一种高功率脉冲气体开关触发器

摘要

一种高功率脉冲气体开关触发器，包括整流滤波电路、充电电路和高压输出电路。充电电路包括上级开关（VT

说明书

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体是一种用于高功率脉冲气体开关的触发器。

背景技术

气体开关器件为高功率脉冲功率技术中常用的关键元件，在一般脉冲功率装置中有数个，数十个，乃至数百个开关器件，气体开关工作在高电压、大电流的环境里。为了使高功率气体开关可靠触发，需要外加一个高压脉冲触发系统，触发系统输出电压一般为几十千伏到百千伏的高电压脉冲。随着脉冲功率技术的不断发展，国内外对各种类型的脉冲触发源进行了广泛和深入的研究。

发明内容

本发明的目的，是提供一种高功率脉冲气体开关触发器，实现了触发信号在几十到几百千伏之间灵活调整，并能实现多开关同时触发。

采用的技术方案是：

一种高功率脉冲气体开关触发器，包括整流滤波电路、充电电路和高压输出电路，其特征在于：

整流滤波电路，包括桥式整流器DV、第一电位器W₁、第二电位器W₂和电容C₁；第一电位器W₁串接在经桥式整流器整流后的供电电路的正压端，第二电位器W₂则串接在经桥式整流器整流后的供电电路的负压端。电容器C₁的一端与第一电位器W₁连接，其另一端则与第二电位器W₂连接。

充电电路，包括上级开关（VT₁，H）、下级开关（VT₂，L）、二极管VD₁、二极管VD₂、二极管VD₃、电感L₁和变压器T₁。

上级开关VT₁、二极管VD₁、电感L₁和变压器T₁的初级线圈串联后，经下级开关VT₂接地。二极管VD₂的负极与VD₁的负极连接，同时与电感L₁一端连接，二极管VD₂的正极接地。电容C₂的一端与电感L₁和变压器T₁初级线圈连线上的任意一点连接，电容C₂的另一端接地。二极管VD₃的负极接电容C₂，同时接电感L₁和变压器T₁的初级线圈的一端，二极管VD₃的正极接变压器T₁的初级线圈的另一端，同时接下级开关VT₂。

高压输出电路，包括高压脉冲变压器T₂、高压充电电容C₃、磁开关L₂和负载R。变压器T₁的次级线圈的正压输出端采用双绞线，经磁开关L₂与高压脉冲变压器T₂的初级线圈的高压端连接，高压脉冲变压器T₂的低压端经双绞线与变压器T₁的次级线圈的低压端连接，高压充电电容C₃的一端与磁开关L₂连接，高压充电电容C₃的另一端连接变压器T₁次级线圈的低压端，同时连接脉冲变压器T₂的初级线圈的低压端。

高压脉冲变压器T₂的输出端连接在气体开关的高压电极和低压电极之间的触发板上，图3中触发板用负载R替代。

上述高压脉冲变压器为自耦变压器，磁芯采用磁导率高，且性价比高的软磁铁氧体材料；变压器的线圈骨架为锥型结构，其高压端在骨架的中间部位，低压端在骨架的两端。

上述VT₁、VT₂为绝缘栅型场效应管（增强型）。

对本发明的元器件的作用作进一步详细说明：

图2（a）显示了控制频率输入（F）和电压输入（U），上级开关（H，VT1）和下级开关（L，VT2）控制输出口；图2（b）是对应工作状态参数随时间的变化图。从图2（b）中可以看出，改变上级开关（H，VT1）的接通时间状态，从30微秒到150微秒变化，能够改变储存电容（C2）的电压从200伏特到600~680伏特变化。

如图3所示，断开上级开关（H，VT1）后，通过“停歇”时间（约1微秒）后接通下级开关（L，VT2），经过变压器Т1，在4~6毫秒的时间里对储存电容C2放电，同时经过双绞线传输对高压充电电容C3进行充电。高压充电电容C3如图3所示。

采用“双绞线”型传输线，相对于其它既昂贵又不方便的高压电缆及对应的高压接头而言，这样既方便又经济。这里使用的传输线长度为3m，具体长度可根据实际需要做适当调整，最长可达10m。

如图3所示，高压充电电容C3后连接磁开关和脉冲变压器T2，磁开关受线圈、铁芯大小及电磁特征影响。变压器T1的次级脉冲电压加载到C3上，当T1的次级脉冲电压幅值不高时，不足以使磁芯伏秒积饱和，此时磁开关电感值很高。只有当T1的次级脉冲电压幅值达到一定值时，磁开关才能饱和，此时电感值迅速下降。这里T1的次级脉冲电压幅值需在600v以上时，才能使磁开关饱和，而设计的T1的次级脉冲电压变化范围是600v~1200v。磁开关的电感值下降倍数取决于磁芯特性，其倍数变化范围在40~400倍之间。

