一种可实现高触发幅值的电脉冲触发器的制作方法

本发明涉及高电压脉冲触发器，具体涉及一种可实现高触发幅值的电脉冲触发器，应用于脉冲功率领域中具有高电压脉冲触发控制需求的驱动源触。

背景技术：

快直线型变压器驱动源(fltd)是一种能够产生高电压、大电流的新型驱动源，其特点是将传统的脉冲产生、压缩和成形环节集成在高20cm至35cm、直径小于3.0m的圆盘形腔体中，直接产生上升沿约100ns的电功率脉冲。理论上，单个fltd模块的输出电流峰值可达2.0ma，较之传统的marx结合多级水介质脉冲压缩成形技术，其体现出众多优势，已成为下一代大型驱动源研制极具竞争性技术之一。

fltd模块结构如图1和图2所示，初级由多个放电支路并联，每个放电支路由两支正负充电的电容器22和一支电触发气体开关21组成，各放电支路的放电回路均包绕磁芯24一圈，次级为一金属圆柱筒。整个模块在电路上相当于初级由多个单匝线圈并联，次级为一单匝线圈。各放电支路同步工作时，次级匹配负载上可近似获得与初级充电电压一致的峰值电压，而电流为单个放电支路电流的n倍(n为模块放电支路并联数)。fltd模块工作过程主要分为两步：第一步给各电容器22直流充电；第二步外电路提供电触发信号，控制各电触发气体开关21同步导通。

目前，fltd模块的触发单元与模块主体呈分立状态，二者之间通过4至6根高压触发电缆25连接，触发电压介于100kv至140kv之间。从驱动源工程实践角度分析，基于该fltd模块结构的驱动源建设，其触发单元规模将异常庞大，其规模和造价甚至可能超越驱动源本身。因此，优化fltd模块整体结构对于建设高可靠、低造价的大型驱动源具有重要的工程应用价值。针对fltd模块整体结构设计，国际上主要提出两种拓扑结构，但在工程实践中均存在着一定程度的不足。

在chuanliang，linzhou，fengjusun等学者的《arepetitive800kalineartransformerdriversstageforz-pinchdrivenfusion-fissionhybridreactor》(laserandparticlebeams，2015，33，pp.535-540)中，提出了一种基于角向传输单元分配的触发方式。整个触发器由四部分构成：外部触发单元、高压触发电缆、高压放大单元和角向传输单元。外部触发单元采用三级脉冲放大将700v脉冲电压放大至140kv输出，触发脉冲经高压电缆传输至模块内部的高压放大单元，高压放大单元由两支20nf/100kv电容器和一支±100kv气体开关组成，该单元经触发放电后最高可产生200kv脉冲电压，高压放大单元输出脉冲再经过角向传输单元分配至模块内部各放电支路开关。该触发器的特点是：将fltd模块传统触发器所需的4至6根高压触发电缆缩减至1根，大大简化了触发器整体规模，但工程实践中仍然存在以下方面的不足：1)整体结构复杂；该触发器从外部触发单元到模块内部的高压放大单元先后经过4级放大，实现了最高为200kv的输出电压峰值，放大电压等级分别为33kv、100kv、140kv和200kv，所需单元部件包括氢闸流管、储能电容、脉冲变压器、峰化电容、峰化开关、充电电阻、电源等数十个单元部件，结构异常复杂。此外，外部触发单元的初级控制信号为700v电脉冲，在强电磁环境下亦容易导致干扰而误动作；2)高压触发电缆故障率高；外部触发单元输出电压峰值为140kv、前沿时间约25ns，电缆绝缘材料在高频脉冲作用下存在着明显的绝缘劣化现象，而对于大型驱动源建设，所需触发电缆达数万至数十万根，电缆击穿概率明显增加，严重影响驱动源的可靠性；3)触发脉冲幅值受限；该触发器角向传输单元沿用了传统的布线位置，即位于模块放电支路电容器组之间的绝缘隔板中，受限于支路放电回路电感参数的要求，该隔板厚度一般小于15mm，而上下电容器电压分别为正负100kv直流电压，触发脉冲幅值过高会直接导致隔板的电击穿，进而损坏整个fltd模块，因此该种角向线布线位置下，触发电压最高上限不大于200kv，考虑到长期可靠运行其阈值会更低；4)触发脉冲畸变严重；该触发器中角向传输单元由线径为数毫米的导线弯折而成，周围主要以电容器为主，在触发器等效电路中体现为集中的电感参数，未能真正的形成具有特定几何阻抗的平板传输线特性。因此，触发脉冲在该型角向传输单元中传输时会产生严重的脉冲畸变，导致前沿变缓、幅值降低，进而影响模块的触发效果。

