专利名称：在由n个级电容组成的马克思发生器中的触发/点火装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及马克思发生器(Marx-Generator)上的触发/点火装置，该发生器由n个级电容(n为大于1的自然数)、同样多的开关/火花隙、以及2(n-1)个充电支路组成，其中该发生器的火花隙工作于自击穿方式。在单极输出电压时，该发生器通常具有与级电容相同多的火花隙。在最简单的结构中，该火花隙工作于自击穿方式。在每个火花隙上，除输出侧的火花隙外，连接有两个充电支路，也即在火花隙的两个端子中的每一个上各连接一个。由此在n级的马克思发生器中一共有2(n-1)个充电支路。于是，在每个级电容上的充电电压为U的情况下，在击穿时在马克思发生器的输出上产生一个峰值为n*U的电压脉冲。
可控地点燃的马克思发生器具有三电极火花隙，或者具有点火极类似于火花塞的火花隙，也称为引燃管原理。这种马克思发生器大都工作于单脉冲工作模式。为了触发重复工作的马克思发生器，试图按照所谓的小烧损原理来最小化火花隙(参见/1/)，或者通过优化的点火发生器来使触发工作更加可靠(参见/2/)。另外，还试验了激光触发方法(参见/3/)或者采用半导体开关来代替火花隙(参见/4/)。另一种触发可能性是电压反转，LC-马克思发生器的原理。在/5/中讲述了该原理的一种变型，其中采用变压器来在各级之间进行耦合。另外也有工作致力于针对空转运行而优化火花隙的自击穿(参见/6/)。
可触发的火花隙中的点火电极根据其暴露的位置而经受提高的负荷。此外，可触发的火花隙的机械结构比工作于自击穿方式的火花隙要更为费事。
本发明基于的任务在于，尤其在重复工作方面无磨损地在火花隙的自击穿中和在规定的时间点有针对性地点燃重复工作的马克思发生器。
该任务通过权利要求1的特征部分所说的触发/点火装置来解决。
所述的触发/点火装置原则上由至少一个连接在脉冲发生器上的脉冲变压器组成。对于所述马克思发生器的充电支路，在其利用所分配的级电容跨接在除该马克思发生器输出侧的火花隙外的火花隙上的至少一个充电支路中，具有一个这样的脉冲变压器。该变压器的输出绕组或二次绕组或过压侧绕组在充电期间作用为或一同作用为充电线圈/电感。该脉冲变压器的输入绕组或一次绕组或欠压侧绕组被连接在所述的脉冲发生器的输出上。在脉冲发生器的点火/触发期间，在该脉冲变压器的输出绕组中产生一个电压脉冲，该电压脉冲被加到所分配的级电容的充电电压上，而且在相应的极性情况下短时地在所述电压脉冲上升期间于该火花隙上产生一个足以自击穿的过电压。
在从属权利要求2-13中讲述了用于触发火花隙的装置的可能实施方案，其一方面促使可靠地点火马克思发生器，另一方面使构造能够经济。
根据是被用于重复工作还是单次工作，马克思发生器可以用两种方式构造。
对于重复工作，根据权利要求2被证明是可行的是，在所述的充电支路设有一个充电线圈，并且其中至少有一个充电线圈被补充到所述的脉冲变压器上。为了使电隔离费用不超限或保持得低，至少在接地侧的充电支路上有这种被补充/扩充到脉冲变压器上的充电线圈。
如果所述马克思发生器通过充电电阻充电，则在至少一个充电支路中有一个脉冲变压器。其输出绕组便选择性地与该充电电阻直接串联或并联(权利要求3)。
在马克思发生器中，除输出侧火花隙外的所有火花隙都双重地通过一个充电支路和所分配的级电容被跨接。在火花隙的两个端子上始终连接一个充电支路。根据权利要求4，所述的触发/点火装置被构造成在所述的两个充电支路分别装入一个脉冲变压器。原则上，这可以是在(n-1)个火花隙的每一个上，又为了限制隔离费用，优选地是在电位最低的火花隙上。
根据权利要求5，所述两个脉冲变压器的输入绕组相互电串联，并被连接到共同的脉冲发生器上。根据权利要求6，所述两个脉冲变压器的输入绕组相互并联地连接到脉冲发生器上。根据权利要求7，每个输入绕组被连接到其/各自的脉冲发生器上，这样的费用较高。
