一种特斯拉升压脉冲源与方法与流程

本发明涉及一种高压脉冲源与方法，特别是一种特斯拉变压器升压用于脉冲辐射源与注入源的装置与方法。

背景技术：

信息化社会，电磁脉冲对电子信息设备产生巨大威胁。常见的电磁脉冲主要有雷电电磁脉冲和核电磁脉冲，尤其是核电磁脉冲威胁最大。国际电工委员iec61000-2-9标准和美国军用标准mil-std-461、mil-std-188-125中规定电磁脉冲波形和试验方法。为了研究电磁脉冲对电子信息设备的效应，人们常常建造各种电磁脉冲源来模拟。脉冲源的电压从几十千伏到几百千伏，甚至更高。随着电子电工技术的发展，各种电磁脉冲模拟技术得到极大发展。有界波电磁脉冲模拟器是产生垂直极化电磁脉冲电场的模拟装置，能够产生高空核电磁脉冲地面环境，广泛应用于辐射敏感度研究、屏蔽效能研究、电缆耦合效应研究和生物效应研究等。从近些年来颁布的hemp标准波形看，电磁脉冲波形上升时间越来越快，高频分量所占的份量越来越多。国际电工委员iec61000-2-9标准和美国军用标准mil-std-461e中规定的核电磁脉冲波形，脉冲前沿tr（10%~90%）为1.8ns~2.8ns，半峰宽为23±5ns，峰值电场强度为50kv/m。mil-std-188-125中规定短脉冲注入电流的脉冲前沿tr（10%~90%）小于20ns，半峰宽为500~550ns。这两种脉冲源电压幅度高达250~350kv，传统的升压方法是使用marx方案，实现起来很复杂，调试也很困难。marx升压方案是用多个脉冲电容与开关串联，通过充电电路、接地电路和触发电路巧妙地实现对脉冲电容并联充电、串联放电达到升压。这种升压方案的充电电路、接地电路和触发电路很复杂，调试安装过程中稍有不合适就不能成功，脉冲发不出来，升压效率不高，通常效率在70~80%左右，而且建造成本也很高。

技术实现要素：

针对现有的高压脉冲源所存在的问题和不足，本发明的目的是设计一种特斯拉变压器升压的脉冲源与方法，实现电磁脉冲辐射与注入的简便、高效、可靠，并降低成本。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种特斯拉升压脉冲源，包括依次连接的脉冲发生器、特斯拉变压器、峰化电容、自击穿开关、辐射器或传导注入器，其特征在于，所述的脉冲发生器产生的脉冲经特斯拉变压器升压后给峰化电容充电，峰化电容电压升到一定数值后，自击穿开关导通，给辐射器或传导注入器传送高压脉冲。

所述的脉冲发生器包括依次连接的直流高压源、充电隔离电阻、储能电容、放电开关。

所述的特斯拉变压器的初级线圈与脉冲发生器的储能电容构成初级谐振电路，特斯拉变压器的次级线圈与峰化电容构成次级谐振电路。

所述的初级谐振电路中包围着可调位置磁芯，通过调整可调位置磁芯使初级谐振电路的谐振频率等于次级谐振电路谐振频率。

所述的自击穿开关，包括圆柱状的绝缘封闭支撑外壳、固定电极、可调电极、油介质与气体介质两层组合绝缘介质。

所述的自击穿开关的可调电极，由安装有光电位置检测的气动分度盘来调节。

所述的传导注入器，在其始端安装脉冲源内阻，紧挨内阻安装有高频罗氏线圈与低频罗氏线圈测量注入器的注入电流，高频罗氏线圈与低频罗氏线圈的输出连接匹配网络，通过匹配网络输出兼顾高频与低频的宽频率范围注入电流的监测信号。