磁开关L₂具体工作过程如下：1）磁开关未饱和时，其电感值很大，脉冲电压绝大部分加在电感上，高压充电电容C3上的电压U_C3很小，相当于磁开关断开。变压器初级线圈上的电压基本不变，维持在零附近；2）当回路满足磁开关电感的伏秒积平衡方程时，磁开关的电感值会急剧减小，即感抗急剧减小。此时，相当于磁开关闭合，高压脉冲变压器T2初级线圈上的电压迅速达到最大值。且高压脉冲变压器T2初级线圈上的电压上升时间比C3上电压U_C3上升时间要短得多。

如图3所示，高压脉冲变压器T2输出端连接在负载电阻R上。在触发系统实际应用中，高压脉冲变压器T2输出端连接在位于气体开关的高压电极和低压电极之间的触发板上。当触发系统的触发电压加载到触发板上时，对气体开关进行触发。具体触发过程为：触发电压的极性为负极性，当加载到触发板上时，触发板和高压电极之间首先形成放电，进而引起电离。此时，触发板上的电压瞬间变为高电位，继而在触发板和低压电极之间在形成放电，进而引起电离，达到使气体开关触发目的。

在具体实施时，所述高压脉冲变压器T₂放在装有SF₆的罐体内，通过所述双绞线传输把脉冲变压器T₁的次级电压引入罐体内。采用双绞线传输即起到了传输脉冲变压器T1的次级电压的作用，又能够使高压脉冲变压器T₂便于安置在罐体内，起到了较好的高压隔离作用，有效保护了触发系统的低压部分。

如图4所示，为本发明所述高功率气体开关触发系统的电压输出波形图，图4中波形图的横向每格代表500微秒，纵向每格代表50kV，由曲线1可以看出输出电压幅值在200kV左右达到了对触发电压的要求。

本发明具有如下优点：

1）气体开关触发器实现了触发信号在30kV到200kV之间灵活可调；

2）气体开关触发器能够实现多个开关同步触发；

3）高压脉冲变压器T₂尺寸小、泄露电感小，能够获得较好的转换性；

4）“双绞线”传输即起到了抗干扰及高压隔离作用，又能节省成本；

5）高功率脉冲触发器结构更紧凑，简约；

6）气体开关触发器还可用于其他科学技术重要领域，如电子束和X光的研究。

附图说明

图1为本发明所述高功率脉冲气体开关触发器的总体框图，其中单元1为脉冲控制单元、单元2为充电单元、单元3为长线传输单元、单元4为高压输出单元。

图2为本发明所述高功率脉冲气体开关触发器的脉冲控制单元的具体作用原理图。

图3为本发明所述高功率脉冲气体开关触发器的总体电路图。

图4为本发明所述高功率脉冲气体开关触发器的电压输出波形图。

具体实施方式

一种高功率脉冲气体开关触发器，包括整流滤波电路、充电电路和高压输出电路，其特征在于：

整流滤波电路，包括桥式整流器DV、第一电位器W₁、第二电位器W₂和电容C₁；第一电位器W₁串接在经桥式整流器整流后的供电电路的正压端，第二电位器W₂则串接在经桥式整流器整流后的供电电路的负压端。电容器C₁的一端与第一电位器W₁连接，其另一端则与第二电位器W₂连接。

充电电路，包括上级开关（VT₁，H）、下级开关（VT₂，L）、二极管VD₁、二极管VD₂、二极管VD₃、电感L₁和变压器T₁。

上级开关VT₁、二极管VD₁、电感L₁和变压器T₁的初级线圈串联后，经下级开关VT₂接地。二极管VD₂的负极与VD₁的负极连接，同时与电感L₁一端连接，二极管VD₂的正极接地。电容C₂的一端与电感L₁和变压器T₁初级线圈连线上的任意一点连接，电容C₂的另一端接地。二极管VD₃的负极接电容C₂，同时接电感L₁和变压器T₁的初级线圈的一端，二极管VD₃的正极接变压器T₁的初级线圈的另一端，同时接下级开关VT₂。

高压输出电路，包括高压脉冲变压器T₂、高压充电电容C₃、磁开关L₂和负载R。变压器T₁的次级线圈的正压输出端采用双绞线，经磁开关L₂与高压脉冲变压器T₂的初级线圈的高压端连接，高压脉冲变压器T₂的低压端经双绞线与变压器T₁的次级线圈的低压端连接，高压充电电容C₃的一端与磁开关L₂连接，高压充电电容C₃的另一端连接变压器T₁次级线圈的低压端，同时连接脉冲变压器T₂的初级线圈的低压端。

高压脉冲变压器T₂的输出端连接在气体开关的高压电极和低压电极之间的触发板上，图3中触发板用负载R替代。

上述高压脉冲变压器为自耦变压器，磁芯采用磁导率高，且性价比高的软磁铁氧体材料；变压器的线圈骨架为锥型结构，其高压端在骨架的中间部位，低压端在骨架的两端。

上述VT₁、VT₂为绝缘栅型场效应管（增强型）。