双层同轴结构的方波直线变压器驱动源

摘要

本发明涉及一种直线变压器驱动源(Linear？Transformer？Driver，简称LTD)，包括由外至内依次同轴设置的外层放电模块、次级筒和内层放电模块；外层放电模块一端接地，另一端连接次级筒，构成外层基频回路；内层放电模块一端接地，另一端连接次级筒，构成内层谐波调节回路；次级筒一端接地，另一端连接负载后接地，构成外层基频回路、内层谐波调节回路共用部分。本发明所提供的同轴结构的方波直线变压器驱动源，其空间利用率高，体积小，可显著降低驱动源造价。本发明采用内外两层放电模块同轴布置，结构紧凑，在相同体积下可以获得更高功率的输出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直线变压器驱动源(LinearTransformerDriver，简称LTD)。

背景技术

快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)无需脉冲压缩能直接输出百纳秒的快前 沿高功率脉冲，相比于传统的脉冲功率源，具有更加紧凑、模块化、造价低等 优点，在近十年得到了飞速发展。目前FLTD技术已成为Z箍缩惯性约束聚变 (ICF)、闪光照相、准分子激光等研究领域中驱动源的优先选择的技术路线。 美国SNL在Z箍缩聚变能源项目中提出了电流60MA的FLTD驱动源概念设计； SNL与法国CEA合作的闪光照相研究中驱动源也采用FLTD技术；俄罗斯HCEI 已成功将FLTD技术应用于XeF准分子激光器。

FLTD通过径向均匀排列的多个放电支路并联同步放电，利用电磁耦合，实 现单级多个支路电流叠加和多级模块电压叠加，其输出波形主要由单个支路的 电感电容决定，呈正弦衰减形状。而在闪光照相和准分子激光等其他研究领域 中更希望驱动源的输出波形呈方波，即快的上升前沿以及平坦的平顶。俄罗斯 HCEI的A.A.KIM等人提出基于方波傅立叶级数理论，在原LTD模块中并入三 次谐波放电支路实现准方波脉冲输出的方法，并开展了初步实验验证。FLTD单 模块由4个标准放电支路和2个三次谐波调节支路组成，当模块充电±100kV时 在1.65Ω负载上获得了上升前沿30ns、半宽73ns、幅值78kV准方波脉冲。 中国工程物理研究院的赵越等人也利用该方法开展了方波LTD的设计，初步模 拟了谐波支路参数和开关抖动等因素对方波LTD输出参数的影响。

虽然理论分析和原理性实验验证了LTD实现方波输出的可行性，增加谐波 支路数可使输出波形更加接近方波，但是由于谐波支路的引入将导致模块内放 电支路数至少增加一半，放电支路若按照通常的排布方式将致使磁芯和绝缘子 体积增加，性价比不高。尤其是对于产生兆安级输出电流的FLTD模块，外径已 达3m，若再增加体积，磁芯和绝缘子制造难度大，模块造价将成倍增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种双层同轴结构的方波直线变压器驱动源，其空间 利用率高，体积小，可显著降低驱动源造价。

本发明的技术解决方案是：所提供的双层同轴结构的方波直线变压器驱动 源，包括由外至内依次同轴设置的外层放电模块、次级筒和内层放电模块；所 述外层放电模块一端接地，另一端连接次级筒，构成外层基频回路；所述内层 放电模块一端接地，另一端连接次级筒，构成内层谐波调节回路；所述次级筒 一端接地，另一端连接负载后接地，构成内外层LTD共用回路部分。内外两层 放电模块同轴布置，结构紧凑，相同体积下该驱动源可以获得更高功率的输出。

上述外层放电模块包括由内至外依次设置的外层高压电极环、外层磁芯和 多个相互并联的外层放电支路；所述外层高压电极环绕过外层磁芯后与外层放 电支路相连。内层放电模块包括由外至内依次设置的内层高压电极环、内层磁 芯和多个相互并联的内层放电支路；所述内层高压电极环绕过内层磁芯后与内 层放电支路相连。外层放电支路为基频放电支路，内层放电支路为谐波调节支 路，可实现方波脉冲输出。

本发明有益效果是：

(1)本发明采用内外两层放电模块同轴布置，结构紧凑，在相同体积下可 以获得更高功率的输出。

(2)本发明的外层放电支路为基频放电支路，内层放电支路为谐波调节支 路，在不增加驱动源体积情况下可实现方波脉冲输出，而且模块内元件制造难 度相对较小，空间利用率高，可显著降低驱动源造价。

