一种两级脉冲变压器串级型重复频率触发器的制作方法

1.本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种两级脉冲变压器串级型重复频率触发器。


背景技术：

2.mv级tesla变压器常用于脉冲功率源的加速器，在高功率粒子束、高功率微波、超宽带重复频率脉冲等国防领域得到广泛应用。而对于mv级tesla脉冲功率源所需要的主开关，通常需要一个高压脉冲触发器进行触发。现有的触发器常采用内置式，即将触发器整体放置于tesla腔体内，主回路放电时由于电气耦合与电磁干扰等因素对触发器损伤极大。由于主回路耦合至触发器电压过高、电磁干扰影响触发有效性等因素，目前常用的触发器存在长期运行时常出现失效、可靠性不高、半导体开关易损坏等问题，且内置式触发器不易拆装维修。
3.目前常用的高压脉冲触发器多用marx型触发器、tesla型触发器和闭合磁芯变压器型触发器。采用marx型触发器向传输线充电，可以实现高输出电压和快前沿，但大量的火花间隙调节困难、使用寿命有限，难以长时间重频工作；tesla型触发器匝比很高、次级绕组匝数很多，漏感很大，常用于驱动小负载，难以实现快前沿，且初次级之间的耦合电容很大；脉冲变压器型触发器具有结构简单、重频运行能力强、能量转化效率高等优点，但常规单级脉冲变压器型触发器副边匝数也有数十匝至上百匝，也在一定程度上存在耦合电容较大的问题。采用常规单级脉冲变压器型触发器触发mv级高电压开关时，开关导通后，触发器输出整体将抬升至mv级高电位，mv级电压将通过单级脉冲变压器原副边之间的分布电容耦合至变脉冲压器原边，在脉冲变压器原边产生很高的干扰电压，影响原边的半导体开关等低压元器件，导致触发器长期运行可靠性不高的问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种两级脉冲变压器串级型重复频率触发器，采用半导体开关和陡化开关以提高系统的稳定性和重复频率运行能力，采用特殊的接地方式和脉冲变压器结构降低了干扰电压的耦合，有利于触发器装置的小型化，具有输出电压高、前沿快、耦合干扰电压低、重频运行可靠性高等优点，对解决mv级脉冲源的触发问题具有重要意义。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种两级脉冲变压器串级型重复频率触发器，包括第一级驱动模块，第一级驱动模块包含电容器c1和半导体开关t1，电容器c1与半导体开关t1串联后与第一级脉冲变压器tr1的原边连接，第一级脉冲变压器tr1副边的中心抽头接地，第一级脉冲变压器tr1的副边与第二级驱动元件连接，第二级驱动元件的一端经陡化开关s与第二级脉冲变压器tr2原边的一端连接，第二级驱动元件的另一端与第二级脉冲变压器tr2原边的另一端连接，第二级脉冲变压器tr2副边的一端接地，另一端输出正极性或负极性的单极性高压。
7.具体的，第一级脉冲变压器tr1为多原边多副边结构，具有n个匝数相同的原边，m个匝数相同的副边，n和m均大于等于2，m个副边全部并联，每个副边的中心抽头均接地。
8.进一步的，第一级脉冲变压器tr1磁芯材料为硅钢，每个原边的匝数为2～3匝，每个副边的匝数为20～100匝，第一级脉冲变压器tr1副边匝数为偶数匝。
9.具体的，第二级脉冲变压器tr2磁芯材料为铁氧体，原边的匝数为1～5匝，副边的匝数为3～25匝。
10.具体的，第一级驱动模块包含n个容量相同的电容器和n个半导体开关，每个电容器串联一个半导体开关，形成n个串联的电容器半导体开关支路，每个电容器半导体开关支路连接第一级脉冲变压器的一个原边，第一级驱动模块的电容器的总容量为0.1～100μf，充电电压为300～3000v。
11.具体的，第二级驱动元件为高压电容器c2，用于驱动第二级脉冲变压器，高压电容器的容量小于等于100nf。
12.具体的，第二级驱动元件为传输线tl，传输线tl的首端与第一级脉冲变压器tr1的副边连接，末端分两路，一路经陡化开关s与第二级脉冲变压器tr2原边的一端连接，另一路与第二级脉冲变压器tr2原边的另一端连接。