综上所述，虽然国内外针对快直线型变压器驱动源触发器提出了多种设计方案，并在工程实践中开展了直接的实验测试。但结果表明，各型设计方案均存在着一定程度的不足，尚不能完全满足大型驱动源研制需求，因此，有必要针对fltd触发器开展更为深入的探索研究工作。

技术实现要素：

本发明提供一种可实现高触发幅值的电脉冲触发器，解决现有fltd模块触发器存在整体结构复杂、高压触发电缆故障率高、触发脉冲幅值受限、触发脉冲畸变严重不足等问题。

本发明触发器采用两级脉冲放大，触发单元完全集成于fltd模块之中，触发单元与角向传输单元直接连接，避免了高压电缆的使用。角向传输单元布置于fltd模块环壁内侧，通过带状传输线结构实现了整个传输线的阻抗匹配设计，确保触发脉冲的高保真传输。此外，触发单元初级触发控制采用光纤引入式的脉冲激光触发，避免了电磁干扰误动作问题。高电压脉冲触发器的整体设计具有结构简单、触发幅值高、脉冲波形好、可靠性高等特点，对于各类具有触发控制需求的初级脉冲源研制具有重要的参考价值。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种可实现高触发幅值的电脉冲触发器，包括触发单元和角向传输单元；所述触发单元用于产生触发脉冲信号，所述角向传输单元用于将触发脉冲信号传输给被触发装置；所述触发单元和角向传输单元通过金属连接件连接；所述触发单元包括初级触发回路和marx回路；所述初级触发回路包括初级储能电容、初级放电开关和两个触发隔离电阻；所述初级储能电容的一端接地，另一端分别与外部高压电源、初级放电开关的一端连接，所述初级放电开关的另一端均与两个触发隔离电阻的一端连接，两个触发隔离电阻的另一端与marx回路连接；所述marx回路包括结构相同的第一放电回路和第二放电回路，所述第一放电回路包括主放电开关、第一主储能电容、第二主储能电容和高压隔离电阻；所述主放电开关的触发电极与触发隔离电阻连接，所述第一主储能电容的一端与主放电开关的高压电极连接，另一端与高压隔离电阻的一端连接，所述第二主储能电容的一端与主放电开关的低压电极连接，另一端与高压隔离电阻的另一端连接，所述第一放电回路的第二主储能电容的另一端与第二放电回路的第一主储能电容的一端连接；所述第一放电回路的第一主储能电容的另一端与金属连接件连接，作为触发信号的输出，第二放电回路的第二主储能电容的另一端接地。

进一步地，所述角向传输单元包括由上至下依次设置的一级线、两段二级线和三级线；所述一级线和二级线均为圆弧带状结构，所述三级线为圆环结构；所述一级线的中间部位与金属杆连接，用于输入触发信号，所述一级线的两端分别通过第一连接线连接至两段二级线的中间部位；每段二级线的两端分别通过第二连接线与三级线连接；所述三级线与脉冲功率装置连接，用于输出触发信号。

