一種基於新結構開關的多路輸出高壓脈衝發生器的製作方法

2024-03-02 07:43:15 1

本發明涉及脈衝功率技術領域，具體涉及一種基於新結構開關的多路輸出高壓脈衝發生器。

背景技術：

高壓脈衝發生器是一種常用的儀器，在科學研究中具有廣泛的應用，作為觸發系統，在大型脈衝功率裝置中更是有著重要作用，直接影響到整機的穩定性以及同步性。高壓脈衝發生器主要由高壓電源、儲能部分、開關和控制電路組成。其中最為核心的器件是開關，可選用固態開關，真空開關、氣體開關等。氣體開關具有工作電壓高、通流能力強等優勢，是一種較為理想的選擇。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於新結構開關的多路輸出高壓脈衝發生器，解決現有技術中高壓脈衝發生器存在的結構鬆散、電感大的問題。

本發明通過下述技術方案實現：

一種基於新結構開關的多路輸出高壓脈衝發生器，包括油箱，在油箱的油箱蓋板上設置有透明窗口，在透明窗口上設置有正充電樁、負充電樁、以及外觸發端，在所述的油箱內安裝有氣體觸發開關，其包括兩端開口呈圓筒狀的主開關絕緣筒，在主開關絕緣筒的兩端分別通過螺栓固定連接有主開關正電極、主開關負電極，主開關正電極與正充電樁連接，主開關負電極與負充電樁連接，在主開關正電極上固定有主開關上蓋板，在主開關負電極上固定有主開關下蓋板，其中主開關正電極與主開關負電極均向對側凹陷，並在其底部均設置有一個圓形孔，主開關觸發電極穿過該圓形孔，其兩端分別固定在主開關上蓋板、主開關下蓋板上，並與外觸發端連接，在主開關觸發電極上設置有與圓形孔相匹配的環狀凸起部。本發明的主要改進之處是採用了一個新的氣體觸發開關，通過設置新的氣體觸發開關結構，可以解決現有技術中的體積問題，在緊湊結構的同時，還減小了電感，通過將主開關正電極、主開關負電極固定，同時將其設置成凹陷結構，大大增加了導通點的距離，同時，利用圓形孔與主開關觸發電極上設置的環狀凸起部配合形成圓環狀的輻射通道，在觸發電壓增加時，多級同軸輻射狀氣體開關，主開關正電極通過電纜連接在正充電柱上，主開關負電極通過電纜連接在負充電柱上，主開關正電極、主開關負電極由內六角螺釘分別把在絕緣筒的兩端，主開關上蓋板和主開關下蓋板分別固定在主開關正電極、主開關負電極上，觸發電極固定在上下蓋板之間，觸發電極通過觸發隔離電容連接外觸發端，觸發隔離電容兩端並聯觸發隔離電阻，觸發隔離筒為絕緣材料，以防止穩壓電阻與正電極之間放電，主開關進氣孔和出氣孔安裝在下蓋板上，由透明窗口上的進氣孔和出氣孔通過氣管連接進入，主開關通過L型支架與正儲能電容和負儲能電容連接，這樣的開關結構緊湊，放電穩定，輸出脈衝可達百kV，上升時間為數ns，電壓上升率數十kV/ns。

所述的主開關上蓋板、主開關下蓋板與主開關絕緣筒構成一個密閉腔室，在主開關下蓋板上設置有該密閉腔室的主開關進氣孔、主開關出氣孔，其中主開關進氣孔通過氣管與透明窗口上的進氣孔連接，主開關出氣孔通過氣管與透明窗口上的出氣孔連接。具體的講，通過設置密閉的空腔作為試驗腔體，在其內部注入SF6氣體作為絕緣介質，氣管作為SF6氣體的傳輸通路，可以較好地進行

所述的主開關絕緣筒的側壁上設置有向內側或外側凸起的環狀條。具有環狀突起結構的主開關絕緣筒其在軸向上的伸縮量較大，可以增加絕緣筒在軸向上的彈性度，使得在試驗過程中，氣體壓強增加的情況下，增加絕緣筒在軸向上的延伸性能，確保其密閉性，提高實驗精度。

還包括一個觸發隔離筒，觸發隔離電阻固定在觸發隔離筒內，觸發隔離電阻與觸發隔離筒內的觸發隔離電容並聯，外觸發端通過觸發隔離電阻連接至主開關觸發電極。進一步講，外觸發端通過觸發隔離電阻與觸發隔離電容並聯形成的濾除結構後，可以使得輸入的觸發電壓更加穩定和精準。