13.具体的，第二级驱动元件为并联的传输线tl和高压电容器c2，传输线tl的首端与第一级脉冲变压器tr2的副边连接，末端连接高压电容器c2，高压电容器c2分两路，一路经陡化开关s与第二级脉冲变压器tr2原边的一端连接，另一路与第二级脉冲变压器tr2原边的另一端连接。
14.进一步的，传输线tl为同轴结构型传输线或平行导线型传输线，长度小于等于1000米，绕制在脉冲源腔体内的锥形绝缘板上形成锥形电感。
15.具体的，陡化开关为带预电离的气体开关，陡化开关的触发电极经大于等于1mω的高压电阻接地，陡化开关的导通时间小于20ns。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明一种两级脉冲变压器串级型重复频率触发器，采用两级脉冲变压器串级型方案，第一级脉冲变压器将原边的低压变为副边正负输出的双极性高压，第二级脉冲变压器对第一级脉冲变压器双极性电压进行二次升压，并变为单极性。第二级脉冲变压器原副边匝数少，极大的减小了脉冲变压器原副边之间的分布电容，降低了主回路耦合至第二级变压器原边的对地电压；第一级脉冲变压器在正负极性差分结构下差分电压为零，可有效降低耦合至第一级变压器原边半导体开关两端的干扰电压；陡化开关与匝数极少的第二级变压器相配合，可直接在第二级脉冲变压器的副边输出快前沿、高幅值的电压；采用了半导体开关和陡化开关，提高了系统的稳定性和重复频率运行能力。
18.进一步的，第一级脉冲变压器采用多原边多副边结构，多原边多副边结构可极大的降低变压器漏感，从而有效减小变压器所需体积，这对脉冲变压器的小型化有重要意义；同时第一级变压器多副边并联结构等效漏感成倍的减小，对地的分布电容增大，也可有效降低主回路耦合至第一级变压器的对地电压。
19.进一步的，硅钢具有较大的饱和磁感应强度，有利于减小脉冲变压器的体积；第一级脉冲变压器的副边为偶数匝，便于设置中心抽头，将中心抽头接地。
20.进一步的，第二级脉冲变压器的输入输出电压前沿均较小，等效频率较高，需要采
用响应频率更高的磁场。铁氧体具有较高的响应频率。第二级脉冲变压器的副边匝数较少，漏感和分布电容较小，可减小第二级脉冲变压器的输出前沿，并降低脉冲源主回路高压耦合至低压回路的干扰电压。
21.进一步的，第一级脉冲变压器的原边各接一个电容器半导体开关支路，可降低原边驱动回路的等效分布电感，增大原边驱动回路的等效分布电容，降低单个半导体开关承受的电流大小。
22.进一步的，采用高压电容器驱动第二级脉冲变压器，第二级脉冲变压器的带负载能力强，触发器触发电流大。
23.进一步的，传输线单位长度具有一定的等效电容，采用传输线驱动第二级脉冲变压器，第二级脉冲变压器的带负载能力较弱，触发器触发电流较小；但传输线对地具有一定的等效电容与电感，触发器两级变压器之间采用传输线进行瞬态隔离，可在抑制耦合在一级变压器输出端口上的过电压，减小主回路对触发器一级变压器的干扰。传输线的设置可以满足不同的应用场合，当第一级脉冲变压器和第二级脉冲变压器近距离一体布置时，可不包含传输线；但当第一级脉冲变压器和第二级脉冲变压器分开布置时，如第二级脉冲变压器置于大型脉冲源腔体内，第一级脉冲变压器置于大型脉冲源腔体外，则需要包含传输线。
24.进一步的，即具有第二级脉冲变压器的带负载能力强、触发器触发电流大的优点，又具有传输线隔离瞬态脉冲、可使一二级脉冲变压器分开布置的优点。
25.进一步的，传输线绕制在腔体内的锥形绝缘板上，形成锥形电感，隔离瞬态电压。当用于mv级tesla脉冲源的主开关触发时，可以将第一级变压器置于脉冲源腔体之外，通过传输线将触发器输出电压引入至tesla腔体内并经过第二级变压器的二次升压至主开关触发间隙。与触发器内置方案相比，由于tesla脉冲源腔体为金属，具有屏蔽电磁干扰的作用，而二级变压器采用气体开关，内置于tesla腔体内受到的干扰小，因此可有效改善电磁环境恶劣的问题。
26.综上所述，本发明具有输出电压高、前沿快、耦合干扰电压低、重频运行可靠性高等优点，对解决mv级脉冲源的触发问题具有重要意义。
27.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
28.图1为第二级驱动元件为并联的传输线和高压电容器的两级脉冲变压器串级型重复频率触发器原理图；
29.图2为第一级脉冲变压器置于tesla脉冲源腔体外时传输线引入示意图；
