本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種可飽和脈沖變壓器取代氣體開關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器，用以解決現(xiàn)有Marx發(fā)生器充電電壓高、電容充電不同步、氣體開關(guān)壽命短、或磁開關(guān)飽和電感大、串聯(lián)級(jí)數(shù)難以增大等問題。本發(fā)明專利技術(shù)由可飽和脈沖變壓器SPT、Q級(jí)Marx電容器和接地電感單元、負(fù)載組成；SPT為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其Q組次級(jí)繞組作為磁開關(guān)，Q級(jí)Marx電容器和接地電感單元均勻排布在SPT外圍圓周方向，與Q組次級(jí)繞組連接。Q級(jí)Marx電容器和接地電感單元中的每一級(jí)單元由一個(gè)Marx電容器和一個(gè)接地電感組成。本發(fā)明專利技術(shù)輸入充電電壓低，磁芯自動(dòng)復(fù)位，各級(jí)電容均勻充電，開關(guān)串聯(lián)同步建立時(shí)間短，具有高重復(fù)運(yùn)行頻率、固態(tài)化和長(zhǎng)使用壽命的優(yōu)勢(shì)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及高功率脈沖調(diào)制
的Marx發(fā)生器，尤其是一種采用低電感線繞式可飽和脈沖變壓器取代氣體開關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器。
技術(shù)介紹
脈沖功率調(diào)制技術(shù)是一種把“慢”存儲(chǔ)起來的具有較高密度的電場(chǎng)或磁場(chǎng)能量進(jìn)行快速壓縮、轉(zhuǎn)換或直接釋放給負(fù)載的電物理技術(shù)，其中的電壓變換和開關(guān)技術(shù)是關(guān)鍵。近年來，脈沖功率調(diào)制技術(shù)在高功率微波、高功率脈沖激光、沖擊波發(fā)生器、介質(zhì)阻擋放電、材料表面處理、工業(yè)廢氣廢水處理、食品殺菌消毒以及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域獲得了良好的應(yīng)用，而這些應(yīng)用對(duì)脈沖功率調(diào)制器提出了高功率、高重復(fù)運(yùn)行頻率、固態(tài)化和長(zhǎng)使用壽命的要求。脈沖功率調(diào)制器中，常用的兩種升壓技術(shù)包括脈沖變壓器技術(shù)和Marx發(fā)生器技術(shù)，二者分別屬于電感儲(chǔ)能型和電容儲(chǔ)能型技術(shù)，就技術(shù)優(yōu)勢(shì)而言各有千秋，是高功率脈沖調(diào)制器系統(tǒng)中并列的兩類最重要的升壓技術(shù)。Marx發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)多臺(tái)脈沖電容器先并聯(lián)充電、再串聯(lián)放電，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓疊加的一種高電壓脈沖輸出裝置。已有的關(guān)于普通Marx發(fā)生器的技術(shù)報(bào)道包括PatrikAppelgren, Mose Akyuz和Mattias Elfsberg等2006年在美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)主辦的期刊《等離子體科學(xué)匯刊》(IEEE Transactions on Plasma Science)上發(fā)表的論文《一種基于反射三極管和Marx發(fā)生器的緊湊型高功率微波系統(tǒng)的研究》PatrikAppelgren, Mose Akyuz and MattiasElfsberg, “Study of a compact HPM system witha reflex triode and a Marx generator, ”IEEETransactions on Plasma Science, 2006，Vol. 34，No. 5，pp. 1796-1805，以及王瑩編著的于1991年出版發(fā)行的《高功率脈沖電源》(王瑩，《高功率脈沖電源》，北京原子能出版社，1991，pp. 24-28)中的第一章“電容儲(chǔ)能高功率脈沖電源”中第I. 5節(jié)“電感隔離型Marx發(fā)生器”(下文簡(jiǎn)稱
技術(shù)介紹
