一種傳輸線隔離型直線變壓器驅動源
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專利匯可以提供一種傳輸線隔離型直線變壓器驅動源專利檢索，專利查詢，專利分析的服務。并且本 發(fā)明 涉及一種傳輸線隔離型直線 變壓器 驅動源，該驅動源包括 開關 電容初級 能源 模 塊 、隔離傳輸線以及感應 電壓 疊加 模塊；開關電容初級能源模塊包括并聯設置的M級初級能源箱，每級初級能源箱內并聯N個開關電容模塊；N個開關電容模塊中的所有高電壓氣體開關均由一路觸發(fā) 信號 同步并聯觸發(fā)；感應電壓疊加模塊包括M級環(huán)形感應腔，M級環(huán)形感應腔 串聯 設置；每級環(huán)形感應腔內均設有磁芯以及N條沿圓周均勻分布的徑向傳輸線；本發(fā)明通過將開關電容初級能源模塊和感應電壓疊加模塊相隔離的方式解決了現有LTD技術里開關置于感應腔中導致的擊穿性能降低和維護工作量大的問題，同時也解決了Thor類型裝置無法實現電壓疊加的問題。，下面是一種傳輸線隔離型直線變壓器驅動源專利的具體信息內容。
1.一種傳輸線隔離型直線變壓器驅動源，其特征在于：
包括開關電容初級能源模塊、隔離傳輸線以及感應電壓疊加模塊；
所述開關電容初級能源模塊包括并聯設置的M級初級能源箱，每級初級能源箱內并聯N個開關電容模塊；
每個開關電容模塊均包括第一電容器、第二電容器以及一個高電壓氣體開關；高電壓氣體開關位于第一電容器、第二電容器之間；N個開關電容模塊中的所有高電壓氣體開關均由一路觸發(fā)信號同步并聯觸發(fā)；
感應電壓疊加模塊包括M級環(huán)形感應腔，M級環(huán)形感應腔串聯設置；
每級環(huán)形感應腔內均設有磁芯以及N條沿圓周均勻分布的徑向傳輸線；
第K初級能源箱中的N個開關電容模塊分別通過N條隔離傳輸線與第K級環(huán)形感應腔內的N條徑向傳輸線一端相連，N條徑向傳輸線的另一端均與所述環(huán)形感應腔的內壁相連。
2.根據權利要求1所述的傳輸線隔離型直線變壓器驅動源，其特征在于：第一電容器的一側電極與所述初級能源箱的箱體內壁連接，另一側電極與高電壓氣體開關連接；第二電容器一側電極與所述高電壓氣體開關連接，另一側電極與隔離傳輸線連接。
3.根據權利要求2所述的傳輸線隔離型直線變壓器驅動源，其特征在于：隔離傳輸線包括隔離傳輸線內導體和隔離傳輸線外導體；隔離傳輸線內導體一端與第二電容器的一側電極連接，隔離傳輸線內導體的另一端與所述徑向傳輸線連接；隔離傳輸線外導體的一端與所述初級能源箱的箱體外壁連接，隔離傳輸線外導體的另一端與所述環(huán)形感應腔的外壁連接。
4.根據權利要求3所述的傳輸線隔離型直線變壓器驅動源，其特征在于：隔離傳輸線內導體一端與第二電容器的一側電極連接處的阻抗以及隔離傳輸線自身阻抗與開關電容模塊阻抗匹配，滿足關系式：
其中：ZLC為開關電容模塊的阻抗，ZSC為隔離傳輸線內導體一端與第二電容器的一側電極連接處的阻抗,ZTL為隔離傳輸線的阻抗，L為開關電容模塊的電感，C為第一電容器和第二電容器串聯后的總電容，R為開關電容模塊中電容器、高電壓氣體開關以及高電壓氣體開關的總電阻。
5.根據權利要求1所述的傳輸線隔離型直線變壓器驅動源，其特征在于：高電壓氣體開關工作電壓高于兩倍充電電壓且高電壓氣體開關為觸發(fā)開關。
一種傳輸線隔離型直線變壓器驅動源
技術領域
背景技術
[0002] 利用直線變壓器驅動源(Linear?Transformer?Driver，LTD)實現高功率Z-pinch是近年來國際上的前沿研究領域[1]。這是因為相比于傳統(tǒng)的脈沖功率技術，LTD技術能通過感應疊加原理輸出強流高壓快脈沖，而不需耍任何脈沖壓縮段。它具有結構緊湊、模塊化、高重復頻率運行、輸出波形可調和容錯能力較強等優(yōu)勢。
[0003] 當前LTD的研究以俄羅斯強流電子學研究所(HCEI)和美國圣地亞實驗室(SNL)為代表，中、法、英也都同時在進行相應研究。