可以不同地控制所述的脉冲发生器。根据权利要求8或9，进行电连接或分别通过一个光导纤维来连接。在后一种情况，至少脉冲变压器在隔离结构上完全相同。如每个脉冲变压器具有自己的脉冲发生器，那么每个级上的结构单元“脉冲变压器-脉冲发生器”在隔离技术上相同。
所述的脉冲发生器和所连接的输入绕组可以被不同地构造。根据权利要求10，可以被构造为一个可被快速关断的电流源，根据权利要求11被构造为电压源。在前一种情况，开关可以是一个或多个开关晶体管，如例如在奥托发动机的晶体管化的点火设备中所采用的一样。在后一种情况，为限制充电支路中的电流，还有一个扼流线圈串联在所述脉冲变压器的输出绕组上。
作为电压源，例如可以采用一个具有开关的电容(权利要求12)，或针对大功率而甚至采用一个自身也是马克思发生器的发生器，其在功率上小于该需要被运行的马克思发生器(权利要求12)。
为支持电气方面的工作可靠性，所述脉冲变压器的输入侧绕组的绕向被设置成由所述马克思发生器的放电电流上升在输入绕组中所感应的电压与输出绕组按照变压器原理所感应的电压是反向的(权利要求13)。
上述装置的优点相对于传统触发方法的优点一方面在于结构的简单和节省，另一方面还在于比传统三电极火花隙要小得多的磨损。由此可以给具有长期恒定的工作特性的设备提供一种马克思发生器。这对于工业应用中的可靠运行是不可或缺的。
下面借助附图来详细讲述多级马克思发生器上的用于触发至少一个工作于自击穿方式的火花隙的装置。附图中有三幅，其中
图1示出了具有第一火花隙的过电压触发的马克思发生器；图2示出了在两个充电支路中具有变压器的过电压触发；图3示出了由充电电流给触发电路供电；图4示出了触发过电压的示例曲线(100ns/Div.，2.5kV/Div.)。
在下面讲述的装置中，通过短时间施加过电压来实现这里譬如为三级的马克思发生器的第一火花隙FS1的击穿。这里所介绍的马克思发生器是用于重复的工作，因此装配有充电线圈L1-L4，这些线圈在充电阶段并联地接通电容C1-C3(参见图1-3)。在此，例如把接地侧的充电线圈L1补充到脉冲变压器上。通过该变压器产生的电压被加到第一级电容的充电电压上，并在合适的极性时在该极的火花隙FS1上产生过电压。该过电压于是在时间上有针对性地有助于火花隙FS1的自击穿。
由少量线圈组成的绕组被作为脉冲变压器L1的一次绕组或输入绕组。当一次脉冲电压具有合适高度，例如这里为6kV时，马克思发生器便可重复地在其静态点火电压下被点燃。
在通过充电线圈L1馈电时，充电线圈L2通过电容C2并联到火花隙FS 1上。在充电电容C2的电容大小可忽略的情况下，如此形成的感应式分压器由充电线圈L2和脉冲变压器L1的漏感组成，并相对于空转情况而降低了火花隙上的电压。相应地，必须馈给比空转情况更高的一次电压，而且用近可能高的电感来实施充电线圈L2。另一方面，在触发脉冲发生器的源阻抗小的情况下，L1的漏感不能被任意地缩小，因为否则在点燃马克思发生器之后，将会有提高的电流流经L1和所连接的触发脉冲发生器。
为了使触发采用尽可能低的功率，还可以把充电线圈L2扩充到脉冲变压器L2中来(参见图2)。为此，点火脉冲通过合适的一次侧的串联或并联电路(权利要求4或5)被同时地和以相同的极性馈入两个支路。由于两个支路在火花隙FS1点火之前是无电流的(除漏电容的小充电电流外)，火花隙FS1上的电压被降低脉冲变压器L1的漏感上的电感电压降，这不象第一种情况。但这种电路方案的缺点在于用于脉冲变压器L2的较高的隔离费用，该脉冲变压器另外需要针对级电压进行隔离。