进一步地，每段二级线阻抗为一级线阻抗的两倍，三级线被第二连接线分为四段，每段三级线阻抗为每段二级线阻抗的两倍。

进一步地，所述一级线阻抗为触发单元内阻的5～10倍。

进一步地，所述一级线的弧度大于二级线的弧度，所述一级线为180°圆弧带状结构，所述二级线为90°圆弧带状结构。

进一步地，所述初级放电开关采用光导开关或者激光触发型气体开关。

进一步地，所述初级放电开关通过光纤与外部脉冲激光器连接。

进一步地，所述触发单元集成于fltd模块环壁的外侧，所述角向传输单元设置在fltd模块环壁的内侧。

进一步地，所述角向传输单元与fltd模块环壁之间设置有绝缘支撑，所述一级线、二级线和三级线之间设置有绝缘栅格，所述绝缘栅格的下表面为由外向内向下倾斜的斜面。

进一步地，所述金属连接件为圆柱型金属杆。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明高电压脉冲触发器的触发单元与角向传输单元采用一体化设计思路，有效避免了高压触发电缆的使用所带来的绝缘问题，将角向传输单元的位置调整至fltd模块环壁内侧，大幅提高了触发脉冲工作阈值，角向传输单元采用阻抗匹配设计，确保了触发脉冲的高保真性能。高电压脉冲触发器为两级脉冲放大，外触发控制采用光纤引入式控制方式，提高了触发器抗电磁干扰性能。通过上述综合技术措施，可有效解决现有触发器存在的整体结构复杂、高压触发电缆故障率高、触发脉冲幅值受限、触发脉冲畸变严重等不足，为大型驱动源建设用fltd模块触发器研制提供了重要参考。

附图说明

图1为现有fltd模块结构示意图；

图2为现有fltd模块结构剖视图；

图3为本发明可实现高触发幅值的电脉冲触发器结构示意图；

图4为本发明可实现高触发幅值的电脉冲触发器中触发单元电路图；

图5为本发明可实现高触发幅值的电脉冲触发器中角向传输单元的等效拓扑示意图；

图6为本发明角向传输单元的剖视图；

图7为本发明角向传输单元的结构示意图。

附图标记：1-触发单元，2-角向传输单元，3-fltd模块环壁，4-金属连接件，5-初级触发回路，6-marx回路，7-初级储能电容，8-初级放电开关，9-触发隔离电阻，10-主放电开关，11-第一主储能电容，12-第二主储能电容，13-高压隔离电阻，14-一级线，15-二级线，16-三级线，17-第一连接线，18-第二连接线，19-绝缘支撑，21-电触发气体开关，22-电容器，23-触发线，24-磁芯，25-高压触发电缆,30-绝缘栅格，31-外部高压电源。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

图3所示为本发明提供的可实现高触发幅值的电脉冲触发器，区别于现有“圆盘状”结构，其整体呈“乒乓拍”状结构，由“拍柄”和“拍面”两部分组成，其包括触发单元1和角向传输单元2，“拍柄”主要集成了触发单元1，“拍面”设置有角向传输单元2。触发单元1用于产生触发脉冲信号，角向传输单元2用于将产生的触发脉冲信号传输给电触发气体开关；触发单元1封装于金属箱体内，并整体集成于fltd模块环壁3的外侧，角向传输单元2布置于fltd模块环壁3的内侧，触发单元1与角向传输单元2之间通过圆柱型的金属连接件4直接连接，避免了高压电缆的使用，同时实现一体化设计。

如图4所示，触发单元1由两级脉冲放大单元组成，能够产生数百千伏高压脉冲。触发单元1包括初级触发回路5和marx回路6，初级触发回路5用于产生初级触发脉冲信号(70kv至100kv)，包括初级储能电容7、初级放电开关8和两个触发隔离电阻9；初级储能电容7的一端接地，另一端分别与外部高压电源31、初级放电开关8的一端连接，初级放电开关8的另一端均与两个触发隔离电阻9的一端连接，两个触发隔离电阻9的另一端与marx回路6连接。工作中先对初级储能电容7进行直流充电，充电至预定电压值时控制初级放电开关8导通，并对触发隔离电阻9进行放电，形成近似初级储能电容7充电电压峰值的脉冲电压输出，触发隔离电阻9末端通过高压导线连接至下游的小型marx回路6中的主放电开关10触发电极。

marx回路6包括结构相同的第一放电回路和第二放电回路，第一放电回路包括主放电开关10、第一主储能电容11、第二主储能电容12和高压隔离电阻13；主放电开关10的触发电极与触发隔离电阻9连接，第一主储能电容11的一端与主放电开关10的高压电极连接，另一端与高压隔离电阻13的一端连接，第二主储能电容12的一端与主放电开关10的低压电极连接，另一端与高压隔离电阻13的另一端连接。

第二放电回路与第一放电回路的器件设置相同，同时，第一放电回路的第二主储能电容12的另一端与第二放电回路的第一主储能电容11的一端连接。第一放电回路的第一主储能电容11的另一端与金属连接件4连接，作为触发信号的输出，第二放电回路的第二主储能电容12的另一端接地。marx回路6的工作原理与传统的marx发生器一致。本发明marx回路6采取两级放电单元，每级由两支主储能电容器和一支主放电开关10构成。实际应用中，依据输出脉冲参数要求可灵活调整其开关工作电压、级数和储能电容容值，针对fltd模块触发器设计，级数一般不大于3级，主储能电容容值介于10nf至20nf之间，主放电开关10工作电压介于±50kv至±100kv之间。