[0004] HCEI于2004年研制成功1MA/100kV、上升時間為70ns的LTDZ[3]。在與HCEI的合作下，美國SNL于2010年建成了Ursa?Minor裝置[4]。該裝置采用21級LTD串聯，共使用了210個開關和420個電容器，在充電±90kV時在30歐姆負載上實現了2MV的電壓輸出。同時SNL也引進了HCEI的500kA[5]和1MA?LTD模塊[6]，目前已經建成了5級LTD串聯的500kV,1MA?MYKKONOS?V裝置[7]，使用開關數量為200個。法國原子能部CEA建造了10級LTDR裝置，在6歐姆的負載上獲得了170kA/1.1MV，半高寬92ns的脈沖輸出[8]。該裝置共使用了160個開關和320個電容器。英國原子能武器研究機構在與HCEI和法國的合作下，研制成功了全空氣絕緣的17級LTD裝置，以替代其現有的Mevex裝置。該LTD使用了34個多級多通道開關，典型輸出參數為35kA/800kV[9]。中國工程物理研究院研制成了10級串聯的LTD裝置，共使用100個開關和200個電容器。該裝置在充電±85kV時，負載電流約為116kA，電壓約為1.1MV，電壓前沿約為
53ns，脈寬為146ns[10]。西北核技術研究所從2000年開始，先后研制了300kA/100ns、700kA/
140ns、800kA/100ns的LTD模塊。于2013年研制成功了7級LTDR串聯裝置以及計算機控制的去磁、充電、觸發(fā)、開關換氣等附屬系統(tǒng)[11]。該裝置共使用168個開關和336個電容器。
53ns，脈寬為146ns[10]。西北核技術研究所從2000年開始，先后研制了300kA/100ns、700kA/
140ns、800kA/100ns的LTD模塊。于2013年研制成功了7級LTDR串聯裝置以及計算機控制的去磁、充電、觸發(fā)、開關換氣等附屬系統(tǒng)[11]。該裝置共使用168個開關和336個電容器。
[0005] 在LTD裝置中高電壓氣體開關是決定其穩(wěn)定性和壽命的關鍵單元?，F有的LTD技術方案中，開關均密封于感應腔體內，對于開關的維護需要將幾乎整個裝置拆開，其維護成本非常高。單只性能優(yōu)異的高壓開關壽命在數萬次量級，并且在放入LTD封閉的金屬腔體后由于復雜的邊界條件變化，其擊穿性能也會降低，無法達到其開放條件下的測試性能。
[0006] 當前已經和正在建設的絕大部分LTD裝置開關數量均在500只以下。然而，目以美國SNL設計的Z-pinch慣性約束聚變驅動源為例：該方案計劃采用210路LTD并聯，每路60個1MA?LTD模塊串聯，每個LTD模塊包含40個開關，峰值電壓電流分別為24MV，68MA。據此計算，用于核聚變驅動的LTD裝置開關規(guī)模將達到50萬只以上。這比現有的技術水平在開關數量的要求上提升了3個數量級以上，如此大規(guī)模的開關同步、觸發(fā)以及維護對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了極大的挑戰(zhàn)。
[0007] SNL于2015年提出了一種新型的大電流源Thor用于材料物理實驗[12]。該裝置使用200kV傳輸線使288個初級電容器產生的電流并聯饋入到負載上，依靠大電流電動力產生
100GPa的壓強。Thor的這種初級電源與電流匯聚單元隔離的特點雖然是為了提升電流大小而設計的但是也帶來了初級電容、開關與次級負載相隔離的優(yōu)點，使得開關可以方便的統(tǒng)一維護。然而，雖然Thor裝置可以使初級電流并聯產生大電流但是它不具備電壓疊加的能力。其負載輸出電壓在100kV左右，無法達到慣性約束聚變數MV的電壓要求。
100GPa的壓強。Thor的這種初級電源與電流匯聚單元隔離的特點雖然是為了提升電流大小而設計的但是也帶來了初級電容、開關與次級負載相隔離的優(yōu)點，使得開關可以方便的統(tǒng)一維護。然而，雖然Thor裝置可以使初級電流并聯產生大電流但是它不具備電壓疊加的能力。其負載輸出電壓在100kV左右，無法達到慣性約束聚變數MV的電壓要求。
[0008] 以上引用的參考文獻如下：
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[0014] 【6】Mazarakis?M?G,Fowler?W?E,LeChien?K?L,et?al.High-current?linear?transformer?driver?development?at?Sandia?National?Laboratories[J].IEEE?Transactions?on?Plasma?Science,2010,38(4):704-713.
