本发明专利技术公开了一种可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，用以解决现有Marx发生器充电电压高、电容充电不同步、气体开关寿命短、或磁开关饱和电感大、串联级数难以增大等问题。本发明专利技术由可饱和脉冲变压器SPT、Q级Marx电容器和接地电感单元、负载组成；SPT为轴对称结构，其Q组次级绕组作为磁开关，Q级Marx电容器和接地电感单元均匀排布在SPT外围圆周方向，与Q组次级绕组连接。Q级Marx电容器和接地电感单元中的每一级单元由一个Marx电容器和一个接地电感组成。本发明专利技术输入充电电压低，磁芯自动复位，各级电容均匀充电，开关串联同步建立时间短，具有高重复运行频率、固态化和长使用寿命的优势。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高功率脉冲调制
的Marx发生器，尤其是一种采用低电感线绕式可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器。
技术介绍
脉冲功率调制技术是一种把“慢”存储起来的具有较高密度的电场或磁场能量进行快速压缩、转换或直接释放给负载的电物理技术，其中的电压变换和开关技术是关键。近年来，脉冲功率调制技术在高功率微波、高功率脉冲激光、冲击波发生器、介质阻挡放电、材料表面处理、工业废气废水处理、食品杀菌消毒以及生物医学等众多领域获得了良好的应用，而这些应用对脉冲功率调制器提出了高功率、高重复运行频率、固态化和长使用寿命的要求。脉冲功率调制器中，常用的两种升压技术包括脉冲变压器技术和Marx发生器技术，二者分别属于电感储能型和电容储能型技术，就技术优势而言各有千秋，是高功率脉冲调制器系统中并列的两类最重要的升压技术。Marx发生器是实现多台脉冲电容器先并联充电、再串联放电，从而实现输出电压叠加的一种高电压脉冲输出装置。已有的关于普通Marx发生器的技术报道包括PatrikAppelgren, Mose Akyuz和Mattias Elfsberg等2006年在美国电气和电子工程师协会(IEEE)主办的期刊《等离子体科学汇刊》(IEEE Transactions on Plasma Science)上发表的论文《一种基于反射三极管和Marx发生器的紧凑型高功率微波系统的研究》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，以及王莹编著的于1991年出版发行的《高功率脉冲电源》(王莹，《高功率脉冲电源》，北京原子能出版社，1991，pp. 24-28)中的第一章“电容储能高功率脉冲电源”中第I. 5节“电感隔离型Marx发生器”(下文简称
技术介绍
一)。该类技术报道中,普通Q级(Q为整数，Q彡I)电感隔离型Marx发生器由Q个隔离电感Lc^Q个接地电感Lp Q个电容器Q、Q个气体开关G1-Gq、主开关Gs (气体开关)和负载电阻Rlj组成。Q级Marx发生器共包括Q级Marx单元,每一级Marx单元包含I个隔离电感Lc^l个接地电 感Lp I个电容器Ctl和I个气体开关。外部电源最先经过第一级Marx单元的隔离电感L。给该单元中的电容Ctl充电，由于电容充电时间较长，隔离电感L。和接地电感Li的感抗较小，充电电压波从第一级Marx单元依次迅速传播到第二级、......、第Q级Marx单元,并实现对各级Marx单元中的电容器Ctl依次充电，充电过程中，全部气体开关均处于关断状态。待各级电容器充电完毕后，第一级Marx单元中的气体开关G1被外部强制触发导通，导通时间为ns级，这时隔离电感L。和接地电感Li的感抗会很大，第一级Marx单元中的Cci开始对地端放电，而其余各级Marx电容由于隔离电感和接地电感的隔离作用，则近似不放电。