当马克思发生器的充电电流被用来给触发单元馈电时，可以避免提高的隔离费用。为此，在充电期间，至少下一个触发脉冲的能量被暂存在一个合适的能量存储器、优选电容器中。图3示出了这种装置。在此，供电电源可以选择性地与所分配的充电线圈L1相串联或接通到相邻的支路(如在SV2处所示)。因此，与由在工作中不可再充电的电池供电相反，可以实现一种无维护的运行。出于隔离技术的原因，有益地利用光信号通过连接的光波导来实现触发。由供电电源、脉冲发生器和线圈组成的触发单元于是能够简单地被集成到马克思发生器的任何一个级中。因此，多个触发器的简单结构也能够尤其在大量级数的情况下把发生器的点燃特性限制在更小的时窗内。
图1-3简示的三级马克思发生器是一个例子，它在50kV标称级电压的情况下被设计为150kV的总充电电压。马克思发生器的在C1处的足点被接地。作为负载，这里采用欧姆负载电阻R1。由接通的发生器和负载的串联电路构成的主电流回路的在实际中通常不可忽略的、取决于结构的电感由于以下的考虑是不重要的，因此不再对其进行进一步讲述如在按常规方法触发的马克思发生器中一样，火花隙的静态击穿电压被调节为各级的充电电压上方约5-10％。根据帕申曲线，象通常一样通过变化电极间距和/或火花隙中的气压来进行所述的调节。在三个火花隙FS1-FS3点火之后，电容C1-C3被串联到负载R1上，这些电容通过该负载在主电流路径中进行放电。电流弱的放电旁路经过充电线圈L1-L4。最下方的级电容C1处于作为参考电位的地电位上。在充电过程中，所有三个级电容C1-C3通过电源NT经充电线圈L1-L4以不可控的起始限制电流或例如300mA的恒定电流而被充电到例如为50kV的级电压。为了试运行，电源的输出电压被限制在50kV的充电末电压。作为电源可以采用商用的电容充电器或直流电源。图1中，在被扩充到脉冲变压器中去的、位于输入绕组处的点火充电线圈上，在由电压源馈电的情况下施加一个峰值例如约为6kV的电压脉冲，以及在用电流源馈电的另一种设计情况下施加一个在例如约300ns内从例如120A下降到0A的电流脉冲，该电流脉冲在脉冲变压器的输出绕组上为充电线圈产生一个上升到直至击穿火花隙的电压脉冲。图4示例地示出了这种电压脉冲曲线，火花隙的动态击穿电压值在此为12.5kV。这种测量已经在检验触发电路期间在马克思发生器之外被进行。由于所采用的欧姆/阻尼容性测量分压器的反作用，在这种测量中的电压上升要慢于在运行中没有连接测量分压器的情况。在试验工作中，火花隙是简单的球形火花隙，对于工业设备中有严格要求的工作，尤其因为长期恒定的工作特性，火花隙的泡罩将具有例如一种无烧损的轮廓、边缘轮廓(Borda-Profil)(参见例如DE10203649)。
在该实施例中举出的数据涉及以所述方式触发的马克思发生器的具体实施方案。原则上，新的触发器方法也可以被用于级电压为几kV到几百kV的马克思发生器，尤其是具有更多级数的马克思发生器。
文献/1/McPhee等人The Design and Electrostatic Modelling ofa High Voltage，Low Jitter Trigatron For Repetitive Operation，IEE，1995/2/Wang等人A Compact Repetitive Marx Generator，IEEE，1999/3/KelloggA Laser-Triggered Mini-Marx For Low-JitterHigh-Voltage Applications，IEEE，1999/4/Frost等人Ultra-Low Jitter Repetitive Solid StatePicosecond Switching，IEEE，1999/5/Engel，KristiansenA Compact High Voltage VectorInversion Generator，IEEE/6/Turnbull等人The Repetitive Operation of a Sparc GapColumn，IEEE，199权利要求
