一種多級串聯直線型變壓器驅動源的同步觸發方法

2023-04-23 16:23:06

專利名稱：一種多級串聯直線型變壓器驅動源的同步觸發方法
技術領域：
本發明涉及由數十級感應腔(Cavity)串聯構成的大型快放電直線變壓器型驅動源(Fast Discharging Linear Transformer Driver,英文簡稱LTD)的新型觸發方法。其獨特之處多級感應腔串聯LTD下遊感應腔內氣體火花開關通過自身磁芯(Magnetic cores) 電磁感應，耦合來自上遊感應腔、沿次級傳輸線(internal transmission line)傳播的電磁脈衝實現多級感應腔開關依次被耦合的高幅值過電壓觸發擊穿閉合，可顯著簡化多級串聯LTD脈衝源對觸發系統的要求。
背景技術：
近年來，快放電直線變壓器型驅動源(以下採用英文簡稱LTD描述)成為國際脈衝功率驅動源技術的研究熱點，與傳統的基於Marx發生器和水線技術產生高電壓大電流功率脈衝的途徑不同，LTD實現了低電感電容器直接通過氣體火化開關放電(Discharging Brick)產生上升時間IOOns的高功率脈衝。脈衝電流可通過增加感應腔內放電支路的並聯數實現，電壓的增加通過多級感應腔的串聯實現其基本電路結構為初級多個支路多級依次對變壓器放電，利用同一次級將多級感應腔電壓串聯疊加的脈衝變壓器組，對每一支路都是變比為1 1的變壓器。國際上流行的LTD感應腔的電容器充電電壓為士 IOOkVJi 匹配負載放電可產生峰值為IOOkV的脈衝電壓；其輸出電流主要由感應腔內放電支路的電氣參數和並聯支路數決定，目前國際上最大的LTD感應腔為40個放電支路並聯，每個支路由中間串接氣體開關的2隻40nF的電容器包圍磁芯的迴路構成，單個感應腔輸出最大電流峰值為1000kA。要達到慣性約束核聚變、閃光照像，乃至聚變能源等領域的要求，基於LTD 技術的脈衝功率驅動源需要由數十乃至幾百路輸出電壓高達數兆伏的子驅動源(Module) 並聯而成；而每路子驅動源又需要數十級感應腔串聯而成，如此龐大的系統包含數萬到數十萬支氣體火花開關，要保證如此大量的開關陣列的協同工作，按每級感應腔提供4路觸發脈衝，其觸發系統要求提供數萬路高電壓(大於120kV)快前沿(約20ns)的觸發脈衝，觸發時序可以控制，同時必須滿足極高運行可靠性(低運行失敗概率)和極低輸出抖動。國內外都在積極開展大規模LTD開關陣列的同步觸發技術研究，目前產生如此觸發脈衝的方法是採用低電感脈衝電容器通過短間隙高壓氣體火化開關向輸出電纜快放電，產生多路觸發脈衝。然而由於氣體火花開關本身固有擊穿延時抖動和一定的自放概率，要實現感應腔內開關閉合的精確控制，必須要儘可能減小觸發系統輸出抖動。曾研製的一套開路輸出電壓130KV以上的觸發器，系統整體輸出抖動小於5ns，但運行1年後其自放概率較高。對電觸發氣體火花開關來說，同時取得低抖動和高工作可靠性(極低的自放概率和觸發失敗概率)的要求是互相矛盾的。此外強雷射觸發氣體火花開關可實現氣體火花開關工作同時具備低抖動和高可靠性。然而，觸發需要的雷射功率極高(MW以上)，一般需專業的大功率雷射器才能提供如此的強雷射脈衝。同時保證數萬隻氣體火花開關同步放電，雷射系統本身的可靠性就是很大的問題。另外，雷射器工作前的聚焦和光路調整使得以強雷射觸發系統為基礎構建LTD觸發系統方案的可行性較低。

