一种全固态触发隔离电阻的制作方法

本发明涉及脉冲功率装置，具体涉及一种全固态触发隔离电阻，应用于大型脉冲功率装置中初级脉冲源的触发隔离。

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。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模块的结构如图1所示，初级脉冲源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25和一支电触发气体开关22组成，各放电支路的放电回路均包绕磁芯28一圈，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，次级负载可以近似获得与初级充电电压一致的峰值电压，而电流则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：第一步通过高压充电电阻21和高压充电电缆24给各电容器25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22同步导通。

触发过程如下：中间绝缘盘26上设置有圆环型触发线27，外部触发器通过高压触发电缆29与圆环型触发线27连接，各电触发气体开关22的触发电极通过高压触发电阻23连接至圆环型触发线27。模块充电完成后，外部触发器产生触发信号，触发信号通过高压触发电缆29传输至圆环型触发线27，圆环型触发线27再将触发信号沿角向进行分配，并通过高压触发电阻23施加至各电触发气体开关22的触发电极，进而实现各电触发气体开关的近似同步闭合。

由以上触发过程可知，多级放电单元的同步放电由外部触发脉冲通过高压触发电阻23控制其单元内部的电触发气体开关22实现，每级放电单元至少需要1支高压触发电阻23，因此单个初级脉冲源所需高压触发电阻23数量达数十支甚至上百支，其工作稳定性直接决定初级脉冲源的整体性能，也是限制脉冲功率装置可靠性提升的关键因素之一。因此，开展高可靠新型高压电阻探索具有重要的工程应用价值。

针对初级脉冲源大功率高压电阻的设计，国内外开展了众多探索与研究，但截至目前，始终未能脱离水电阻的使用(以某种导电液为介质的电阻)。在j.r.woodworth，w.e.fowler，b.s.stoltzfus等学者的《compact810kalineartransformerdrivercavity》(physicalreviewspecialtopic-acceleratorandbeams，2011，14，pp.040401)中提出了一种20个放电支路并联的快直线型变压器驱动源模块，每个放电支路包含触发电阻，触发电阻均由塑料软管内装导电液构成，软管两端插接金属帽密封导电液，同时金属帽作为电气连接件与外部部件连接(电容器或开关)。此类电阻的优点是功率容量大、结构简单、成本低，但在工程实践中存在以下方面的问题：1)阻值不稳定；水电阻由电解质与纯净水配比而成，随着静置时间、环境温度等条件的改变，电解液容易发生凝聚、析出等变化，进而导致水电阻阻值的改变；2)容易发生击穿；水电阻在静置条件下，容易析出微小气泡，而气泡介电常数仅约电解液的1/81，意味着其内部电场强度是电解液的81倍，局部电场被严重畸变，进而导致气泡击穿引发的电阻失效；3)损坏导致后果严重；通常初级脉冲源充满变压器油介质，当水电阻损坏破裂后，电解液会污染整个初级源腔体中的变压器油，造成巨大的经济损失和维护难度；4)机械固定困难；从安装便捷性、增加沿面长度、热胀冷缩效应考虑，水电阻外壁多采用塑料软管，在长时间使用过程中，由于电动力的作用，容易导致软管变形，造成根部断裂甚至导致正负充电电阻之间的绝缘击穿；5)热胀冷缩明显；电解液热膨胀系数较大，在环境温度变化过程中热胀冷缩幅度大，容易造成软管破裂或者端部金属帽脱离，造成电阻的损坏，特别在低于0℃或者高于100℃环境温度下更是无法使用，直接限制了初级脉冲源的使用环境。

综上所述，高压电阻是大型脉冲功率装置中初级脉冲源的关键单元部件之一，虽然众多初级脉冲源中均采用水电阻作为触发电阻，但其存在着明显的不足，严重制约着初级脉冲源可靠性的提升。

技术实现要素：

本发明提供一种全固态触发隔离电阻，解决现有初级脉冲源中水电阻存在的阻值稳定性差、易发生击穿、损坏后果严重、机械固定困难、热膨胀系数大等问题。该触发隔离电阻采用全固态化设计，具有功率容量高、耐高压、阻值稳定、安装方便、环境适应性好等特点。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种全固态触发隔离电阻，包括电阻基体、两个触指弹簧和两个屏蔽端帽；所述屏蔽端帽的一端设置有轴向凹槽，所述轴向凹槽的槽壁与屏蔽端帽的径向端面通过圆弧面连接；所述电阻基体的两端分别插入屏蔽端帽的轴向凹槽内，所述轴向凹槽的槽壁上设置有径向环形凹槽，所述触指弹簧安装在径向环形凹槽内，实现屏蔽端帽与电阻基体的电连接。