一)。該類技術(shù)報(bào)道中,普通Q級(jí)(Q為整數(shù)，Q彡I)電感隔離型Marx發(fā)生器由Q個(gè)隔離電感Lc^Q個(gè)接地電感Lp Q個(gè)電容器Q、Q個(gè)氣體開關(guān)G1-Gq、主開關(guān)Gs (氣體開關(guān))和負(fù)載電阻Rlj組成。Q級(jí)Marx發(fā)生器共包括Q級(jí)Marx單元,每一級(jí)Marx單元包含I個(gè)隔離電感Lc^l個(gè)接地電 感Lp I個(gè)電容器Ctl和I個(gè)氣體開關(guān)。外部電源最先經(jīng)過第一級(jí)Marx單元的隔離電感L。給該單元中的電容Ctl充電，由于電容充電時(shí)間較長(zhǎng)，隔離電感L。和接地電感Li的感抗較小，充電電壓波從第一級(jí)Marx單元依次迅速傳播到第二級(jí)、......、第Q級(jí)Marx單元,并實(shí)現(xiàn)對(duì)各級(jí)Marx單元中的電容器Ctl依次充電，充電過程中，全部氣體開關(guān)均處于關(guān)斷狀態(tài)。待各級(jí)電容器充電完畢后，第一級(jí)Marx單元中的氣體開關(guān)G1被外部強(qiáng)制觸發(fā)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為ns級(jí)，這時(shí)隔離電感L。和接地電感Li的感抗會(huì)很大，第一級(jí)Marx單元中的Cci開始對(duì)地端放電，而其余各級(jí)Marx電容由于隔離電感和接地電感的隔離作用，則近似不放電。第一級(jí)Marx單元中，G1的快速強(qiáng)制導(dǎo)通使原本充電電壓為+Utl的Ctl高壓極直接與地端相連，使得C0高壓端電位瞬間變?yōu)?電位(地電位)，而Cci兩端電壓+Uci卻不能突變?yōu)?，C0原接地端的電位變?yōu)?Utl,以確保Ctl兩端+Utl的電勢(shì)差；第二級(jí)Marx單元中的氣體開關(guān)G2高壓端與第二級(jí)Marx單元Cci高壓端連接,氣體開關(guān)G2低壓端與第一級(jí)Marx電容Cci原接地端相連，因此當(dāng)?shù)谝患?jí)Marx電容Ctl原接地端的電位變?yōu)?U0后，G2兩端瞬間將承受+Utl-(-U0) =+2 的過電壓，+2U0較G1設(shè)計(jì)的極限耐壓值稍高，在+2 過電壓作用下G2也快速導(dǎo)通，同樣使得第二級(jí)Marx單元中Ctl原接地端的電位瞬間變?yōu)?2 ；……;按照相同規(guī)律，直到Gq在過電壓下自擊穿導(dǎo)通，第Q級(jí)Marx單元中Ctl原接地端的電位瞬間變?yōu)?QUtl, Q級(jí)Marx發(fā)生器中各級(jí)電容器完全實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，其間，從G1被外部觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻起，直到Q級(jí)Marx發(fā)生器中各級(jí)電容器完全實(shí)現(xiàn)串聯(lián)的 這段時(shí)間即為Marx發(fā)生器建立時(shí)間；最后Q級(jí)Marx將-QUtl的負(fù)高壓施加在主開關(guān)Gs上，使Gs在過電壓下自擊穿導(dǎo)通，在負(fù)載&上形成負(fù)極性高電壓脈沖輸出。然而，傳統(tǒng)普通的Q級(jí)Marx發(fā)生器需要采用Q個(gè)不同的氣體開關(guān)進(jìn)行控制，第一級(jí)氣體開關(guān)需要采用外部觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制觸發(fā)，在放電電流較大的情況下，氣體開關(guān)存在嚴(yán)重的燒蝕和抖動(dòng)，難以將Marx發(fā)生器使用壽命提高到IO5次以上，Marx發(fā)生器級(jí)數(shù)越多，Q個(gè)氣體開關(guān)整體的抖動(dòng)越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，并且開關(guān)絕緣恢復(fù)較慢，系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率運(yùn)行；在普通Q級(jí)Marx發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)中，充電端口位于一端，遠(yuǎn)離充電端口的各級(jí)Marx電容器充電速度較慢，導(dǎo)致Q級(jí)Marx電容器充電不均勻，影響串聯(lián)放電的電壓疊加效果；由于普通Marx發(fā)生器的Q級(jí)氣體開關(guān)逐級(jí)擊穿導(dǎo)通，因此Q級(jí)Marx電容器并非是理想串聯(lián)放電關(guān)系，各級(jí)電容器放電的串聯(lián)存在一定的建立時(shí)間，在Marx發(fā)生器建立時(shí)間內(nèi)各級(jí)電容儲(chǔ)存的能量中的一部分將消耗在充電電阻、接地電阻以及連線電阻上，造成能量損失。因此，傳統(tǒng)氣體開關(guān)Marx發(fā)生器并不能較好地滿足脈沖功率調(diào)制器高重復(fù)頻率運(yùn)行、固態(tài)化和長(zhǎng)使用壽命的設(shè)計(jì)要求。鑒于