發明內容
本發明的目的是提供一種多級串聯LTD大規模開關陣列的同步觸發方法，降低對觸發系統的要求，實現數多級串聯LTD開關的感應過電壓觸發閉合。本發明的結構原理圖見附圖。其核心思想是對於一路包含數十級感應腔串聯的 LTD裝置，僅需為上遊幾級感應腔(例如前五級)內開關提供外觸發脈衝，實現強觸發快速閉合。已經閉合的上遊感應腔通過次級電磁感應產生電壓疊加的電磁脈衝將沿著次級傳輸線向負載方向傳播。首先與電磁脈衝相遇的開關保持開路的一級感應腔內開關將通過其磁芯感應耦合前幾級產生的過電壓，而後續感應腔內開關感應電壓則隨其位置逐漸降低。實際應用中，LTD開關在如此高的過電壓作用下能夠快速閉合。因此，對於數十級感應腔串聯 LTD，僅向其上遊幾個感應腔提供外觸發脈衝，下遊感應腔能夠通過其次級傳輸線(通過磁芯)感應到過電壓而實現快速觸發。本發明的一種數十級感應腔(Cavity)串聯構成的大型快放電直線變壓器型驅動源的一種新型同步觸發方法，其特徵在於1)採用包含η組(η不小於3即可)觸發單元的觸發系統為最上遊的η級感應腔提供外觸發脈衝，實現對應感應腔氣體火花開關的強觸發閉合；2) η組觸發單元與上遊的η級感應腔對應；3)前η級感應腔通過次級電磁感應的電壓疊加後的電磁脈衝沿次級傳輸線傳播達到(η+1)級感應腔；4)第(η+1)級感應腔內開關通過磁芯耦合，將次級傳輸線中的過電壓電磁脈衝施加於自身的氣體火花開關而實現開關的快速過電壓擊穿閉合；5)依次類推，直至電磁脈衝達到負載。2.根據權利1所述的觸發方法，次級傳輸線採用高介電常數電介質絕緣。3.根據權利1所述的觸發方法，η組觸發單元與上遊的η級感應腔對應；每組觸發單元採用2 4路長度相同的高壓同軸電纜(每路長度大於5米)與相應的感應腔對接， 為感應腔內氣體火花開關提供幅值高於100kV，前沿小於30ns的快前沿脈衝。4.根據權利1所述的觸發方法，觸發單元之間輸出的脈衝電壓的分散性標準偏差 (1 O )應小於5ns。5.根據權利1所述的觸發方法，感應腔內部磁芯應選用高頻磁芯(響應時間小於 20-ns)，以便能夠將沿次級傳輸線傳播的快電磁脈衝耦合到感應腔內部的放電支路，實施開關的快速過電壓擊穿。6.根據權利1所述的觸發方法，感應腔內部的閉合開關應選用承受過電壓不會損壞的高壓氣體火花開關，實施開關的快速過電壓擊穿。7.根據權利1所述的觸發方法，感應腔內部器件及其之間的絕緣在作用時間小於 30ns的情況下，應該能夠耐受大於600kV的快速過電壓。保證在開關過電壓閉合前不會造成內部器件的過電壓損壞。上述觸發方法可以適用於LTD驅動源的次級傳輸線採用高介電常數電介質絕緣 (去離子水或甘油)的情況。


圖1第五級感應腔內開關閉合後，不同感應腔內開關感應到的電壓。圖2上遊感應腔內開關閉合後，緊隨其後的感應腔內開關感應到的過電壓。圖3兩種觸發方式施加到開關兩個子間隙上的電壓波形。圖4給出了假定感應腔內開關在不同過電壓幅值下擊穿閉合時，第60級感應腔內磁芯承受過電壓及其伏秒積分，(a)施加於第60級感應腔內磁芯的過電壓(b)第60級內感應腔磁芯的伏秒積分。圖5施加於第60級感應腔內磁芯的過電壓及其伏秒積分圖6是發明結構原理圖
