎn)單，能夠較快應(yīng)用于目前已有的LTD裝置中來(lái)。


為了便于對(duì)本發(fā)明的特征和具體實(shí)施過(guò)程進(jìn)行描述，添加了四幅附圖，有的部分，如電容充電部分，未在圖中畫出。其中
圖1是LTD普通感應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)圖。該感應(yīng)腔為圓柱形，其中101_柱形金屬外殼，102、103-圓形金屬蓋板，107-次級(jí)中心匯流桿(金屬棒)，104、105-內(nèi)層金屬，106-絕緣套管，108、109-磁芯，110、111、112、113-電容，114、115、116、117-金屬導(dǎo)線，118、119-氣體火花開關(guān)，120、121_外部觸發(fā)信號(hào)。圖中箭頭表示一個(gè)子塊中電流的流向。圖2 是 7 級(jí) LTD 模塊的工作原理圖。其中:201、204、207、210、213、216、219、222、225、228、231、234、237、240-感應(yīng)腔子塊中的電容器;202、205、208、211、214、217、220、223、226、229、232、235、238、241_ 氣體火花開關(guān);203、206、209、212、215、218、221、224、227、230、233、236、239、242_ 磁芯；243_ 次級(jí)中心匯流桿；244_ 負(fù)載。圖3為本發(fā)明中LTD自觸發(fā)感應(yīng)腔軸向切面示意圖。該感應(yīng)腔為圓柱形，內(nèi)部的子塊數(shù)目可以根據(jù)需要設(shè)置。其中301_柱形金屬外殼；302-圓形金屬蓋；303-內(nèi)層金屬，為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)；306_次級(jí)中心匯流桿(金屬棒)；307_絕緣套管；308、309_絕緣套筒；311、312-磁芯;304、305_ 金屬套筒；313、314、315、316_ 電容器;317、318、319、320_ 金屬導(dǎo)線；321、322_氣體火花開關(guān)；323、324_金屬連接線；310_觸發(fā)筒；325、326_電阻。圖中箭頭指向表示子塊中電流的流通路徑。圖4為自觸發(fā)LTD模塊的工作原理圖。該LTD模塊由七個(gè)感應(yīng)腔組成，左邊兩個(gè)感應(yīng)腔由外部觸發(fā)脈沖觸發(fā)，其余五個(gè)感應(yīng)腔通過(guò)電容分壓由次級(jí)中心匯流桿獲得觸發(fā)脈沖。LTD模塊的感應(yīng)腔數(shù)目可以根據(jù)實(shí)際需要增減。其中401_外部觸發(fā)脈沖；402、403_普通感應(yīng)腔;404，405、406、407、408_自觸發(fā)感應(yīng)腔;409_中心匯流桿;410_負(fù)載；411、412、413、414、415、416、417、418、419、420-中心匯流桿與觸發(fā)筒之間存在的分布電容；421、422、423、424、425、426、427、428、429、430_觸發(fā)筒與地之間存在的分布電容。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明內(nèi)容。圖3所示的自觸發(fā)LTD感應(yīng)腔的工作原理與普通LTD感應(yīng)腔相同先給電容313、314、315、316正負(fù)充電，然后氣體開關(guān)321、322導(dǎo)通，電流按圖中箭頭所指的方向流動(dòng)。電容器與磁芯311、312構(gòu)成放電的初級(jí)回路，把電容儲(chǔ)存的能量耦合到次級(jí)金屬匯流桿306上。所不同的是普通LTD感應(yīng)腔是通過(guò)外部觸發(fā)使氣體開關(guān)導(dǎo)通，而該自觸發(fā)LTD感應(yīng)腔是通過(guò)電容分壓原理在觸發(fā)筒310上獲得觸發(fā)信號(hào)的。中心匯流桿306，金屬觸發(fā)圓筒301，與外殼相連(外殼接地)的內(nèi)層金屬304、305以及它們之間的絕緣介質(zhì)307、308構(gòu)成兩個(gè)串聯(lián)的電容。當(dāng)中心匯流桿上有脈沖高壓時(shí)，由于串聯(lián)電容的分壓作用，金屬觸發(fā)圓筒上獲得一定電壓，該電壓通過(guò)導(dǎo)線323、324和隔尚電阻325、326觸發(fā)氣體開關(guān)。自觸發(fā)LTD模塊的具體工作過(guò)程如原理圖4所示。LTD模塊所有感應(yīng)腔中的電容器充好電后，觸發(fā)脈沖401同步觸發(fā)前兩個(gè)感應(yīng)腔的氣體開關(guān)，使其導(dǎo)通，將電容上儲(chǔ)存的能量通過(guò)磁芯耦合到次級(jí)中心匯流桿409上，高壓脈沖沿次級(jí)中心匯流桿從左向右傳播。