一种多用途Marx高压源触发器

一种多用途marx高压源触发器
技术领域
1.本实用新型涉及脉冲功率、高压设备控制技术领域，具体涉及一种多用途marx高压源触发器。


背景技术：

2.脉冲源是为电磁脉冲模拟器提供电磁能量的装置。由于所要模拟的场上升时间极短而场强峰值一般都高达数万伏/米以上，故脉冲源的建设必须采用脉冲功率技术，即把“慢”储存起来的具有较高密度的能量从空间上和时间上进行快速压缩、转换或直接释放给负载。marx高压源通过储能电容并联充电、串联放电的方式，可以很容易的使电压倍增来获得较高的脉冲电压输出。由于设计简单、控制方便，目前marx高压源已经作为电场模拟器的储能装置在工程中广泛应用。
3.marx高压源中有大量的开关，这些开关的同步时间要控制在一定范围内才能得到较为理想的输出电压波形。为此，除了要求开关本身的触发特性稳定性好，分散性性小以外，触发脉冲必须足够陡，电压足够高，耦合电阻值尽可能小，触发引线的分布电容和电感也要尽量小。这就对marx高压源触发器提出了较高的要求。
4.文献一种《100kv mini-marx发生器触发源的设计，强激光与粒子束，2014，（26）8:0850011-0850014》中设计了一种100kv mini-marx发生器触发源，采用氢闸流管作为主要开关器件，必须要经过十几分钟的预热才能正常工作，并且需要两路触发信号来控制触发，电路结构复杂，对于实时性要求较高的触发系统而言实用性不强。另外，该文献试验结果表明，该触发源控制电路提供的输出电压在30kv以内，对于需要更高电压的脉冲源而言，难以满足使用需求。
5.实用新型专利201820470536.3地面核爆炸电磁脉冲复合环境模拟系统提出了利用电场模拟器和磁场模拟器构建复合场环境模拟系统的方法。其中的电场模拟器就是利用marx高压源作为储能装置，12级电容s型布置，每两个电容之间利用三电极气体火花开关串联，共6个气体开关。要保证电场模拟器正常工作，就要保证marx高压源气体开关的同步性能，marx高压源触发器就需要满足上述技术要求。特别的，该专利中构建电磁脉冲复合环境需要对电场输出波形和磁场输出波形的峰值复合时刻进行控制，并要求两波形复合起始时刻尽量接近。由于复合过程是通过磁场波形控制电场波形的产生时刻，也就是说，两波形复合起始时刻是由电场模拟器自身的响应时间决定的。因此，模拟系统需要尽量缩短marx高压源触发器整体响应时间。同时，为了满足复合场环境模拟需求，电场模拟器的marx高压源触发器需要满足外部触发信号的接入和控制需求。特别的，由于marx高压源触发器的工作环境由较为理想的开阔场环境（电场模拟器独立运行）变为存在外部干扰源的环境（磁场模拟器同步运行），这就对marx高压源触发器的抗干扰能力提出了更高的要求。另外，考虑到实际工作中需要单独运行电场模拟器开展设备效应试验，这就要求marx高压源触发器能够较好的兼容不同环境下设备运行时对响应时间、可靠性、稳定性等方面的综合要求。