[0015] 【7】Mazarakis?M?G,Cuneo?M?E,Fowler?W?E,et?al.Z?driver?post-hole?convolute?studies?utilizing?MYKONOS-V?voltage?adder[C]//Pulsed?Power?Conference(PPC),2013?19th?IEEE.IEEE,2013:1-7.
[0016] 【8】Bayol?F,Cubaynes?F,Delplanque?R,et?al.Development?of?a?1?MV?ultra-fast?LTD?generator[C]//Pulsed?Power?Conference(PPC),2011?IEEE.IEEE,2011:619-624.
[0017] 【9】Bayol?F,Calvignac?J,Delplanque?R,et?al.Development?and?test?of?a～800kV,～35?kA?air?insulated?LTD?pulser?for?radiography?application[C]//Pulsed?Power?Conference(PPC),2015IEEE.IEEE,2015:1-6.
[0018] 【10】陳林,王勐,鄒文康,等.中物院快脈沖直線型變壓器驅動源技術研究進展[J].高電壓技術,2015,41(6):1798-1806.
[0019] 【11】孫鳳舉,邱愛慈,魏浩,等.閃光照相快放電直線型變壓器脈沖源新進展[J].現代應用物理,2015,6(4):233-243.
[0020] 【12】Reisman,D.B.,et?al.Pulsed?power?accelerator?for?material?physics?experiments.Physical?Review?Special?Topics-Accelerators?and?Beams?18.9(2015):090401.
發(fā)明內容
[0021] 本發(fā)明提供一種傳輸線隔離型直線變壓器驅動源，其能夠解決現有LTD技術里開關置于感應腔中導致的擊穿性能降低和維護工作量大的問題，同時也解決了Thor類型裝置無法實現電壓疊加的問題。
[0022] 本發(fā)明的具體技術方案是：
[0023] 本發(fā)明提供了一種傳輸線隔離型直線變壓器驅動源，包括開關電容初級能源模塊、隔離傳輸線以及感應電壓疊加模塊；
[0024] 所述開關電容初級能源模塊包括并聯設置的M級初級能源箱，每級初級能源箱內并聯N個開關電容模塊；
[0025] 每個開關電容模塊均包括第一電容器、第二電容器以及一個高電壓氣體開關；高電壓氣體開關位于第一電容器、第二電容器之間；N個開關電容模塊中的所有高電壓氣體開關均由一路觸發(fā)信號同步并聯觸發(fā)；
[0026] 感應電壓疊加模塊包括M級環(huán)形感應腔，M級環(huán)形感應腔串聯設置；
[0027] 每級環(huán)形感應腔內均設有磁芯以及N條沿圓周均勻分布的徑向傳輸線；
[0028] 第K初級能源箱中的N個開關電容模塊分別通過N條隔離傳輸線與第K級環(huán)形感應腔內的N條徑向傳輸線一端相連，N條徑向傳輸線的另一端均與所述環(huán)形感應腔的內壁相連。
[0030] 進一步地，上述隔離傳輸線包括隔離傳輸線內導體和隔離傳輸線外導體；隔離傳輸線內導體一端與第二電容器的一側電極連接，隔離傳輸線內導體的另一端與所述徑向傳輸線連接；隔離傳輸線外導體的一端與所述初級能源箱的箱體外壁連接，隔離傳輸線外導體的另一端與所述環(huán)形感應腔的外壁連接。