具體實施例方式下面將從兩個方面闡述次級耦合過電壓觸發LTD方案及可行性。(1)下遊感應腔開關通過磁芯耦合獲得快速過電壓的可行性當僅為上遊幾級感應腔(例如前五級)內開關通過外觸發方式實現觸發擊穿閉合，上遊幾級感應腔通過次級電磁感應產生電壓疊加的電磁脈衝將沿著次級傳輸線向負載方向傳播，第六級感應腔內開關將通過其磁芯感應耦合前幾級產生的過電壓，後續感應腔內開關感應電壓則隨其位置逐漸降低，如圖1所示。如果第六級感應腔內開關一直保持斷開狀態，其感應電壓將達到前幾級電壓之和(約1000kV)。實際上LTD開關在感應過電壓達到IOOOkV以前就已經閉合。同理，第六級感應腔內開關閉合後緊隨其後的第七級感應腔就將感應到更高的過電壓。圖2給出了當第N級感應腔內開關閉合後，N+1級感應腔內開關感應到的過電壓(假定第N+1級及其下遊的感應腔內開關全部保持開路狀態)。可得到，隨著更多的感應腔因其內部開關感應到的過電壓而閉合，下遊感應腔內開關在閉合前感應到的過電壓幅值將越來越高，有利於下遊感應腔內開關的快速擊穿閉合。(2)次級耦合過電壓觸發目前LTD常用氣體開關方案及可行性依據目前公開報導和我們自己的研究成果，要實現LTD氣體開關具有較低抖動 (1-2η8(1-δ))，外觸發電壓脈衝電壓要達到120kV，前沿小於30ns。這裡通過電路仿真給出了氣體開關通過次級耦合的過電壓脈衝和外部提供的觸發電壓脈衝的波形比較如下圖3 所示。當電壓脈衝施加於觸發電極以後，由觸發電極隔離而形成的兩個間隙將承受不同的電場，一個間隙電場得到加強，另一個間隙電場在外加觸發電壓脈衝作用下降，直到第一個子間隙擊穿。因此，在外觸發脈衝的作用下，開關兩個子間隙是級聯擊穿，其擊穿延時等於兩個子間隙擊穿延時之和。而當開關通過磁芯耦合到過電壓後，其兩個子間隙內的電場強度同時增強。這兩個子間隙具有近似相同的閉合延時。依據氣體擊穿的經驗公式pr = 97800(-)"3 44
P(1)其中，ρ是氣體密度，單位g/cm3 ； τ是氣體間隙的擊穿延時，單位s ;Ε是間隙平均電場強度，單位kV/cm。目前，俄羅斯大電流所研製的多間隙串聯氣體開關在LTD驅動源得到較普遍應用。自研多間隙串聯氣體開關充電士 100kV，充高純氮氣0. 35MPa時工作
5係數為70%。根據圖3，下遊感應腔內開關閉合前感應的過電壓具有更高幅值和更快前沿。 這裡僅給出了第6級感應腔內開關擊穿的分析結果。對於一個600kV過電壓脈衝，採用公式(1)計算開關的擊穿延時約為2ns，開關感應的過電壓脈衝上升到600kV需要大約10ns。 因此可以推測多間隙開關能夠在上遊感應腔電脈衝傳輸到該級感應腔之後的約12ns實現快速閉合導通。(2)磁芯在耦合過電壓下的工作方案及可行性開關是通過感應腔內的磁芯感應次級傳輸線傳遞的電壓脈衝，因此磁芯也要承受較高過電壓。目前LTD裝置中使用的磁芯材料與IVA(感應電壓加速器)類似的50μπι的矽鋼夾絕緣膜磁芯和25 μ m的非晶磁芯。目前它們在IVA裝置的運行結果表明，可以安全耐受IMV以上的亞微秒高壓脈衝。數值計算結果表明，下遊感應腔內磁芯感應的過電壓較