技術(shù)介紹
一中普通氣體開關(guān)Marx發(fā)生器的缺陷，研究人員采用固態(tài)化的大功率半導(dǎo)體開關(guān)，研制出全固態(tài)Marx發(fā)生器。在全固態(tài)Marx發(fā)生器中，所有氣體開關(guān)全部被大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件(如晶閘管、絕緣柵型雙極晶體管IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET等)替代，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的全固態(tài)化和長(zhǎng)壽命。已有的基于大功率半導(dǎo)體開關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器的技術(shù)報(bào)道，包括李洪濤，王傳偉，王凌云等2012年在《強(qiáng)激光與粒子束》上發(fā)表的論文《500kV全固態(tài)Marx發(fā)生器》(李洪濤，王傳偉，王凌云，等，“500kV全固態(tài)Marx發(fā)生器，”強(qiáng)激光與粒子束，2012，Vol. 24，No. 4，pp. 917-920)(下文稱
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二 )。500kV全固態(tài)重復(fù)頻率Marx發(fā)生器主要由充電控制系統(tǒng)、脈沖功率系統(tǒng)(即主Marx發(fā)生器部分)、負(fù)載系統(tǒng)、總控及輔助系統(tǒng)四部分構(gòu)成。充電控制系統(tǒng)由高壓電源、中間能庫及充電控制開關(guān)組成，完成市電電源向高壓直流的轉(zhuǎn)換。脈沖功率系統(tǒng)完成直流電能到高壓脈沖能的轉(zhuǎn)換，它由IGBT開關(guān)模塊、儲(chǔ)能及脈沖形成模塊組成；IGBT開關(guān)模塊完成電路切換和脈沖調(diào)制功能，它由8個(gè)3300V/1200A IGBT串聯(lián)構(gòu)成，設(shè)計(jì)工作電壓為20kV、工作電流為IkA ；IGBT開關(guān)模塊還包括IGBT驅(qū)動(dòng)板、IGBT驅(qū)動(dòng)輔助電源系統(tǒng)、勻壓電路等；儲(chǔ)能及脈沖形成模塊完成Marx發(fā)生器的能量?jī)?chǔ)存及波形約束功能，該模塊為由20nF電容器和0. I y H電感構(gòu)成的18級(jí)脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN)。500kV全固態(tài)Marx發(fā)生器由28個(gè)脈沖功率模塊按照Z型線路結(jié)構(gòu)連接組成。負(fù)載系統(tǒng)由電阻負(fù)載和油冷系統(tǒng)組成，用本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種可飽和脈沖變壓器取代氣體開關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器，其特征在于可飽和脈沖變壓器取代氣體開關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器由可飽和脈沖變壓器SPT、Q級(jí)Marx電容器和接地電感單元、負(fù)載load三大部分組成；可飽和脈沖變壓器SPT的次級(jí)繞組作為磁開關(guān)，可飽和脈沖變壓器SPT關(guān)于變壓器中心對(duì)稱軸(1)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，位于全固態(tài)Marx發(fā)生器的中心，Q級(jí)Marx電容器和接地電感單元均勻分布在可飽和脈沖變壓器SPT外圍圓周方向，并與可飽和脈沖變壓器SPT圓周方向均布的Q組次級(jí)繞組連接；Q級(jí)Marx電容器和接地電感單元共由Q個(gè)完全相同的單級(jí)Marx電容器和接地電感單元組成，第q級(jí)Marx電容器和接地電感單元由一個(gè)Marx電容器Cq和一個(gè)接地電感Liq組成，Cq低壓端與Liq高壓端相連；?