此外，考虑触发单元1初级触发控制抗干电磁干扰性能要求，初级放电开关8可采用光导开关或者激光触发型气体开关，外部初级触发控制信号(脉冲激光)通过光纤引入至初级放电开关8。

如图5所示，角向传输单元2包括由上至下依次设置的一级线14、两段二级线15和三级线16，各传输线均呈带状结构，其中，一级线14和二级线15均为圆弧带状结构，且一级线14的弧度大于二级线15的弧度，三级线16为圆环结构；一级线14的中间部位与金属杆连接，作为信号的输入点，一级线14的两端分别通过第一连接线17连接至两段二级线15的中间部位；每段二级线15的两端分别通过第二连接线18与三级线16连接；三级线16与支路触发隔离电阻9连接，作为信号的输出点。

角向传输单元2的具体设置如下，其在fltd模块环壁3内侧呈圆弧状布置，剖视结构如图6所示。一级线14呈180°圆弧，其中间位置连接至金属杆，两端分别连接至二级线15的中间部位；二级线15由两段90°圆弧构成，二者中间部位分别连接至一级线14的端部，二级线15的端部又分别连接至三级线16，三级线16为一整圆弧，三级线16等间距连接特定数量的支路触发隔离电阻，用于最终模块各放电支路开关的触发控制。各级传输线与fltd模块环壁3之间形成带状传输线，通过调节二者之间的距离和传输线宽度，可方便地实现传输线阻抗参数的调整。为确保触发脉冲波形的保真度，本发明角向传输装置2采取阻抗匹配设计，一级线14阻抗为触发装置1内阻的5至10倍，每段二级线15阻抗为一级线14的2倍，每段三级线16(三级线被第二连接线分为四段)阻抗为每段二级线15的2倍。一级线14的输出端连接两段二级线15，两段二级线15在电气连接上呈并联关系，其等效阻抗与一级线14阻抗相等；同理，每段二级线15的输出端连接两段三级线16，相邻两段三级线16在电气连接上呈并联关系，其等效阻抗与二级线15阻抗完全相等。因此，从角向传输装置2入口看整个角向传输线，其等效传输线阻抗与一级线14的阻抗一致，呈现完全匹配状态。此外，考虑绝缘要求，需在角向传输单元2与fltd模块环壁3之间，以及各级线之间设置绝缘支撑19，绝缘支撑19各方向结构尺寸取决于角向传输单元2中的脉冲电压参数，需满足体绝缘和沿面绝缘安全要求为标准。除上述工作原理和结构设计外，触发器整体设计中还需要充分考虑高电压绝缘安全裕度和机械支撑强度配合。此外，触发器和fltd模块中均注满变压器油绝缘介质，结构设计亦需要考虑一定的气泡排放需求。

下面以100kv/1.0ma级快直线型变压器驱动源模块触发器设计为例，详细介绍本发明各特征之间的关系和功能作用。

可实现高触发幅值的电脉冲触发器主要由触发单元1和角向传输单元2两部分组成。触发单元1封装于一长520mm、宽670mm、高250mm的长方体金属箱体内(即触发箱体)，触发箱体直接与fltd模块环壁3连接。fltd模块环壁3直径2750mm、高315mm，角向传输单元2沿高度方向布放于fltd模块环壁3内侧。触发箱体与fltd模块环壁3连接的矩形面中心位置处开有直径为140mm圆孔，直径为15mm的圆柱型金属杆穿过该圆孔中心，两端分别与触发单元1的小型marx回路6的输出端、角向传输单元2的一级线14的中心螺纹连接。整个触发单元1密闭于金属腔体内，触发单元1与模块主体之间仅通过数个管道联通，避免触发单元1放电可能对模块主体中的放电支路造成干扰。