所述的辐射器采用紧凑结构与自击穿开关连接，辐射器可以是垂直极化的有界波模拟器，也可以是水平极化的辐射波模拟器。

用特斯拉升压脉冲源产生高电压脉冲的方法包括以下步骤：

（1）按照脉冲波形要求和特斯拉变压器的谐振条件设计特斯拉升压脉冲源的参数，并按下面两步来调整：

a.断开初级谐振电路，人为断开峰化电容与特斯拉变压器的连接，对峰化电容充上低电压，再瞬间接上峰化电容与特斯拉变压器，产生衰减振荡波，测量衰减振荡波的周期，得到次级谐振电路的谐振频率；

b.断开次级谐振电路，边测量初级谐振电路的谐振频率，边调整可调位置磁芯，直到初级谐振电路的谐振频率等于次级谐振电路的谐振频率；所述的测量初级谐振电路的谐振频率，是指给脉冲发生器的储能电容充上低电压，瞬间合上脉冲发生器的放电开关产生衰减振荡波，测量衰减振荡波的周期，得到初级谐振电路的谐振频率；

步骤（1）只需做一次，以后的使用过程就不需要；

（2）通过气动控制气动分度盘来设置自击穿开关的可调电极的位置，并由光电位置检测器来测量其位置，给脉冲发生器充电产生不同电压的脉冲以测试自击穿开关在不同电极位置下的自击穿电压，并加以记录，形成自击穿电压与电极位置的对应表；

步骤（2）也只需做一次，以后的使用过程就不需要；

（3）由所需产生脉冲的电压来查询步骤（2）形成的自击穿电压与电极位置的对应表，通过气动控制来设置电极位置，给脉冲发生器充电后闭合放电开关发出合适的脉冲，再由特斯拉变压器升压经自击穿开关击穿后产生所需高电压的脉冲。

本发明的特斯拉升压脉冲源原理如下：

高压脉冲源的难题主要有两个：一个是升压难题，另一个是脉冲波形前沿陡化的难题。

特斯拉变压器对脉冲升压的关键是初级谐振电路的谐振频率等于次级谐振电路的谐振频率，不管怎样设计，实际制作出来的参数会有偏差，达不到谐振升压的目的。本发明通过在初级谐振电路中设置一个可调位置磁芯实现对初级谐振电路电感值的调整，最终实现初级谐振电路的谐振频率等于次级谐振电路的谐振频率。本发明利用电容充上低电压然后对电感线圈瞬间放电的办法产生衰减振荡波，通过测量该衰减振荡波的周期获得谐振电路的谐振频率，给参数调整提供参考。这样就解决了高压脉冲源的谐振频率调整难题，实现了特斯拉变压器对脉冲的谐振升压，解决升压难题。

本发明采用峰化电容与自击穿开关配合来对脉冲波形前沿陡化。而对高压自击穿开关来说，提高其耐压和降低其导通电感是一对矛盾。油的绝缘性能比气体的好，但稳定性不如气体，而气体特别是sf6气体的稳定性很好，但绝缘性不如油。本发明采用油与气体两层组合绝缘介质，充分利用这两种绝缘介质的优点，提高绝缘性能并降低开关的导通电感。由于电极间的自击穿电压与电极间的间距相关，因此需要调整电极间距。本发明设置一个可调电极来调整电极间距。为了能够自动调整，通过气动分度盘的旋转来调整可调电极，而调整后的位置感知由安装在气动分度盘的光电检测来测量。

脉冲源作为传导注入源时，需要测量传导注入的电流，该电流的频率范围非常宽，传统测量脉冲电流的罗氏线圈的频率响应要么偏低，要么偏高，达不到要求。本发明采用高频罗氏线圈与低频罗氏线圈连接匹配网络实现对脉冲注入电流宽频率范围的测量。

脉冲源作为辐射源时，要求脉冲波形的前沿更陡。本发明采用紧凑结构来减小电路的分布电感，以产生更陡前沿的脉冲。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、采用特斯拉变压器对脉冲升压，结构更简单，成本更低。