1.马克思发生器上的触发/点火装置，该发生器由n个级电容、同样多的开关/火花隙、以及2(n-1)个充电支路组成，其中该发生器的火花隙工作于自击穿方式，n为大于1的自然数，其特征在于所述的触发/点火装置由至少一个连接在脉冲发生器上的脉冲变压器组成，对于所述马克思发生器的充电支路，在其利用所分配的级电容跨接在除输出侧火花隙外的火花隙上的至少一个充电支路中，具有一个脉冲变压器，该脉冲变压器的输出绕组在充电期间作用为或一同作用为充电线圈/电感，而且该脉冲变压器的输入绕组被连接在所述的脉冲发生器上，使得利用该脉冲变压器在脉冲发生器的点火/触发期间所产生的电压脉冲被加到所分配的级电容的充电电压上，而且在相应的极性情况下在所述电压脉冲上升期间于该火花隙上产生一个足以自击穿的过电压。
2.如权利要求1所述的触发/点火装置，其特征在于所述马克思发生器的充电支路分别只有一个充电线圈，并且其中至少有一个充电线圈被补充到所述的脉冲变压器上。
3.如权利要求1所述的触发/点火装置，其特征在于所述马克思发生器的充电支路分别具有一个充电电阻，并且在至少一个充电支路中有一个脉冲变压器利用其输出绕组与该充电电阻直接串联或并联。
4.如权利要求2和3之一所述的触发/点火装置，其特征在于分别与一个火花隙的端子相连的两个充电支路分别已装入一个脉冲变压器。
5.如权利要求4所述的触发/点火装置，其特征在于所述两个脉冲变压器的输入绕组相互串联，并被连接到共同的脉冲发生器上。
6.如权利要求4所述的触发/点火装置，其特征在于所述两个脉冲变压器的输入绕组相互并联，并被连接到共同的脉冲发生器上。
7.如权利要求4所述的触发/点火装置，其特征在于所述两个脉冲变压器的输入绕组分别被连接到一个脉冲发生器上。
8.如权利要求5-7之一所述的触发/点火装置，其特征在于所述的脉冲发生器与一个控制装置电连接。
9.如权利要求5-7之一所述的触发/点火装置，其特征在于所述的脉冲发生器通过一个光导纤维与一个控制装置相连接。
10.如上述权利要求之一所述的触发/点火装置，其特征在于所述的脉冲发生器和所连接的输入绕组是一个电流源，并且通过该电流源的电流可被快速关断。
11.如权利要求1-9之一所述的触发/点火装置，其特征在于所述的脉冲发生器是一个电压源，而且有一个扼流线圈串联在所述脉冲变压器的输出绕组上。
12.如权利要求11所述的触发/点火装置，其特征在于所述的电压源是一个具有开关的电容，或是一个在功率上小于该需要被运行的马克思发生器的马克思发生器。
13.如上述权利要求之一所述的触发/点火装置，其特征在于所述脉冲变压器的输入侧绕组的绕向被设置成由所述马克思发生器的放电电流上升在输入绕组中所感应的电压与在输出绕组中所感应的电压是反向的。
全文摘要
建议马克思发生器上的一种触发/点火装置，该发生器由n个级电容、同样多的开关/火花隙、以及2(n－1)个充电支路组成，其中该发生器的火花隙工作于自击穿方式，n为大于1的自然数。所述的触发/点火装置由至少一个连接在脉冲发生器上的脉冲变压器组成。在所述马克思发生器的至少一个充电支路中定时短期地在邻接的火花隙上产生一个足以自击穿的过电压。该充电支路利用所分配的级电容跨接在除输出侧火花隙外的火花隙上。该脉冲变压器的输出绕组在充电期间作用为充电线圈/电感，输入绕组被连接在所述的脉冲发生器上。利用该脉冲变压器在脉冲发生器的点火/触发期间所产生的电压脉冲被加到所分配的级电容的充电电压上，而且短期地产生用于邻接的火花隙的自击穿的必要过电压。
文档编号H02M7/04GK1784830SQ200480012509
公开日2006年6月7日 申请日期2004年4月17日 优先权日2003年5月8日
发明者M·萨克 申请人:卡尔斯鲁厄研究中心股份有限公司