當(dāng)電壓脈沖到達(dá)第三個(gè)感應(yīng)腔時(shí)，通過(guò)分布電容411、416和421、426的分壓作用，使得第三級(jí)感應(yīng)腔404的氣體開關(guān)的觸發(fā)極獲得同步觸發(fā)脈沖，從而觸發(fā)導(dǎo)通子塊中氣體開關(guān)，第三級(jí)感應(yīng)腔中的儲(chǔ)能電容放電，感應(yīng)電壓同步耦合疊加至中心匯流桿409。隨著電壓脈沖向負(fù)載410傳輸，后級(jí)自觸發(fā)LTD感應(yīng)腔405、406、407、408中的氣體開關(guān)依次同步導(dǎo)通，電容器通過(guò)氣體開關(guān)放電，將其儲(chǔ)存的能量匯聚到次級(jí)金屬匯流桿上，實(shí)現(xiàn)電壓疊加，最終輸出給負(fù)載。
權(quán)利要求
1.一種LTD自觸發(fā)感應(yīng)腔，其特征在于該自觸發(fā)感應(yīng)腔是在普通感應(yīng)腔中的內(nèi)層金屬和次級(jí)中心匯流桿之間增加一個(gè)金屬觸發(fā)筒，并在兩個(gè)間隙中填充絕緣介質(zhì)而獲得；增加的金屬觸發(fā)筒用于實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)感應(yīng)腔的電容分壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LTD自觸發(fā)感應(yīng)腔，其特征在于通過(guò)電容分壓獲得的電壓由金屬導(dǎo)線和隔離電阻引到氣體火花開關(guān)的觸發(fā)電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的LTD自觸發(fā)感應(yīng)腔，其特征在于金屬導(dǎo)線和隔離電阻在自觸發(fā)感應(yīng)腔徑向上，與觸發(fā)電極處于同一水平面，位于絕緣介質(zhì)中間。
4.一種可以實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)的LTD，其特征在于由兩部分經(jīng)次級(jí)中心匯流桿串聯(lián)組成；其中，一部分為由若干個(gè)現(xiàn)有的普通感應(yīng)腔組成的普通感應(yīng)腔模塊，位于LTD的前級(jí)；另一部分為如權(quán)利要求1所述的自觸發(fā)感應(yīng)腔模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的LTD，其特征在于LTD的前級(jí)普通感應(yīng)腔的數(shù)目和后級(jí)自觸發(fā)感應(yīng)腔的數(shù)目根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的LTD，其特征在于普通感應(yīng)腔和自觸發(fā)感應(yīng)腔相間設(shè)置，即前幾級(jí)感應(yīng)腔由普通感應(yīng)腔組成，接著是自觸發(fā)感應(yīng)腔，然后是普通感應(yīng)腔，再放置自觸發(fā)感應(yīng)腔，依次串聯(lián)放置下去，直到獲得所需的電壓。
全文摘要
本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種電容分壓式自觸發(fā)直線變壓器驅(qū)動(dòng)源(LTD)。該自觸發(fā)LTD由普通感應(yīng)腔和自觸發(fā)感應(yīng)腔經(jīng)次級(jí)中心匯流桿串聯(lián)組成，普通感應(yīng)腔組成LTD的前幾級(jí)，其余為自觸發(fā)感應(yīng)腔。工作時(shí)只需觸發(fā)前幾級(jí)普通感應(yīng)腔，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)LTD的觸發(fā)。自觸發(fā)感應(yīng)腔是在普通感應(yīng)腔中的內(nèi)層金屬和次級(jí)中心匯流桿之間增加一個(gè)金屬觸發(fā)筒，并在兩個(gè)間隙中填充絕緣介質(zhì)而獲得；增加的金屬觸發(fā)筒用于實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)感應(yīng)腔的電容分壓。本發(fā)明可有效減少外部觸發(fā)脈沖的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)LTD的可靠觸發(fā)。
文檔編號(hào)H02M9/00GK103023368SQ20121056196
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月22日
發(fā)明者邱劍, 劉克富, 涂卓麟, 王永剛 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)