触发单元1由初级触发回路5和小型marx回路6两部分组成；初级触发回路5主要由初级储能电容7、初级放电开关8和触发隔离电阻9组成，初级储能电容7由4支50kv/4.4nf的圆柱型陶瓷电容器串联组成，总体等效电容的容值约为1.1nf，单个陶瓷电容器直径约60mm、高35mm，4支陶瓷电容器之间采用螺杆连接。初级储能电容7一端接地，另一端与初级放电开关8和外部高压电源31相连。初级放电开关8为一长30mm、宽10mm、高5mm的光导开关，工作电压100kv、通流400ka，光导开关控制信号由外部激光器产生，并通过光纤引入，脉冲激光参数为10μj、905nm，触发单元1外触发信号采用光纤引入式的微焦耳级脉冲激光，提高模块整体抗干扰性能。光导开关一端连接至初级储能电容7器高压端，另一端连接两支触发隔离电阻9。触发隔离电阻9为1kω圆柱型陶瓷实体电阻，长100mm、直径10mm。初级触发回路5工作过程中，外部直流电源先对初级储能电容7进行直流充电，充电至100kv值时控制初级放电开关8导通，并对触发隔离电阻9进行放电，产生前沿时间约20ns、峰值约100kv的初级电压脉冲信号。触发隔离电阻9末端通过高压导线连接至下游的小型marx回路6中的主放电开关10触发电极。小型marx回路6主要包括主储能电容、主放电开关10和高压隔离电阻13，主储能电容器为两端引出的100kv/12nf箔膜塑壳电容器(无锡锡脉公司生产)，主放电开关10为西北核技术研究所研制的小型多间隙气体触发开关，直径约80mm、高度约150mm；高压隔离电阻1312为200kv/1kω金属丝线绕电阻，直径约25mm、长度约150mm。整个小型marx回路6由两级放电单元构成，每级放电单元由两支主储能电容器和一支主放电开关10构成，主储能电容、主放电开关10和高压隔离电阻13之间的连接与传统的marx发生器完全一致。小型marx回路62一端接地，另一端输出高压与金属杆4连接。

角向传输单元2由一级线14、二级线15和三级线16三部分构成，各传输线均呈带状结构，在fltd模块环壁3内侧呈圆弧状布置。一级线14宽46mm、呈180°圆弧，其中间位置连接至金属杆，两端分别连接至二级线15的中间部位；二级线15由两段90°圆弧构成，宽度为27mm，二者中间部位通过金属片分别连接至一级线14的两端部，二级线15的端部又分别连接至三级线16，四个连接点对称分布，三级线16为一整圆弧，宽度为10mm，等间距连接32个支路触发电阻，用于最终模块各放电支路开关的触发控制。角向传输单元2的弧直径均为2700mm、厚度10mm。角向传输单元22整体嵌于一环形绝缘支撑19中，绝缘支撑19整体呈环状结构，其外边缘直径为2730mm、内边缘直径为2580mm、高度160mm，角向传输单元2各级线之间绝缘间隔为15mm、角向传输单元22与fltd模块环壁3之间的绝缘厚度为15mm。整个角向传输单元2阻抗采取匹配设计，一级线14等效阻抗约为50ω、每段二级线15等效阻抗约为100ω、每段三级线16等效阻抗约为200ω。触发单元1和角向传输单元2均浸置于变压器油绝缘介质之中，绝缘支撑19各级线之间的绝缘栅格30呈特定斜面，即绝缘栅格的下表面为由外向内向下倾斜的斜面，便于注油过程中气泡的排放。

传统的用于fltd模块控制的高压脉冲触发器输出电压小于200kv，且需要3至4级进行放大，至少包含3级气体开关，造成输出脉冲时间延时抖动通常大于5ns。本发明中，触发器单元由两级放大，第一级的初级放电开关8为光导开关(胡龙.基于砷化镓雪崩光导开关的高重复频率超宽谱脉冲源技术研究[d].西安：西安交通大学电子与信息工程学院，2016)，目前其最高耐压可达80kv，有望进一步达到100kv，光导开关抖动为百ps量级，基本可以忽略；第二级的主放电开关10为自研的电容分压式多间隙气体开关(hongyujiang,fengjusun,peitiancongetal."optimizationofself-breakdownandtriggeringcharacteristicsonmultigapgasswitchbymountingresistorsandcapacitorsinparallelwithswitchgaps,"ieeetransactionsonplasmascience,accepted.)，其耐压可达160kv，触发电压75kv、60％欠压比条件下，抖动低至1.4ns，因此，整个触发器最大输出电压幅值可达320kv、抖动为两个主放电开关的均方平均，60％欠压比条件下低至1.98ns。当欠压比提升至65％、前级触发电压提升至80kv时，整体抖动会进一步降低，确保整个触发器抖动小于2ns。