第一级Marx单元中，G1的快速强制导通使原本充电电压为+Utl的Ctl高压极直接与地端相连，使得C0高压端电位瞬间变为0电位(地电位)，而Cci两端电压+Uci却不能突变为0，C0原接地端的电位变为-Utl,以确保Ctl两端+Utl的电势差；第二级Marx单元中的气体开关G2高压端与第二级Marx单元Cci高压端连接,气体开关G2低压端与第一级Marx电容Cci原接地端相连，因此当第一级Marx电容Ctl原接地端的电位变为-U0后，G2两端瞬间将承受+Utl-(-U0) =+2 的过电压，+2U0较G1设计的极限耐压值稍高，在+2 过电压作用下G2也快速导通，同样使得第二级Marx单元中Ctl原接地端的电位瞬间变为-2 ；……;按照相同规律，直到Gq在过电压下自击穿导通，第Q级Marx单元中Ctl原接地端的电位瞬间变为-QUtl, Q级Marx发生器中各级电容器完全实现串联，其间，从G1被外部触发导通时刻起，直到Q级Marx发生器中各级电容器完全实现串联的 这段时间即为Marx发生器建立时间；最后Q级Marx将-QUtl的负高压施加在主开关Gs上，使Gs在过电压下自击穿导通，在负载&上形成负极性高电压脉冲输出。然而，传统普通的Q级Marx发生器需要采用Q个不同的气体开关进行控制，第一级气体开关需要采用外部触发系统进行强制触发，在放电电流较大的情况下，气体开关存在严重的烧蚀和抖动，难以将Marx发生器使用寿命提高到IO5次以上，Marx发生器级数越多，Q个气体开关整体的抖动越大，系统稳定性越差，并且开关绝缘恢复较慢，系统难以实现高重复频率运行；在普通Q级Marx发生器网络中，充电端口位于一端，远离充电端口的各级Marx电容器充电速度较慢，导致Q级Marx电容器充电不均匀，影响串联放电的电压叠加效果；由于普通Marx发生器的Q级气体开关逐级击穿导通，因此Q级Marx电容器并非是理想串联放电关系，各级电容器放电的串联存在一定的建立时间，在Marx发生器建立时间内各级电容储存的能量中的一部分将消耗在充电电阻、接地电阻以及连线电阻上，造成能量损失。因此，传统气体开关Marx发生器并不能较好地满足脉冲功率调制器高重复频率运行、固态化和长使用寿命的设计要求。鉴于
技术介绍
一中普通气体开关Marx发生器的缺陷，研究人员采用固态化的大功率半导体开关，研制出全固态Marx发生器。在全固态Marx发生器中，所有气体开关全部被大功率半导体开关器件(如晶闸管、绝缘栅型双极晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)替代，实现开关的全固态化和长寿命。已有的基于大功率半导体开关的全固态Marx发生器的技术报道，包括李洪涛，王传伟，王凌云等2012年在《强激光与粒子束》上发表的论文《500kV全固态Marx发生器》(李洪涛，王传伟，王凌云，等，“500kV全固态Marx发生器，”强激光与粒子束，2012，Vol. 24，No. 4，pp. 917-920)(下文称
技术介绍
二 )。500kV全固态重复频率Marx发生器主要由充电控制系统、脉冲功率系统(即主Marx发生器部分)、负载系统、总控及辅助系统四部分构成。充电控制系统由高压电源、中间能库及充电控制开关组成，完成市电电源向高压直流的转换。脉冲功率系统完成直流电能到高压脉冲能的转换，它由IGBT开关模块、储能及脉冲形成模块组成；IGBT开关模块完成电路切换和脉冲调制功能，它由8个3300V/1200A IGBT串联构成，设计工作电压为20kV、工作电流为IkA ；IGBT开关模块还包括IGBT驱动板、IGBT驱动辅助电源系统、匀压电路等；储能及脉冲形成模块完成Marx发生器的能量储存及波形约束功能，该模块为由20nF电容器和0. I y H电感构成的18级脉冲形成网络(PFN)。500kV全固态Marx发生器由28个脉冲功率模块按照Z型线路结构连接组成。负载系统由电阻负载和油冷系统组成，用本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器由可饱和脉冲变压器SPT、Q级Marx电容器和接地电感单元、负载load三大部分组成；可饱和脉冲变压器SPT的次级绕组作为磁开关，可饱和脉冲变压器SPT关于变压器中心对称轴(1)具有旋转对称性，位于全固态Marx发生器的中心，Q级Marx电容器和接地电感单元均匀分布在可饱和脉冲变压器SPT外围圆周方向，并与可饱和脉冲变压器SPT圆周方向均布的Q组次级绕组连接；Q级Marx电容器和接地电感单元共由Q个完全相同的单级Marx电容器和接地电感单元组成，第q级Marx电容器和接地电感单元由一个Marx电容器Cq和一个接地电感Liq组成，Cq低压端与Liq高压端相连；?