进一步地，所述电阻基体插入屏蔽端帽的部分设置有金属镀膜层。

进一步地，所述金属镀膜层为铜镀膜层、银镀膜层或金镀膜层。

进一步地，所述径向环形凹槽的截面形状为梯形，所述触指弹簧的截面形状为椭圆形，目的是确保屏蔽端帽与电阻基体插接条件下的良好电接触。

进一步地，所述电阻基体为绝缘材料掺杂导电材料压制而成。

进一步地，所述电阻基体为陶瓷掺杂石墨、陶瓷掺杂铝粉压制而成。

进一步地，所述电阻基体为圆柱形结构或长方体结构。

进一步地，所述触指弹簧的内径比轴向凹槽的半径小0.8mm～1.0mm。

进一步地，所述触指弹簧为铍铜材料制成的弹簧。

进一步地，所述电阻基体的直径为15mm、轴向长度为150mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的全固态触发隔离电阻为实体电阻，其充分利用了实体电阻自身特点(电感低，功率容量较大、耐压水平较高)，实现了初级脉冲源大功率高压电阻的全固态化设计，提出了初级脉冲源中大功率高压电阻设计中的系统解决方案，解决了传统水电阻存在的阻值稳定性差、易发生击穿、损坏后果严重、机械固定困难、热膨胀系数大等问题。该高压电阻易于工业化批量生产，有效提高了该类电阻的可靠性，为初级脉冲源高压电阻的工程实践提供了重要参考。

附图说明

图1为现有fltd模块结构示意图；

图2为本发明全固态触发隔离电阻的安装示意图；

图3为本发明全固态触发隔离电阻的结构示意图。

附图标记：1-全固态触发隔离电阻，2-充电电阻，11-电阻基体，12-触指弹簧，13-屏蔽端帽，14-轴向凹槽，15-径向环形凹槽，16-金属镀膜层，21-高压充电电阻，22-电触发气体开关，23-高压触发电阻，24-高压充电电缆，25-电容器，26-中间绝缘盘，27-触发线，28-磁芯，29-高压触发电缆。

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。

本发明提供一种触发隔离电阻，该电阻是一种全固态化大功率高压电阻。在初级脉冲源中，触发隔离电阻要求其具有低电感、较大功率容量、耐压高等特点。根据以上特点，本发明触发隔离电阻采用全固态化设计，以满足不同功用高压电阻对电感、功率容量、耐压等参数要求。

如图2所示，本发明提供的全固态触发隔离电阻采用陶瓷实体电阻，其特点是电感低、耐压高，功率容量虽然不及丝绕电阻，但完全能够耐受触发脉冲能量。在安装时，全固态触发隔离电阻的一端与电触发气体开关22的触发电极连接，另一端与触发控制信号源连接。

全固态触发隔离电阻沿长度方向的剖视结构如图3所示，其包括电阻基体11、两个触指弹簧12和两个屏蔽端帽13。电阻基体11为绝缘材料掺杂导电材料压制而成，如陶瓷掺杂石墨、陶瓷掺杂铝粉等，依据具体使用环境要求，其可制作为多种结构，如圆柱型、长方体等。电阻基体11两端表面以及端部柱面上均镀有金属镀膜层16(电阻基体11插入屏蔽端帽13的部分)，用于与外部部件的电接触，为增强导电性，最好选择为铜、银或金材料。屏蔽端帽13的一端设置有轴向凹槽14，轴向凹槽14的槽壁与屏蔽端帽13的端面拐角设置为圆弧面(轴向凹槽14的槽壁与屏蔽端帽13的径向端面通过圆弧面连接)；电阻基体11的两端分别插入屏蔽端帽13的轴向凹槽14内，轴向凹槽14的槽壁上设置有径向环形凹槽15，触指弹簧12安装在径向环形凹槽15内，用于实现屏蔽端帽13与电阻基体11的电连接。具体的，径向环形凹槽15的截面形状可为梯形，触指弹簧12的截面形状为椭圆形，目的是确保屏蔽端帽13与电阻基体11插接条件下的良好电接触。

在实际加工时，屏蔽端帽13加工出与电阻基体11界面一致的凹槽，其深度略大于电阻基体11端部金属镀膜的长度，且边缘进行倒圆角处理，以屏蔽绝缘基体与屏蔽端帽13根部结合点的电场。本发明实体电阻采取触指弹簧12连接、端部屏蔽等措施，确保了电阻整体耐压水平。

下面以快直线型变压器驱动源模块为例，进行详细。快直线型变压器驱动源模块二分之一单元结构如图2所示，整个模块由32个放电支路组成，每个放电支路包括两支电容器25和1支电触发气体开关22，充电电阻2采用丝绕电阻，布置于两支路电触发气体开关之间，分为上下两排；全固态触发隔离电阻1采用陶瓷实体电阻，从模块环壁上的触发线连接至电触发气体开关22的触发电极上。

全固态触发隔离电阻结构如图3所示，主要由电阻基体11、触指弹簧12和屏蔽端帽13三部分组成。电阻基体11为陶瓷掺杂石墨材料压制而成，整体呈圆柱形，直径15mm、轴向长度150mm；电阻基体11两端面以及端部柱面10mm距离内均采取了金属镀膜处理，材料为银、厚度50μm，用以提高电阻基体11与触指弹簧12之间的电接触特性。屏蔽端帽13长度为15mm、外直径30mm、内直径15.5mm、深度12mm，距离屏蔽端帽13环形边缘4mm位置处设置有一环形凹槽，其截面呈梯形，梯形的上底长度为4mm、下底长度为6mm、高度为3mm，用于放置触指弹簧12；触指弹簧12为铍铜材料、丝直径1.0mm，截面为椭圆结构，长轴为5mm、短轴为4mm、倾角10°。触指弹簧12装配至屏蔽端帽13后突出高度约介于0.8mm至1.0mm之间(触指弹簧12的内径小于轴向凹槽14半径0.8mm～1.0mm)，以确保插接条件下屏蔽端帽13与电阻基体14的良好电接触。