(3)本发明放电支路布置为轮辐状，基频放电支路位于外圆周上，谐波调 节支路位于内圆周上，因此谐波调节支路中的电容器和开关体积可以适当减小， 放电回路电感可显著减小，输出效率相对较高。

(4)本发明可以将多个模块串联使用，在负载上获得更高电压更高功率的 方波脉冲。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的三维结构示意图；

图2为本发明较佳实施例的内部结构俯视图；

图3为本发明较佳实施例的局部剖视图；

图4为本发明较佳实施例模拟得到的方波输出电流波形。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明较佳实施例的结构包括由外至内同轴设置的外壁1、 外层放电模块2、次级筒3、内层放电模块4和内壁5。整体结构呈轮辐状，外 壁1的直径为2600mm，内壁5的直径为500mm，整体高度为230mm。外层 放电模块2主要由40个外层放电支路21构成，每个外层放电支路均为基频放 电支路。内层放电模块4主要由24个内层放电支路41并联构成，其中有16个 内层放电支路为三次谐波支路，有8个内层放电支路为五次谐波支路。

参见图3，本发明较佳实施例的外层放电模块2包括由内至外依次设置的外 层高压电极环22、外层磁芯23和多个相互并联的外层放电支路21，每个外层 放电支路21又由两个电容器一211和一个气体开关一212组成，上、中、下三 个外层绝缘子213起到绝缘和支撑的作用。位于下方的电容器一通过一个外层 高压电极环22与下接地板6相连，位于上方的电容器一通过一个外层高压电极 环22与次级筒3相连，构成外层初级回路。每个电容器一211与外层高压电极 环22之间均设置有一个外层磁芯23。外层放电模块2的腔体内部填充有变压器 油或采用气体以增加绝缘强度。

内层放电模块4包括由外至内依次设置的内层高压电极环42、内层磁芯43 和多个相互并联的内层放电支路41，每个内层放电支路41又由两个电容器二 411和一个气体开关二412组成，上、中、下三个内层绝缘子413起到绝缘和支 撑的作用。位于上方的电容器二通过一个内层高压电极环42与上接地板7相连， 位于下方的电容器二通过一个内层高压电极环42与次级筒3相连，构成内层初 级回路。每个电容器二411与内层高压电极环42之间均设置有一个内层磁芯43。 内层放电模块4的腔体内部填充有变压器油或采用气体以增加绝缘强度。

外层放电模块2和内层放电模块4共用位于二者中间的次级筒3作为驱动 源的高压输出筒。次级筒3下端与下接地板6相连，上端连接负载后再与上接 地板7相连，构成内外共用的中间次级回路。中间次级回路采用真空或真空磁 绝缘。

本发明驱动源的工作过程如下：外层放电模块2和内层放电模块4内所有 气体开关两端分别施加±100kV直流高压，电容器充满电。开关被触发后，内 外层所有放电支路的气体开关同步击穿闭合。40个外层放电支路21的电流汇聚 到外层高压电极环22上形成主脉冲电流，24个内层放电支路41的电流汇聚到 内层高压电极环42上形成谐波调节脉冲电流，两电流在负载处叠加形成高幅值 的方波电流脉冲。

在本发明的较佳实施例中，外层放电模块2的所有电容器均采用 65nF/100kV塑壳电容器，电容器尺寸为154mm×250mm×60mm，放电支路 电感约为250nH。内层放电模块2中，三次谐波支路的电容器采用12nF/100kV 塑壳电容器，电容器尺寸为100mm×150mm×60mm，放电支路电感约为 150nH；五次谐波支路的电容器采用8nF/50kV陶瓷电容器，放电支路电感约为 150nH。外层磁芯23和内层磁芯43均采用非晶态合金磁性材料，其中外层磁芯 23的尺寸为Φ1720mm×Φ1600mm×35mm，单只磁芯伏秒数为5.3mV·s；内层 磁芯43的尺寸为Φ1260mm×Φ1220mm×40mm，单只磁芯伏秒数为2mV·s。

当本发明驱动源的电容器充电±100kV，采用2nH/0.1Ω负载，放电模块内 所有气体开关同步击穿时，电路模拟得到输出脉冲电流波形如图4所示。结果 表明：本发明驱动源的输出电流峰值为1023kA，上升时间(10％～90％)为34ns， 80％的平顶宽度为236ns。模块总储能25.64kJ，在主脉冲400ns时间段内传递 至负载的能量为22.7kJ，能量效率达88.5％。