可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器在结构上由Q级单元级联，即第1级单元、……、第q级单元、……、第Q级单元；第q级单元由第q级Marx电容Cq、第q级接地电感Liq、可饱和脉冲变压器SPT第q组次级绕组磁开关MSq串联而成；Cq为高电压脉冲电容器电容，或脉冲形成线或传输线的电容，或脉冲形成网络整体等效电容、或由多个陶瓷电容器并联而成；负载load是电感、电容、电阻，或者是电感、电容、电阻的组合形式，负载load高压极接在第Q级Marx电容CQ的低压极，负载load低压极直接接地；可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器输入端(Min)即为可饱和脉冲变压器SPT初级绕组输入端(Pin)，输出端(Mout)为第Q级Marx电容CQ低压极，或是负载load的高压极；其中Q、q为正整数，1≤q≤Q，Q为3的整数倍、1或2；?可饱和脉冲变压器SPT由变压器内芯部分、变压器初级绕组部分(P)和变压器次级绕组部分组成；变压器初级绕组部分(P)分组紧绕在变压器内芯部分分组的磁环上，变压器内芯部分关于变压器中心对称轴(1)具有旋转对称性，由磁芯(2)、磁芯隔板部分和内芯夹板部分组成；磁芯隔板部分位于磁芯(2)的磁环之间，内芯夹板部分位于磁芯(2)的顶部和底部，磁芯(2)由M块相同尺寸的磁环堆叠组成，每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装而成，每块磁环封装后的内半径为Rmi，外半径为Rmo，厚度为hm1；M块磁环均分为m组，从上至下依次为第一组磁环、…、第k组磁环、…、第m组磁环；每组磁环均由M/m块磁环沿变压器中心对称轴(1)方向堆叠组成，从上至下依次为第一块、…、第M/m块，1≤k≤m，m为正整数，M为m的整数?倍数；变压器初级绕组部分(P)由第一路初级子绕组(P1)、……、第k路初级子绕组(Pk)、……、第m路初级子绕组(Pm)组成；第k路初级子绕组(Pk)绕线的外部输入端为第k路初级子绕组输入端(Pk?1)，第k路初级子绕组(Pk)绕线的外部输出端为第k路初级子绕组输出端(Pk?2)；第一路初级子绕组输入端(P1?1)、……、第k路初级子绕组输入端(Pk?1)、……、第m路初级子绕组输入端(Pm?1)全部并联焊接在输入端并联导线(Pa)上，输入端并联导线(Pa)宽度和厚度与每一路初级子绕组绕线整体的宽度和厚度相同，输入端并联导线(Pa)下端焊接在输入端引出导线(Pc)上，向外引出，作为初级绕组整体输入端(Pin)，输入端引出导线的厚度和宽度与输入端并联导线相同，初级绕组整体输入端(Pin)与外部初级能源相连；每一路初级子绕组均为单匝，由m1根直径均为Φp的漆包线并联绕制而成，m1为正整数，m1≥1，满足m1×Φp小于磁芯顶板铣槽(7?2)槽宽；第一路初级子绕组(P1)由第一路初级子绕组输入端(P1?1)引入，穿入磁芯顶板铣槽(7?2)，从里面包围第一组磁环，再穿入第一组隔板中的隔板下板第二铣槽(9?2)，由第一路初级子绕组输出端(P1?2)引出；……；第k路初级子绕组(Pk)由第k路初级子绕组输入端(Pk?1)引入，穿入第k?1组隔板中的隔板下板第一铣槽(9?1)，从里面包围第k组磁环后，再穿入第k组隔板中的隔板下板第二铣槽(9?2)，初级绕线从该铣槽穿出后由第k路初级子绕组输出端(Pk?2)引出；……；按照相同的规律，一直到第m路初级子绕组(Pm)由第m路初级子绕组输入端(Pm?1)引入，穿入第m?1组隔板中的隔板下板第一铣槽(9?1)，从里面包围第m组磁环后，再穿入磁芯底板铣槽(10?1)，初级绕线从该铣槽穿出后由第m路初级子绕组输出端(Pm?2)引出；第一路初级子绕组输出端(P1?2)、……、第k路...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张瑜，刘金亮，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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