30.图3为第二级驱动元件为高压电容器的两级脉冲变压器串级型重复频率触发器原理图；
31.图4为第一级脉冲变压器为多原边多副边结构的两级脉冲变压器串级型重复频率触发器原理图；
32.图5为第二级驱动元件为传输线的的两级脉冲变压器串级型重复频率触发器原理图；
33.图6为两级脉冲变压器串级型重复频率触发器输出电压波形图；
34.图7为两级脉冲变压器串级型重复频率触发器重频运行波形图。
35.其中：1.锥形绝缘板。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
39.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
40.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
41.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
42.本发明提供了一种两级脉冲变压器串级型重复频率触发器，第一级脉冲变压器副边的中心抽头接地，用于将原边的低压变为副边正负输出的双极性高压，传输线用于将第一级脉冲变压器的输出电压传输至第二级驱动电容器，第二级脉冲变压器用于输出最终的触发器电压，第二级脉冲变压器副边的一端接地，另一端输出正极性或负极性的单极性高压。本发明触发器具有输出电压高、前沿快、重频运行稳定性和可靠性高、初级驱动回路耦合的干扰电压低、利于小型化等优点。
43.请参阅图1，本发明一种两级脉冲变压器串级型重复频率触发器，包括第一级驱动模块，第一级脉冲变压器tr1，传输线tl，第二级驱动电容器c2，陡化开关s，第二级脉冲变压器tr2。
44.第一级驱动模块包含电容器c1和半导体开关t1，电容器c1与半导体开关t1串联连接，电容器c1和半导体开关t1串联后连接第一级脉冲变压器tr1的原边；第一级脉冲变压器tr1副边的中心抽头接地，用于将原边的低压变为副边正负输出的双极性高压；传输线tl用于将第一级脉冲变压器tr1的输出电压传输至第二级驱动电容器c2，传输线tl的一端连接第
一级脉冲变压器tr1的副边，传输线tl的另一端连接第二级驱动电容器c2；陡化开关s用于将第二级脉冲变压器tr2原边驱动电压的前沿陡化，陡化开关s与第二级脉冲变压器tr2的原边串联后，与第二级驱动电容器c2连接；第二级脉冲变压器tr2用于输出最终的触发器电压，第二级脉冲变压器tr2副边的一端接地，另一端输出正极性或负极性的单极性高压。
45.其中，第一级脉冲变压器tr1具有磁芯，磁芯材料为硅钢，第一级脉冲变压器tr1原边的匝数为2～3匝，副边的匝数为20～100匝，且副边匝数为偶数匝。
46.第二级脉冲变压器tr2具有磁芯，磁芯材料为铁氧体，第二级脉冲变压器tr2原边的匝数为1～5匝，副边的匝数为3～25匝。
47.传输线tl为同轴结构型传输线或平行导线型传输线，长度不超过1000米。
48.第二级驱动电容器c2的容量不超过100nf；
49.电容器c1的总容量为0.1～100μf，充电电压为300～3000v；
50.陡化开关s为带预电离的气体开关，以提高开关重复频率工作的稳定性，导通时间小于20ns，陡化开关s包括高压电极、低压电极和触发级，高压电极接第二级驱动电容器c2的一端，触发电极经1mω以上的高压电阻r接地，低压电极接第二级脉冲变压器tr2原边的一端。
51.第二级脉冲变压器tr2直接输出的电压最高达到180kv，前沿小于160ns，重复频率最高达到50hz。
52.请参阅图2，第一级脉冲变压器置于tesla脉冲源腔体外时传输线引入示意图，此为两级脉冲变压器串级型重复频率触发器一种应用工况。第一级驱动模块和第一级脉冲变压器tr1置于tesla脉冲源腔体外，第二级驱动电容器c2、陡化开关s和第二级脉冲变压器tr2置于脉冲源腔体内。第一级脉冲变压器tr1的输出通过一定长度的传输线tl从脉冲源腔体的引入至腔体内，传输线tl绕制在腔体内的锥形绝缘板1上，形成锥形电感。
53.此工况可有效降低tesla脉冲源主回路对触发器半导体开关的干扰，改善触发器半导体开关的电磁环境。