[0031] 進一步地，上述隔離傳輸線內導體一端與第二電容器的一側電極連接處的阻抗以及隔離傳輸線自身阻抗與開關電容模塊阻抗匹配，滿足關系式：
[0032]
[0033] 其中：ZLC為開關電容模塊的阻抗，ZSC為隔離傳輸線內導體一端與第二電容器的一側電極連接處的阻抗,ZTL為隔離傳輸線的阻抗，L為開關電容模塊的電感，C為第一電容器和第二電容器串聯后的總電容，R為開關電容模塊中電容器、高電壓氣體開關以及高電壓氣體開關的總電阻。
[0034] 進一步地，上述高電壓氣體開關工作電壓高于兩倍充電電壓且高電壓氣體開關為觸發(fā)開關。
[0035] 本發(fā)明的有益效果是：
[0036] 1、本發(fā)明采用將開關電容初級能源模塊和感應電壓疊加模塊相隔離的方式，使的高電壓氣體開關和電容器移出感應腔，降低感應腔內狹小空間對氣體開關擊穿性能的影響提升開關擊穿性能。
[0037] 2、本發(fā)明采用將開關電容初級能源模塊和感應電壓疊加模塊相隔離的方式，極大提升直線變壓器驅動源可維護性，當易損高電壓氣體開關和電容器出現問題時不需打開感應腔，可以直接通過初級能源箱維護，極大的降低了維護工作量。
[0038] 3、本發(fā)明的結構能夠顯著降低直線變壓器驅動源的阻抗，提升單級感應腔電流，隔離傳輸線尺寸遠小于開關電容模塊尺寸，相同徑向尺寸下，可以饋入更多路的饋入電流，提升直線變壓器驅動源的電流大小。
[0039] 4、本發(fā)明的結構降低了感應腔體積，感應腔外徑尺寸不再受電容器數量和大小限制，可以有效降低裝置尺寸。
[0041] 圖1為開關電容初級能源模塊示意圖。
[0042] 圖2為初級能源箱示意圖。
[0043] 圖3為感應電壓疊加模塊示意圖。
[0044] 圖4為單級感應電壓疊加模塊橫截面示意圖。
[0045] 附圖標記如下：
[0046] 1-初級能源箱、2-開關電容模塊、3-第一電容器、4-第二電容器、5-高電壓氣體開關、6-觸發(fā)信號、7-隔離傳輸線、71-隔離傳輸線內導體、72-隔離傳輸線外導體、8-環(huán)形感應腔、9-磁芯、10-徑向傳輸線。
具體實施方式
[0047] 下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步說明：
[0048] 本發(fā)明的傳輸線隔離型直線變壓器驅動源包括開關電容初級能源模塊、隔離傳輸線以及感應電壓疊加模塊；
[0049] 如圖1所示，開關電容初級能源模塊包含并聯設置的M級初級能源箱1，每個初級能源箱1引入一路觸發(fā)電壓，各級初級能源箱1觸發(fā)電壓時序通過觸發(fā)傳輸線長度控制。
[0050] 如圖2所示，每個初級能源箱1包含N個開關電容模塊2。每個開關電容模塊2包含第一電容器3、第二電容器4以及一個高電壓氣體開關5，高電壓氣體開關5位于第一電容器3與第一電容器4之間，N個高電壓氣體開關5由一路觸發(fā)信號6同步并聯觸發(fā)。每個開關電容模塊2中第一電容器3的一側電極與初級能源箱1的箱體外壁相連作為地電極，另一側與高電壓氣體開關5相連，第一電容器4的左側電極與高電壓氣體開關5相連，右側電極與隔離傳輸線7相連。
[0051] 需要強調的一點是：隔離傳輸線內導體一端與第二電容器的一側電極連接處的阻抗以及隔離傳輸線自身阻抗與開關電容模塊阻抗匹配，并且滿足關系式：
[0052]