尚ο從圖4可以看出，LTD採用次級耦合過電壓觸發時，僅需稍微增強磁芯的絕緣水平，而磁芯伏秒積分能夠滿足要求，在耦合過電壓脈衝作用下不會飽和。LTD感應腔內基本器件只有3個開關、電容器和磁芯。在開關閉合前每個支路都不可能通過傳導電流，電容器兩端電壓不會發生突變，將保持充電電壓。因此，採用次級耦合觸發方式僅需要增強開關外絕緣能力和磁芯匝間絕緣能力。採用該觸發方法將大大簡化 LTD裝置的觸發系統，提高LTD裝置及其觸發系統的運行可靠性。本發明對推廣LTD在慣性約束聚變、聚變能源和閃光照相等國防與民用領域的應用具有重要經濟軍事價值，實現次級耦合觸發將使LTD技術獲得突破性發展。
權利要求
1.一種數十級感應腔(Cavity)串聯構成的大型快放電直線變壓器型驅動源的一種新型同步觸發方法，其特徵在於1)採用包含η組(η不小於3即可)觸發單元的觸發系統為最上遊的η級感應腔提供外觸發脈衝，實現對應感應腔氣體火花開關的強觸發閉合；2)η組觸發單元與上遊的η級感應腔對應；3)前η級感應腔通過次級電磁感應的電壓疊加後的電磁脈衝沿次級傳輸線傳播達到 (η+1)級感應腔；4)第(η+1)級感應腔內開關通過磁芯耦合，將次級傳輸線中的過電壓電磁脈衝施加於自身的氣體火花開關而實現開關的快速過電壓擊穿閉合；5)依次類推，直至電磁脈衝達到負載。
2.根據權利1所述的觸發方法，次級傳輸線採用高介電常數電介質絕緣。
3.根據權利1所述的觸發方法，η組觸發單元與上遊的η級感應腔對應；每組觸發單元採用2 4路長度相同的高壓同軸電纜(每路長度大於5米)與相應的感應腔對接，為感應腔內氣體火花開關提供幅值高於100kV，前沿小於30ns的快前沿脈衝。
4.根據權利1所述的觸發方法，觸發單元之間輸出的脈衝電壓的分散性標準偏差 (1 σ )應小於5ns。
5.根據權利1所述的觸發方法，感應腔內部磁芯應選用高頻磁芯(響應時間小於 20-ns)，以便能夠將沿次級傳輸線傳播的快電磁脈衝耦合到感應腔內部的放電支路，實施開關的快速過電壓擊穿。
6.根據權利1所述的觸發方法，感應腔內部的閉合開關應選用承受過電壓不會損壞的高壓氣體火花開關，實施開關的快速過電壓擊穿。
7.根據權利1所述的觸發方法，感應腔內部器件及其之間的絕緣在作用時間小於30ns 的情況下，應該能夠耐受大於600kV的快速過電壓。
全文摘要
本發明是由數十級感應腔串聯構成的大型快放電直線變壓器型驅動源的新型觸發方法。採用包含n組觸發單元的觸發系統為最上遊的n級感應腔提供外觸發脈衝，實現對應感應腔那氣體火花開關的強觸發閉合；前n級感應腔通過次級電磁感應的電壓疊加後的電磁脈衝沿次級傳輸線傳播達到(n+1)級感應腔；第(n+1)級感應腔內開關通過磁芯耦合，將次級傳輸線中的過電壓電磁脈衝施加於自身的氣體火花開關而實現開關的快速過電壓擊穿閉合，直至電磁脈衝達到負載。採用該觸發方法將提高LTD裝置及其觸發系統的運行可靠性，對推廣LTD在慣性約束聚變、聚變能源等國防領域的應用具有重要價值，實現次級耦合觸發將使LTD技術獲得突破性發展。
文檔編號H03K5/02GK102158206SQ20111000874
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月17日 優先權日2011年1月17日
發明者劉鵬, 姜曉峰, 孫鳳舉, 尹佳輝, 曾江濤, 邱愛慈, 魏浩 申請人:西北核技術研究所