雙層同軸結(jié)構(gòu)的方波直線變壓器驅(qū)動源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直線變壓器驅(qū)動源(Linear Transformer Driver，簡稱LTD)。
【背景技術(shù)】
[0002]快脈沖直線變壓器驅(qū)動源(FLTD)無需脈沖壓縮能直接輸出百納秒的快前沿高功率脈沖，相比于傳統(tǒng)的脈沖功率源，具有更加緊湊、模塊化、造價低等優(yōu)點，在近十年得到了飛速發(fā)展。目前FLTD技術(shù)已成為Z箍縮慣性約束聚變(ICF)、閃光照相、準(zhǔn)分子激光等研究領(lǐng)域中驅(qū)動源的優(yōu)先選擇的技術(shù)路線。美國SNL在Z箍縮聚變能源項目中提出了電流60MA的FLTD驅(qū)動源概念設(shè)計；SNL與法國CEA合作的閃光照相研究中驅(qū)動源也采用FLTD技術(shù)；俄羅斯HCEI已成功將FLTD技術(shù)應(yīng)用于XeF準(zhǔn)分子激光器。
[0003]FLTD通過徑向均勻排列的多個放電支路并聯(lián)同步放電，利用電磁耦合，實現(xiàn)單級多個支路電流疊加和多級模塊電壓疊加，其輸出波形主要由單個支路的電感電容決定，呈正弦衰減形狀。而在閃光照相和準(zhǔn)分子激光等其他研究領(lǐng)域中更希望驅(qū)動源的輸出波形呈方波，即快的上升前沿以及平坦的平頂。俄羅斯HCEI的A.A.1QM等人提出基于方波傅立葉級數(shù)理論，在原LTD模塊中并入三次諧波放電支路實現(xiàn)準(zhǔn)方波脈沖輸出的方法，并開展了初步實驗驗證。FLTD單模塊由4個標(biāo)準(zhǔn)放電支路和2個三次諧波調(diào)節(jié)支路組成，當(dāng)模塊充電± 10kV時在1.65 Ω負(fù)載上獲得了上升前沿30ns、半寬73ns、幅值78kV準(zhǔn)方波脈沖。中國工程物理研究院的趙越等人也利用該方法開展了方波LTD的設(shè)計，初步模擬了諧波支路參數(shù)和開關(guān)抖動等因素對方波LTD輸出參數(shù)的影響。
[0004]雖然理論分析和原理性實驗驗證了 LTD實現(xiàn)方波輸出的可行性，增加諧波支路數(shù)可使輸出波形更加接近方波，但是由于諧波支路的引入將導(dǎo)致模塊內(nèi)放電支路數(shù)至少增加一半，放電支路若按照通常的排布方式將致使磁芯和絕緣子體積增加，性價比不高。尤其是對于產(chǎn)生兆安級輸出電流的FLTD模塊，外徑已達(dá)3m，若再增加體積，磁芯和絕緣子制造難度大，模塊造價將成倍增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種雙層同軸結(jié)構(gòu)的方波直線變壓器驅(qū)動源，其空間利用率高，體積小，可顯著降低驅(qū)動源造價。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:所提供的雙層同軸結(jié)構(gòu)的方波直線變壓器驅(qū)動源，包括由外至內(nèi)依次同軸設(shè)置的外層放電模塊、次級筒和內(nèi)層放電模塊；所述外層放電模塊一端接地，另一端連接次級筒，構(gòu)成外層基頻回路；所述內(nèi)層放電模塊一端接地，另一端連接次級筒，構(gòu)成內(nèi)層諧波調(diào)節(jié)回路；所述次級筒一端接地，另一端連接負(fù)載后接地，構(gòu)成內(nèi)外層LTD共用回路部分。內(nèi)外兩層放電模塊同軸布置，結(jié)構(gòu)緊湊，相同體積下該驅(qū)動源可以獲得更高功率的輸出。
[0007]上述外層放電模塊包括由內(nèi)至外依次設(shè)置的外層高壓電極環(huán)、外層磁芯和多個相互并聯(lián)的外層放電支路；所述外層高壓電極環(huán)繞過外層磁芯后與外層放電支路相連。內(nèi)層放電模塊包括由外至內(nèi)依次設(shè)置的內(nèi)層高壓電極環(huán)、內(nèi)層磁芯和多個相互并聯(lián)的內(nèi)層放電支路；所述內(nèi)層高壓電極環(huán)繞過內(nèi)層磁芯后與內(nèi)層放電支路相連。外層放電支路為基頻放電支路，內(nèi)層放電支路為諧波調(diào)節(jié)支路，可實現(xiàn)方波脈沖輸出。
[0008]本發(fā)明有益效果是:
[0009](I)本發(fā)明采用內(nèi)外兩層放電模塊同軸布置，結(jié)構(gòu)緊湊，在相同體積下可以獲得更高功率的輸出。
[0010](2)本發(fā)明的外層放電支路為基頻放電支路，內(nèi)層放電支路為諧波調(diào)節(jié)支路，在不增加驅(qū)動源體積情況下可實現(xiàn)方波脈沖輸出，而且模塊內(nèi)元件制造難度相對較小，空間利用率高，可顯著降低驅(qū)動源造價。
[0011](3)本發(fā)明放電支路布置為輪輻狀，基頻放電支路位于外圓周上，諧波調(diào)節(jié)支路位于內(nèi)圓周上，因此諧波調(diào)節(jié)支路中的電容器和開關(guān)體積可以適當(dāng)減小，放電回路電感可顯著減小，輸出效率相對較高。