2、采用可调位置磁芯调整特斯拉变压器的谐振频率，调整简单容易，实现谐振升压。

3、采用气动分度盘的来调整可调电极，实现不同电压脉冲的自击穿，方便调整，易于实现自动控制。

4、采用气动按制可调电极和光电位置检测，克服高电压与电磁干扰的问题。

5、采用一层油与一层气体组合作为绝缘介质，充分利用这两种绝缘介质的优点，提高绝缘性能并降低开关的导通电感，更易实现高压脉冲陡化。

6、采用高频罗氏线圈与低频罗氏线圈连接匹配网络实现对脉冲注入电流宽频率范围的测量。

7、脉冲源内阻安装在传导注入器的始端，有效地降低了注入器后续部件的耐受高电压的要求。

附图说明

图1是本发明的特斯拉升压脉冲源原理图；

图2是本发明的传导注入器原理图；

图3是本发明的辐射器示意图；

图4是本发明的自击穿开关示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来对本发明作进一步详细说明。

实施例：参考图1、图2和图3，一种特斯拉升压脉冲源，包括依次连接的直流高压源1、充电隔离电阻2、储能电容3、放电开关4、特斯拉变压器6、峰化电容7、自击穿开关8、传导注入器20或辐射器21。所述的直流高压源1、充电隔离电阻2、储能电容3、放电开关4构成脉冲发生器。所述的脉冲发生器产生的脉冲经特斯拉变压器6升压后给峰化电容7充电，峰化电容7电压升到一定数值后，自击穿开关8导通，给传导注入器20或辐射器21传送高电压脉冲。

所述的特斯拉变压器6的初级线圈与脉冲发生器的储能电容3构成初级谐振电路，特斯拉变压器6的次级线圈与峰化电容7构成次级谐振电路。

所述的初级谐振电路中包围着可调位置磁芯5，通过调整可调位置磁芯5使初级谐振电路的谐振频率等于次级谐振电路谐振频率。

所述的自击穿开关8有可调电极9，其由安装有光电位置检测器14的气动分度盘10来调节。气动控制器12通过气管11控制气动分度盘10的转动，从而带动可调电极9上升或下降；光电位置检测器14由全介质光纤13来传输和接收光信号，检测气动分度盘10上的通孔，从而感知气动分度盘10所旋转的位置以及与其连接的可调电极9的间距。

参考图2，所述的传导注入器20，在其始端安装脉冲源内阻15，紧挨内阻15安装有高频罗氏线圈16与低频罗氏线圈17测量注入电流，高频罗氏线圈16与低频罗氏线圈17的输出连接匹配网络19，通过匹配网络19输出兼顾高频与低频的宽频率范围注入电流的监测信号。传导注入器20通过其输出端的耦合器18将注入电流耦合到被注电缆。

参考图3，所述的辐射器21的两极分别采用紧凑结构与自击穿开关8及峰化电容7连接，辐射器21可以是垂直极化的有界波模拟器，也可以是水平极化的辐射波模拟器。

参考图4，所述的自击穿开关8，包括圆柱状的绝缘封闭支撑外壳22、固定电极23、可调电极9、油介质24与气体介质25两层组合绝缘介质。

用特斯拉升压脉冲源产生高电压脉冲的方法包括以下步骤：

（1）按照脉冲波形要求和特斯拉变压器6的谐振条件设计特斯拉升压脉冲源的参数，并按下面两步来调整：

a.断开初级谐振电路，人为断开峰化电容7与特斯拉变压器6的连接，对峰化电容7充上低电压，再瞬间接上峰化电容7与特斯拉变压器6，产生衰减振荡波，测量衰减振荡波的周期，得到次级谐振电路的谐振频率；

b.断开次级谐振电路，边测量初级谐振电路的谐振频率，边调整可调位置磁芯5，直到初级谐振电路的谐振频率等于次级谐振电路的谐振频率；所述的测量初级谐振电路的谐振频率，是指给脉冲发生器的储能电容3充上低电压，瞬间合上脉冲发生器的放电开关4产生衰减振荡波，测量衰减振荡波的周期，得到初级谐振电路的谐振频率；

步骤（1）只需做一次，以后的使用过程就不需要；

（2）通过气动控制器12控制气动分度盘10来设置自击穿开关8的可调电极9的位置，并由光电位置检测器14来测量其位置，给脉冲发生器充电产生不同电压的脉冲以测试自击穿开关8在不同电极位置下的自击穿电压，并加以记录，形成自击穿电压与电极位置的对应表；

步骤（2）也只需做一次，以后的使用过程就不需要；

（3）由所需产生脉冲的电压来查询步骤（2）形成的自击穿电压与电极位置的对应表，通过气动控制来设置电极位置，给脉冲发生器充电后闭合放电开关4发出合适的脉冲，再由特斯拉变压器6升压经自击穿开关8击穿后产生所需高电压的脉冲。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此技术领域的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。