可飽和脈沖變壓器取代氣體開關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器在結(jié)構(gòu)上由Q級(jí)單元級(jí)聯(lián)，即第1級(jí)單元、……、第q級(jí)單元、……、第Q級(jí)單元；第q級(jí)單元由第q級(jí)Marx電容Cq、第q級(jí)接地電感Liq、可飽和脈沖變壓器SPT第q組次級(jí)繞組磁開關(guān)MSq串聯(lián)而成；Cq為高電壓脈沖電容器電容，或脈沖形成線或傳輸線的電容，或脈沖形成網(wǎng)絡(luò)整體等效電容、或由多個(gè)陶瓷電容器并聯(lián)而成；負(fù)載load是電感、電容、電阻，或者是電感、電容、電阻的組合形式，負(fù)載load高壓極接在第Q級(jí)Marx電容CQ的低壓極，負(fù)載load低壓極直接接地；可飽和脈沖變壓器取代氣體開關(guān)的全固態(tài)Marx發(fā)生器輸入端(Min)即為可飽和脈沖變壓器SPT初級(jí)繞組輸入端(Pin)，輸出端(Mout)為第Q級(jí)Marx電容CQ低壓極，或是負(fù)載load的高壓極；其中Q、q為正整數(shù)，1≤q≤Q，Q為3的整數(shù)倍、1或2；?可飽和脈沖變壓器SPT由變壓器內(nèi)芯部分、變壓器初級(jí)繞組部分(P)和變壓器次級(jí)繞組部分組成；變壓器初級(jí)繞組部分(P)分組緊繞在變壓器內(nèi)芯部分分組的磁環(huán)上，變壓器內(nèi)芯部分關(guān)于變壓器中心對(duì)稱軸(1)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，由磁芯(2)、磁芯隔板部分和內(nèi)芯夾板部分組成；磁芯隔板部分位于磁芯(2)的磁環(huán)之間，內(nèi)芯夾板部分位于磁芯(2)的頂部和底部，磁芯(2)由M塊相同尺寸的磁環(huán)堆疊組成，每塊磁環(huán)采用鐵基非晶或鐵基納米晶材料制成的薄帶卷繞成圓環(huán)狀，再用玻璃鋼材料澆灌封裝而成，每塊磁環(huán)封裝后的內(nèi)半徑為Rmi，外半徑為Rmo，厚度為hm1；M塊磁環(huán)均分為m組，從上至下依次為第一組磁環(huán)、…、第k組磁環(huán)、…、第m組磁環(huán)；每組磁環(huán)均由M/m塊磁環(huán)沿變壓器中心對(duì)稱軸(1)方向堆疊組成，從上至下依次為第一塊、…、第M/m塊，1≤k≤m，m為正整數(shù)，M為m的整數(shù)?倍數(shù)；變壓器初級(jí)繞組部分(P)由第一路初級(jí)子繞組(P1)、……、第k路初級(jí)子繞組(Pk)、……、第m路初級(jí)子繞組(Pm)組成；第k路初級(jí)子繞組(Pk)繞線的外部輸入端為第k路初級(jí)子繞組輸入端(Pk?1)，第k路初級(jí)子繞組(Pk)繞線的外部輸出端為第k路初級(jí)子繞組輸出端(Pk?2)；第一路初級(jí)子繞組輸入端(P1?1)、……、第k路初級(jí)子繞組輸入端(Pk?1)、……、第m路初級(jí)子繞組輸入端(Pm?1)全部并聯(lián)焊接在輸入端并聯(lián)導(dǎo)線(Pa)上，輸入端并聯(lián)導(dǎo)線(Pa)寬度和厚度與每一路初級(jí)子繞組繞線整體的寬度和厚度相同，輸入端并聯(lián)導(dǎo)線(Pa)下端焊接在輸入端引出導(dǎo)線(Pc)上，向外引出，作為初級(jí)繞組整體輸入端(Pin)，輸入端引出導(dǎo)線的厚度和寬度與輸入端并聯(lián)導(dǎo)線相同，初級(jí)繞組整體輸入端(Pin)與外部初級(jí)能源相連；每一路初級(jí)子繞組均為單匝，由m1根直徑均為Φp的漆包線并聯(lián)繞制而成，m1為正整數(shù)，m1≥1，滿足m1×Φp小于磁芯頂板銑槽(7?2)槽寬；第一路初級(jí)子繞組(P1)由第一路初級(jí)子繞組輸入端(P1?1)引入，穿入磁芯頂板銑槽(7?2)，從里面包圍第一組磁環(huán)，再穿入第一組隔板中的隔板下板第二銑槽(9?2)，由第一路初級(jí)子繞組輸出端(P1?2)引出；……；第k路初級(jí)子繞組(Pk)由第k路初級(jí)子繞組輸入端(Pk?1)引入，穿入第k?1組隔板中的隔板下板第一銑槽(9?1)，從里面包圍第k組磁環(huán)后，再穿入第k組隔板中的隔板下板第二銑槽(9?2)，初級(jí)繞線從該銑槽穿出后由第k路初級(jí)子繞組輸出端(Pk?2)引出；……；按照相同的規(guī)律，一直到第m路初級(jí)子繞組(Pm)由第m路初級(jí)子繞組輸入端(Pm?1)引入，穿入第m?1組隔板中的隔板下板第一銑槽(9?1)，從里面包圍第m組磁環(huán)后，再穿入磁芯底板銑槽(10?1)，初級(jí)繞線從該銑槽穿出后由第m路初級(jí)子繞組輸出端(Pm?2)引出；第一路初級(jí)子繞組輸出端(P1?2)、……、第k路...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張瑜，劉金亮，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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