[0012](4)本發(fā)明可以將多個模塊串聯(lián)使用，在負(fù)載上獲得更高電壓更高功率的方波脈沖。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明較佳實施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明較佳實施例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0015]圖3為本發(fā)明較佳實施例的局部剖視圖；
[0016]圖4為本發(fā)明較佳實施例模擬得到的方波輸出電流波形。
【具體實施方式】
[0017]參見圖1和圖2，本發(fā)明較佳實施例的結(jié)構(gòu)包括由外至內(nèi)同軸設(shè)置的外壁1、外層放電模塊2、次級筒3、內(nèi)層放電模塊4和內(nèi)壁5。整體結(jié)構(gòu)呈輪輻狀，外壁I的直徑為2600mm,內(nèi)壁5的直徑為500mm，整體高度為230mm。外層放電模塊2主要由40個外層放電支路21構(gòu)成，每個外層放電支路均為基頻放電支路。內(nèi)層放電模塊4主要由24個內(nèi)層放電支路41并聯(lián)構(gòu)成，其中有16個內(nèi)層放電支路為三次諧波支路，有8個內(nèi)層放電支路為五次諧波支路。
[0018]參見圖3，本發(fā)明較佳實施例的外層放電模塊2包括由內(nèi)至外依次設(shè)置的外層高壓電極環(huán)22、外層磁芯23和多個相互并聯(lián)的外層放電支路21，每個外層放電支路21又由兩個電容器一 211和一個氣體開關(guān)一 212組成，上、中、下三個外層絕緣子213起到絕緣和支撐的作用。位于下方的電容器一通過一個外層高壓電極環(huán)22與下接地板6相連，位于上方的電容器一通過一個外層高壓電極環(huán)22與次級筒3相連，構(gòu)成外層初級回路。每個電容器一 211與外層高壓電極環(huán)22之間均設(shè)置有一個外層磁芯23。外層放電模塊2的腔體內(nèi)部填充有變壓器油或采用氣體以增加絕緣強(qiáng)度。
[0019]內(nèi)層放電模塊4包括由外至內(nèi)依次設(shè)置的內(nèi)層高壓電極環(huán)42、內(nèi)層磁芯43和多個相互并聯(lián)的內(nèi)層放電支路41，每個內(nèi)層放電支路41又由兩個電容器二 411和一個氣體開關(guān)二 412組成，上、中、下三個內(nèi)層絕緣子413起到絕緣和支撐的作用。位于上方的電容器二通過一個內(nèi)層高壓電極環(huán)42與上接地板7相連，位于下方的電容器二通過一個內(nèi)層高壓電極環(huán)42與次級筒3相連，構(gòu)成內(nèi)層初級回路。每個電容器二 411與內(nèi)層高壓電極環(huán)42之間均設(shè)置有一個內(nèi)層磁芯43。內(nèi)層放電模塊4的腔體內(nèi)部填充有變壓器油或采用氣體以增加絕緣強(qiáng)度。
[0020]外層放電模塊2和內(nèi)層放電模塊4共用位于二者中間的次級筒3作為驅(qū)動源的高壓輸出筒。次級筒3下端與下接地板6相連，上端連接負(fù)載后再與上接地板7相連，構(gòu)成內(nèi)外共用的中間次級回路。中間次級回路采用真空或真空磁絕緣。
[0021]本發(fā)明驅(qū)動源的工作過程如下:外層放電模塊2和內(nèi)層放電模塊4內(nèi)所有氣體開關(guān)兩端分別施加±100kV直流高壓，電容器充滿電。開關(guān)被觸發(fā)后，內(nèi)外層所有放電支路的氣體開關(guān)同步擊穿閉合。40個外層放電支路21的電流匯聚到外層高壓電極環(huán)22上形成主脈沖電流，24個內(nèi)層放電支路41的電流匯聚到內(nèi)層高壓電極環(huán)42上形成諧波調(diào)節(jié)脈沖電流，兩電流在負(fù)載處疊加形成高幅值的方波電流脈沖。
[0022]在本發(fā)明的較佳實施例中，外層放電模塊2的所有電容器均采用65nF/100kV塑殼電容器，電容器尺寸為154mmX250mmX60mm，放電支路電感約為250nH。內(nèi)層放電模塊2中，三次諧波支路的電容器采用12nF/100kV塑殼電容器，電容器尺寸為10mmX 150mmX60mm，放電支路電感約為150nH ;五次諧波支路的電容器采用8nF/50kV陶瓷電容器，放電支路電感約為150nH。外層磁芯23和內(nèi)層磁芯43均采用非晶態(tài)合金磁性材料，其中外層磁芯23的尺寸為Φ 1720mmX Φ 1600mmX 35mm,單只磁芯伏秒數(shù)為5.3mV ?s ；內(nèi)層磁芯43的尺寸為Φ 1 260mmX Φ 1220mmX 40mm，單只磁芯伏秒數(shù)為 2mV.S。
[0023]當(dāng)本發(fā)明驅(qū)動源的電容器充電±100kV，采用2nH/0.1 Ω負(fù)載，放電模塊內(nèi)所有氣體開關(guān)同步擊穿時，電路模擬得到輸出脈沖電流波形如圖4所示。結(jié)果表明:本發(fā)明驅(qū)動源的輸出電流峰值為1023kA，上升時間(10%?90% )為34ns，80%的平頂寬度為236ns。模塊總儲能25.64kJ，在主脈沖400ns時間段內(nèi)傳遞至負(fù)載的能量為22.7kJ，能量效率達(dá)88.