在所述油箱蓋板下方通過支撐杆連接有支撐底板，在支撐底板上設置有絕緣底座，在絕緣底座上設置有疊放的正儲能電容、負儲能電容，主開關正電極與主開關負電極分別連接在正儲能電容、負儲能電容上，正儲能電容與負儲能電容分別連接在大電阻的兩端；大電阻通過輸出隔離電阻連接至輸出電纜，在輸出隔離電阻兩端並聯一個輸出隔離電容。進一步講，通過支撐底板固定絕緣底座，在絕緣底座上安裝疊放的正儲能電容、負儲能電容，由隔離電容和隔離電阻組成，正儲能電容一端連接開關的正電極，另一端由L型支架連接大電阻的一端，並通過隔離電容和隔離電阻連接輸出電纜，負儲能電容一端連接開關的負電極，另一端由L型支架連接輸出電阻的另一端，並連接在支撐底板上，支撐底板由支撐杆把接在油箱蓋板上，如此，結構緊湊空間分布合理。

1、本發明一種基於新結構開關的多路輸出高壓脈衝發生器，利用圓形孔與主開關觸發電極上設置的環狀凸起部配合形成圓環狀的輻射通道，在觸發電壓增加時，多級同軸輻射狀氣體開關，主開關正電極通過電纜連接在正充電柱上，主開關負電極通過電纜連接在負充電柱上，主開關正電極、主開關負電極由內六角螺釘分別把在絕緣筒的兩端，主開關上蓋板和主開關下蓋板分別固定在主開關正電極、主開關負電極上，觸發電極固定在上下蓋板之間，觸發電極通過觸發隔離電容連接外觸發端，觸發隔離電容兩端並聯觸發隔離電阻，觸發隔離筒為絕緣材料，以防止穩壓電阻與正電極之間放電，主開關進氣孔和出氣孔安裝在下蓋板上，由透明窗口上的進氣孔和出氣孔通過氣管連接進入，主開關通過L型支架與正儲能電容和負儲能電容連接，這樣的開關結構緊湊，放電穩定，輸出脈衝可達百kV，上升時間為數ns，電壓上升率數十kV/ns；

2、本發明一種基於新結構開關的多路輸出高壓脈衝發生器，具有環狀突起結構的主開關絕緣筒其在軸向上的伸縮量較大，可以增加絕緣筒在軸向上的彈性度，使得在試驗過程中，氣體壓強增加的情況下，增加絕緣筒在軸向上的延伸性能，確保其密閉性，提高實驗精度；

3、本發明一種基於新結構開關的多路輸出高壓脈衝發生器，採用新型的空氣觸發開關，其雙電極氣體觸發開關結構，使得運行更加穩定，結構更為緊湊；輸出脈衝上升率快，可達到50kV/ns；容易擴展到數十路輸出，多路共同使用一個主開關，多路輸出同步性好。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發明高壓脈衝發生器等效電路圖；

圖2為本發明高壓脈衝發生器結構示意圖；

圖3為本發明高壓脈衝發生器新結構開關結構示意圖；

圖4為本發明高壓脈衝發生器放電輸出曲線。

附圖中標記及相應的零部件名稱：

1-油箱蓋板，2-進氣孔，3-透明窗口，4-正充電柱，5-外觸發端，6-負充電柱，7-出氣孔，8-輸出電纜，9-觸發隔離電容，10-觸發隔離電阻，11-觸發隔離筒，12-輸出隔離電容，13-輸出隔離電阻，14-正儲能電容，15-負儲能電容，16-L型支架，17-支撐杆，18-油箱，19-輸出電阻，20-主開關，21-氣管，22-主開關支架，23-絕緣底座，24-支撐底板，25-主開關上蓋板，26-主開關正電極，27-主開關觸發電極，28-主開關負電極，29-主開關絕緣筒，30-主開關進氣孔，31-主開關出氣孔，32-主開關下蓋板。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。