54.请参阅图3，两级脉冲变压器串级型重复频率触发器不包含传输线，此时第二级驱动电容器c2直接与第一级脉冲变压器tr1的副边连接，此工况适用于不需要将第一级脉冲变压器tr1和第二级脉冲变压器tr2分开布置的情形。
55.请参阅图4，第一级脉冲变压器tr1为多原边多副边结构的两级脉冲变压器串级型重复频率触发器，第一级脉冲变压器tr1具有n个匝数相同的原边，m个匝数相同的副边，n和m均大于等于2，m个副边全部并联，m个副边的中心抽头均接地。
56.第一级驱动模块还包含n个容量相同的电容器c
1-1
～c
1-n
和n个半导体开关t1～tn，每个电容器串联一个半导体开关，形成n个串联的电容器半导体开关支路，每个电容器半导体开关支路连接第一级脉冲变压器tr1的一个原边。
57.请参阅图5，第一级脉冲变压器tr1为多原边多副边结构的两级脉冲变压器串级型重复频率触发器，不包含第二级驱动电容器，此时陡化开关s与第二级脉冲变压器tr2的原边串联后，直接与传输线tl的另一端相连；由于传输线tl具有一定的等效电容，可由传输线tl直接驱动第二级脉冲变压器tr2。
58.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
59.实施例1
60.本实施例中，第一级脉冲变压器为多原边多副边结构，原边数量为n＝8，每个原边的匝数为2匝，副边数量为m＝8，每个副边的匝数为60匝，磁芯材料为硅钢；第一级驱动模块包含8个1.2μf电容器和8个晶闸管开关，电容器充电电压为1500v；传输线长度为40米；第二级驱动电容器电容量为2nf；第二级脉冲变压器为单原边单副边结构，磁芯材料为铁氧体，原边的匝数为5匝，副边的匝数为15匝。
61.请参阅图5、图6和图7，分别为两级脉冲变压器串级型重复频率触发器输出电压波形图和两级脉冲变压器串级型重复频率触发器重频运行波形图，第二级脉冲变压器直接输出的电压即为触发器的输出电压，触发器输出电压幅值达到180kv，前沿小于160ns；在50hz重频运行条件下，触发器输出电压均超过180kv，最高达到190kv，输出电压仍有一定的电压幅值的抖动，电压波动范围小于10kv。
62.实施例2
63.本实施例中，第一级脉冲变压器为单原边单副边结构，原边的匝数为2匝，副边的匝数为30匝，磁芯材料为硅钢；第一级驱动模块包含1个9.6μf电容器和1个晶闸管开关，电容器充电电压为3000v；不包含传输线，第二级驱动电容器电容量为2nf；第二级脉冲变压器为单原边单副边结构，磁芯材料为铁氧体，原边的匝数为1匝，副边的匝数为3匝；触发器输出电压幅值达到180kv，前沿小于130ns，重复频率最高达到50hz。
64.本实施例中，第二级脉冲变压器匝数更少，变压器的漏感和分布电容更小，可以进一步减小触发器输出电压的上升前沿。
65.实施例3
66.本实施例中，包含3台触发器，第一级脉冲变压器原边的匝数为2匝，副边的匝数为60匝，磁芯材料为硅钢；第一级驱动模块电容器充电电压为1500v；传输线长度为40米；第二级驱动电容器电容量为2nf；第二级脉冲变压器为单原边单副边结构，磁芯材料为铁氧体，原边的匝数为5匝，副边的匝数为15匝。3台触发器的不同点在于：第1台第一级脉冲变压器为多原边多副边结构，原边数量为n＝8，副边数量为m＝8，副边的中心抽头均接地；第2台第一级脉冲变压器为多原边多副边结构，原边数量为n＝8，副边数量为m＝8，副边的一端抽头接地；第3台第一级脉冲变压器为单原边单副边结构，副边的一端抽头接地。给第二级脉冲变压器的输出两端整体施加一个幅值200kv、脉宽40ns的高压脉冲，耦合至第一级脉冲变压器原边的电压如表1所示。
67.表1
[0068][0069]
从表1可知，本发明中第一级脉冲变压器副边的接地方式和多原边多副边结构可有效地降低干扰电压的耦合。
[0070]
综上所述，本发明一种两级脉冲变压器串级型重复频率触发器，采用半导体开关和陡化开关以提高系统的稳定性和重复频率运行能力，采用特殊的接地方式和脉冲变压器结构降低了干扰电压的耦合，有利于触发器装置的小型化，具有输出电压高、前沿快、耦合干扰电压低、重频运行可靠性高等优点。
[0071]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。