【主權(quán)項】
1.一種雙層同軸結(jié)構(gòu)的方波直線變壓器驅(qū)動源，其特征在于:包括由外至內(nèi)依次同軸設(shè)置的外層放電模塊、次級筒和內(nèi)層放電模塊； 所述外層放電模塊一端接地，另一端連接次級筒，構(gòu)成外層基頻回路； 所述內(nèi)層放電模塊一端接地，另一端連接次級筒，構(gòu)成內(nèi)層諧波調(diào)節(jié)回路； 所述次級筒一端接地，另一端連接負(fù)載后接地，構(gòu)成外層基頻回路、內(nèi)層諧波調(diào)節(jié)回路共用部分。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層同軸結(jié)構(gòu)的方波直線變壓器驅(qū)動源，其特征在于:所述外層放電模塊包括由內(nèi)至外依次設(shè)置的外層高壓電極環(huán)、外層磁芯和多個相互并聯(lián)的外層放電支路；所述外層高壓電極環(huán)繞過外層磁芯后與外層放電支路相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙層同軸結(jié)構(gòu)的方波直線變壓器驅(qū)動源，其特征在于:所述內(nèi)層放電模塊包括由外至內(nèi)依次設(shè)置的內(nèi)層高壓電極環(huán)、內(nèi)層磁芯和多個相互并聯(lián)的內(nèi)層放電支路；所述內(nèi)層高壓電極環(huán)繞過內(nèi)層磁芯后與內(nèi)層放電支路相連。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙層同軸結(jié)構(gòu)的方波直線變壓器驅(qū)動源，其特征在于:所述外層放電支路為基頻放電支路；所述內(nèi)層放電支路為諧波調(diào)節(jié)支路。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙層同軸結(jié)構(gòu)的方波直線變壓器驅(qū)動源，其特征在于:每個外層放電支路和內(nèi)層放電支路均包括兩個電容器和一個氣體開關(guān)，所述電容器通過絕緣子絕緣。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙層同軸結(jié)構(gòu)的方波直線變壓器驅(qū)動源，其特征在于:外層放電模塊和內(nèi)層放電模塊通過變壓器油或氣體介質(zhì)進(jìn)行絕緣；中間次級筒采用真空或真空磁絕緣。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種直線變壓器驅(qū)動源(Linear？Transformer？Driver，簡稱LTD)，包括由外至內(nèi)依次同軸設(shè)置的外層放電模塊、次級筒和內(nèi)層放電模塊；外層放電模塊一端接地，另一端連接次級筒，構(gòu)成外層基頻回路；內(nèi)層放電模塊一端接地，另一端連接次級筒，構(gòu)成內(nèi)層諧波調(diào)節(jié)回路；次級筒一端接地，另一端連接負(fù)載后接地，構(gòu)成外層基頻回路、內(nèi)層諧波調(diào)節(jié)回路共用部分。本發(fā)明所提供的同軸結(jié)構(gòu)的方波直線變壓器驅(qū)動源，其空間利用率高，體積小，可顯著降低驅(qū)動源造價。本發(fā)明采用內(nèi)外兩層放電模塊同軸布置，結(jié)構(gòu)緊湊，在相同體積下可以獲得更高功率的輸出。
【IPC分類】H03K3/64
【公開號】CN105227160
【申請?zhí)枴緾N201510600054
【發(fā)明人】姜曉峰, 孫鳳舉, 趙學(xué)慶, 魏浩, 王大輝
【申請人】西北核技術(shù)研究所
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年9月18日