[0053] 其中：ZLC為開關電容模塊的阻抗，ZSC為隔離傳輸線內導體一端與第二電容器的一側電極連接處的阻抗,ZTL為隔離傳輸線的阻抗，L為開關電容模塊的電感，C為第一電容器和第二電容器串聯后的總電容，R為開關電容模塊中電容器、高電壓氣體開關以及高電壓氣體開關的總電阻。
[0054] 如圖3和圖4所示，感應電壓疊加模塊包括M級環(huán)形感應腔8，M級環(huán)形感應腔8串聯設置；每級環(huán)形感應腔8內均設有磁芯9(磁芯9通過環(huán)形感應腔8的絕緣介質固定于于其內部)以及N條徑向傳輸線10；第K初級能源箱1中的N個開關電容模塊2分別通過N條隔離傳輸線7與第K級環(huán)形感應腔8內的N條徑向傳輸線10一端(圖4為上端)相連，N條徑向傳輸線10的另一端(圖4為下端與內壁相連)；
[0055] 每個隔離傳輸線7包括隔離傳輸線內導體71和隔離傳輸線外導體72；每個徑向傳輸線10包括內側和外側。采用隔離傳輸線具體連接的方式如下：
[0056] N個隔離傳輸線外導體72一端均與某一級初級能源箱1外壁相連作為地電極，N個隔離傳輸線外導體72另一端與對應級環(huán)形感應腔8外壁相連，N個隔離傳輸線內導體71的一端與某一級初級能源箱1內的所有第一電容器4連接，隔離傳輸線內導體71的另一端與N個徑向傳輸線10一端連接，N個徑向傳輸線10的另一端與所述環(huán)形感應腔8內壁連接。N個徑向傳輸線10沿圓周方向均勻分布于環(huán)形感應腔8內部。
[0057] 下面對該裝置的工作原理與工作過程進行說明：通過并聯正負充電的方法給開關電容初級能源模塊中的所有電容器充電，每個開關電容器模塊2的第一電容器3充負電，第一電容器4充正電。單級初級能源箱1中的N個高電壓氣體開關5由觸發(fā)器同步觸發(fā)導通。開關導通后第一電容器4的電壓輸出端從低壓電位變?yōu)楦邏弘娢?，產生兩倍的充電電壓。每級開關電容模塊2產生的高壓通過隔離傳輸線7傳輸至感應電壓疊加模塊，每級開關電容模塊2產生的N路高壓同步到達對應級的環(huán)形感應腔8。N路高壓通過環(huán)形感應腔8的徑向傳輸線
10從圓周均勻饋入到感應腔內，達到電流疊加的目的。前一級產生的電壓脈沖經過感應腔內徑向傳輸線進行傳輸，傳輸到下一級時與該級的感應電壓波疊加達到電壓疊加的目的。
通過調節(jié)不同級初級能源箱的觸發(fā)傳輸線的長度使其電脈沖傳輸延時等于相鄰兩級感應腔電脈沖傳輸延時，可以使得電壓得到有效疊加。在理想情況下，最終在匹配負載上可以得到N倍的電流和2M倍的充電電壓脈沖。
10從圓周均勻饋入到感應腔內，達到電流疊加的目的。前一級產生的電壓脈沖經過感應腔內徑向傳輸線進行傳輸，傳輸到下一級時與該級的感應電壓波疊加達到電壓疊加的目的。
通過調節(jié)不同級初級能源箱的觸發(fā)傳輸線的長度使其電脈沖傳輸延時等于相鄰兩級感應腔電脈沖傳輸延時，可以使得電壓得到有效疊加。在理想情況下，最終在匹配負載上可以得到N倍的電流和2M倍的充電電壓脈沖。
[0058] 綜上，本發(fā)明提出的傳輸線隔離型直線變壓器驅動源(LTD)，克服了傳統(tǒng)LTD中開關電容模塊處于感應腔內的缺點，可以實現對開關電容模塊的統(tǒng)一管理，顯著降低LTD裝置阻抗、提升其電流大小、開關觸發(fā)性能、降低感應腔體積并極大提升加速器的可維護性。同時，本發(fā)明能夠克服Thor類型裝置電壓無法疊加的缺點，顯著提升裝置輸出電壓。
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