實施例

如圖1至3所示，本發明一種基於新結構開關的多路輸出高壓脈衝發生器，包括油箱18，在油箱18的油箱蓋板1上設置有透明窗口3，在透明窗口3上設置有正充電樁4、負充電樁6、以及外觸發端5，在油箱18內安裝有氣體觸發開關，其包括兩端開口呈圓筒狀的主開關絕緣筒29，主開關絕緣筒29的側壁上設置有向內側或外側凸起的環狀條，該結構在絕緣筒收到軸向上作用力的時候，使得其具備部分彈性延伸能力，在主開關絕緣筒29的兩端分別通過螺栓固定連接有主開關正電極26、主開關負電極28，主開關正電極26與正充電樁4連接，主開關負電極28與負充電樁6連接，在主開關正電極26上固定有主開關上蓋板25，在主開關負電極28上固定有主開關下蓋板32，其中主開關正電極26與主開關負電極28均向對側凹陷，並在其底部均設置有一個圓形孔，主開關觸發電極27穿過該圓形孔，其兩端分別固定在主開關上蓋板25、主開關下蓋板32上，並與外觸發端5連接，在主開關觸發電極27上設置有與圓形孔相匹配的環狀凸起部；主開關上蓋板25、主開關下蓋板32與主開關絕緣筒29構成一個密閉腔室，在主開關下蓋板32上設置有該密閉腔室的主開關進氣孔30、主開關出氣孔31，其中主開關進氣孔30通過氣管21與透明窗口3上的進氣孔2連接，主開關出氣孔31通過氣管21與透明窗口3上的出氣孔7連接；還包括一個觸發隔離筒11，觸發隔離電阻10固定在觸發隔離筒11內，觸發隔離電阻10與觸發隔離筒11內的觸發隔離電容9並聯，外觸發端5通過觸發隔離電阻10連接至主開關觸發電極27；在油箱蓋板1下方通過支撐杆17連接有支撐底板24，在支撐底板24上設置有絕緣底座23，在絕緣底座23上設置有疊放的正儲能電容14、負儲能電容15，主開關正電極26與主開關負電極28分別連接在正儲能電容14、負儲能電容15上，正儲能電容14與負儲能電容15分別連接在大電阻19的兩端；大電阻19通過輸出隔離電阻13連接至輸出電纜8，在輸出隔離電阻13兩端並聯一個輸出隔離電容12；正負電極由內6角螺釘分別把在絕緣筒29的兩端，以保證正負電極之間的距離為20mm，上蓋板25和下蓋板32分別固定在正負電極上，觸發電極固定在上下蓋板之間，以保證觸發電極與正負電極之間的距離為4.5mm，觸發電極通過觸發隔離電容9連接外觸發端5，觸發隔離電容兩端並聯觸發隔離電阻10，觸發隔離筒11為絕緣材料，以防止穩壓電阻與正電極之間放電，主開關進氣孔27和出氣孔28安裝在下蓋板29上，由透明窗口3上的進氣孔2和出氣孔7通過氣管21連接進入，主開關通過L型支架22與正儲能電容14和負儲能電容15連接。

輸出部分包括正儲能電容14，正儲能電容14一端連接主開關的正電極，另一端由電容支架16連接輸出電阻19的一端，並通過輸出隔離電容12和輸出隔離電阻13連接輸出電纜8，負儲能電容一端連接主開關的負電極，另一端由電容支架連接輸出電阻的另一端，並連接在支撐底板24上，支撐底板由支撐杆17把接在油箱蓋板1上，支撐底板和支撐杆為導體，使其保持零電位，透明窗口把接在油箱蓋板上，透明窗口為絕緣材料，以防止正負充電柱與蓋板零電位放電。工作原理為：主開關內充SF6氣體作為絕緣介質，正儲能電容充電+40kV，負儲能電容充電-40kV。為施加外觸發電壓時，外觸發端連接到地，通過隔離電阻使主開關觸發極保持在零電位。當外觸發幅值約-55kV時，通過隔離電容施加在觸發極上，由於觸發極和正電極之間極性相反，超過SF6氣體的擊穿電壓，使觸發極和正電極導通放電，從而整個開關導通，儲能電容兩端的電勢差不能發生突變，正儲能電容與大電阻連接端電壓突變為+80kV，電壓波經隔離電容，由輸出電纜向輸出端傳播，增加隔離電阻可使輸出電纜電壓初始處於零電位。

輸出脈寬：T＝2L/v

上式中L為輸出電纜的總長度，在實施例中輸出電纜長5m，v為電壓波在電纜中的傳播速度，約為0.2m/ns，理論上脈寬約為50ns。

圖4為充40kV條件下多次放電的輸出結果，輸出脈衝幅值與脈寬均與理論結果符合較好，輸出的高壓脈衝上升率達到50kV/ns。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。