技术实现要素：

6.本实用新型要解决的技术问题是提供一种多用途marx高压源触发器，该触发器可以适用于不同的工作环境，即在单独电场模拟器运行时提供可靠触发，在复合场环境模拟中能够提供响应时间短、性能可靠的触发脉冲且兼容外部触发信号的接入和控制需求。
7.为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种多用途marx高压源触发器，其特征在于包括触发开关、外部触发信号、信号处理与控制电路、脉冲触发源、高频脉冲变压器、限流电阻和marx源气体开关，触发开关和/或外部触发信号经过信号处理与控制电路后输出控制信号，该控制信号作为脉冲触发源，并控制其动作形成初步高压脉冲，经过高频脉冲变压器后变为所需高压脉冲信号，该高压脉冲信号通过击穿空气间隙放电对脉冲前沿进行陡化形成陡化脉冲信号，陡化脉冲信号通过并联回路分为四路，每路信号经过限流电阻后对一个marx源气体开关的导通情况进行控制。
8.对上述方案作进一步的补充说明，所述信号处理与控制电路包括第一信号处理电路和第二信号处理电路两部分，其中信号处理电路1连接触发开关，信号处理电路2连接外触发信号。
9.对上述方案作进一步的补充说明，所述脉冲触发源为rlc放电回路，包括电源、小型升压变压器、整流电路、限流电阻、第一充电电容、触发开关，供电用的电源通过小型升压变压器后经整流电路、限流电阻对第一充电电容充电，外部的控制信号控制触发开关导通，第一充电电容通过触发开关、线缆及高频脉冲变压器的一次侧放电，形成初级脉冲。
10.对上述方案作进一步的补充说明，所述高频脉冲变压器的变比为1：40，高频脉冲变压器的输出电压不低于100kv，脉冲前沿不高于20ns。
11.对上述方案作进一步的补充说明，所述空气间隙为20mm。
12.对上述方案作进一步的补充说明，所述第一充电电容的最终充电电压为3000v。
13.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
14.（1）本实用新型中的触发器，其触发方式可根据实际工作情况和试验需求进行选择性设置，可提供响应时间短、性能稳定、操作简单的控制方式；
15.（2）本实用新型中的marx高压源触发器电路结构简单，适用性强，既能满足单独模拟器的运行需求，又可以满足两个模拟器同时运行的需求。
附图说明
16.图1是本实用新型中marx高压源触发器设计原理图；
17.图2是脉冲触发源设计原理图；
18.图3是控制信号及其触发开关设计原理图；
19.图4是传输线路组成示意图；
20.图5是电子开关触发电路设计原理图；
21.图6是脉冲触发源的主电路。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
23.本实用新型公开了一种多用途marx高压源触发器，附图1为该marx高压源触发器
的设计原理。触发开关或外部触发信号经过信号处理与控制电路后输出控制信号，该控制信号控制脉冲触发源动作形成初步高压脉冲，经过高频脉冲变压器后变为所需高压脉冲信号，该高压脉冲信号通过击穿空气间隙放电对脉冲前沿进行陡化，该陡化脉冲信号通过并联回路分为四路，每路信号经过限流电阻后对一个marx源气体开关的导通情况进行控制。四个气体开关同时导通后，八个电容器上的电压叠加到后续气体开关上，触发后续气体开关导通。
24.脉冲触发源设计原理如图2所示。其本质为一个小型的rlc放电回路，供电电源通过小型升压变压器后经整流电路、限流电阻对充电电容1充电，充电完成后等待触发开关导通放电。当外部控制信号控制触发开关导通时，充电电容通过触发开关、线缆及高频脉冲变压器的一次侧放电，形成初级脉冲。
25.控制信号及其触发开关采用如图3所示的设计方案。触发开关可通过拨码开关选择两种控制方式：一是直接连接传输线路传输控制信号；二是通过plc控制器和信号处理电路后再连接传输线路传输控制信号。外部触发信号通过信号处理电路、单片机后再连接传输线路传输控制信号。触发开关采用机械开关和电子开关两种方式，可根据实际需求通过拨码开关进行选择。其中机械开关的响应时间相对电子开关要长，但性能相对更为稳定。
26.传输线路由两种传输方式组成，可根据需要进行选择，一种是通过光耦——光纤——光耦的光传输模式，一种是信号传输线传输模式。其中光纤传输模式不受外部干扰影响，抗干扰能力强，适用于外部有较强干扰的情况，但其整个控制电路相对更为复杂，稳定性和可靠性相对低一些。信号传输线模拟直接对电信号进行传输，不经过任何转换，稳定性和可靠性相对高一些，但该模式受外界的干扰影响会更大一些，适用于干扰较小或无干扰的场合。
27.电子开关触发电路设计原理如图5所示。供电电源经整流电路、限流电阻对第二充电电容充电，充电完成后等待可控硅导通放电，可控硅采用高压可控硅晶闸管kp400a-6500v。当外部控制信号控制可控硅1导通时，第二充电电容通过可控硅1、线缆及1:1变压器的一次侧放电，形成初级脉冲，初级脉冲通过1:1变压器后控制可控硅2导通。1:1变压器主要起隔离干扰信号的作用，防止可控硅2误触发。
28.综上所述，脉冲触发源的控制共有三种方式：一是“触发开关——信号传输线——机械开关触发电路”。该方式可以直接利用触发按钮的开关信号控制机械开关的导通，控制电路最简单，操作最为方便，可靠性最高。但该方式也存在机械开关响应时间长，通常在几十μs量级甚至ms量级，适合于对响应时间要求不高的场合。另外，利用信号传输线抗干扰能力较弱，仅适合外部干扰较弱的场合；二是“触发开关——plc控制器——第一信号处理电路1——信号传输线/光传输——电子开关触发电路”。该方式利用电子触发电路，响应时间较快，可根据外部实际干扰情况选择控制信号传输方式，该方式利用触发按钮开关进行直接控制，适合模拟器自身运行工作时的控制；三是“外触发信号——第二信号处理电路——单片机——信号传输线/光传输——电子开关触发电路”。该方式适合于如实用新型专利201820470536.3所提到的利用外部信号进行触发的场合。该方式利用电子触发电路，响应时间较快，也可根据外部实际干扰情况选择控制信号传输方式。需要注意的是，该方式中的第二信号处理电路功能不同于第二种方式中的第一信号处理电路，该方式中的信号处理电路需要对外触发信号进行整流、滤波、比较转换等，输出适合单片机工作的高低电平。
29.实际设计中脉冲触发源的主电路如图6所示。整流器件和充电限流电阻分别有2个，构成了一个倍压充电电路，升压变压器输入端的v1，v2直接为220v电源电压，经倍压整流电路后为第一充电电容充电，电容器最终电压约在3000v，此电压可通过直流分压器分压后在数字电压表上进行实时显示，便于使用过程中实时观察充电电压情况，试验过程中，触发源接通电源后即直接为第一充电电容充电，当手动触发或者外部有触发信号时，会看到数值电压表上电压跌落。作为典型应用，可控硅采用高压可控硅晶闸管kp400a-6500v。
30.触发源后端有一个高压bnc端子，该端子连接到图6所示的可控硅输出端口，另一端通过高压同轴连线接至图1中高频脉冲变压器的输入端。初级脉冲经过高频脉冲变压器(变压器变比1：40) 放大后，输出电压约120kv，此电压直接击穿空气间隙（20mm间隙）进行输出脉冲陡化，经陡化间隙陡化后输出脉冲前沿不大于20ns。陡化后的高压脉冲通过并联回路分为四路，每路信号经过1kω的限流电阻后对一个marx源气体开关的导通情况进行控制。四个气体开关同时导通后，八个电容器上的电压叠加到后续气体开关上，触发后续气体开关导通，从而实现整个marx高压源的导通。
31.作为典型实例，实际设备中机械开关选用真空管，由24v电压控制继电器动作以控制真空管导通情况。触发开关通过信号传输线直接连接在24v电源上，通过触发按钮控制24v电源以控制真空管的工作。当然，控制方式可由拨码开关进行设置。
32.采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下所述的优越性：本marx高压源触发器电路结构简单、操作方便，可以根据工作环境和外部触发信号接入需求进行选择和设置，适应性强，性能可靠。