带隔离保护的100kV级重频高压脉冲触发器及其隔离保护方法与流程

本发明具体涉及一种带隔离保护的100kv级重频高压脉冲触发器及其隔离保护方法。

背景技术：

1、重频高压纳秒级脉冲触发器广泛应用于加速器物理、高功率微波、脉冲功率技术、高能激光技术等领域。重频高压纳秒级脉冲触发器输出幅值高达100kv级、前沿时间为ns级的电压脉冲，通常用于触发高压气体开关，使其强制触发导通；高压气体开关被触发导通后，其主回路的储能电容会通过高压气体开关快速放电。当高压气体开关主回路放电出现异常时，可能会在高压气体开关触发电极上形成100～200kv级瞬态过电压，该过电压通过触发电极反向施加到重频高压纳秒级脉冲触发器的电路中，使得重频高压纳秒级脉冲触发器电路沿线的各电路器件承受严酷的瞬态过电压、过电流冲击，同步形成电磁传导干扰影响重频高压纳秒级脉冲触发器正常工作，严重时会使得重频高压纳秒级脉冲触发器功率半导体器件过压击穿、过流烧毁、误启动、电路短路等严重事故，导致重频高压纳秒级脉冲触发器的安全可靠性和使用寿命大大降低。

2、可饱和脉冲变压器的重频高压纳秒级脉冲触发器，是一种利用可饱和脉冲变压器磁芯非饱和状态进行脉冲升压，同时利用磁芯饱和后可饱和脉冲变压器的次级绕组作为磁开关，将次级高压电容的储能以ns脉冲的形式快速释放到高压气体开关触发电极上。其虽然利用可饱和脉冲变压器将高压电路和低压电路隔离开，但由于可饱和脉冲变压器的磁芯饱和维持状态不确定、不持久，异常工况下高压气体开关触发电极上的200kv级瞬态过电压，仍然会通过可饱和脉冲变压器的次级高电压电路反向耦合传导到初级绕组，造成重频高压纳秒级脉冲触发器初级回路半导体开关过压击穿、过流短路、误触发，甚至导致重频高压纳秒级脉冲触发器的前级供电外部直流电源掉电、断电和损坏。通常，在重频高压纳秒级脉冲触发器的高压输出端串联隔离电感或限流电阻，以此来削弱高压气体开关触发电极上的瞬态过电压的反向耦合损伤，但效果十分有限。在重频高压纳秒级脉冲触发器高压输出两端并联滤波电容，可以将反向耦合的气体开关触发电极瞬态过电压脉冲滤掉，但是该方法要获得明显效果，滤波电容取值需高达nf～μf级，这将严重拉低重频高压纳秒级脉冲触发器的正常输出触发脉冲电压水平，因此并联滤波电容方案并不适用。

3、基于可饱和脉冲变压器的重频高压纳秒级脉冲触发器，其隔离保护方法必然是一套综合考虑各种防护因素的组合式隔离保护方案。但目前并未见相关隔离保护方案的公开研究报道。因此，探索出一种重频高压纳秒级脉冲触发器隔离保护方法，解决重频高压纳秒级脉冲触发器的初级绕组的安全隔离保护和电磁兼容难题，具有非常重要的现实意义和应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有重频高压纳秒级脉冲触发器难以实现初级绕组的安全隔离保护和电磁兼容的技术问题，而提供了一种带隔离保护的100kv级重频高压脉冲触发器及其隔离保护方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种带隔离保护的100kv级重频高压脉冲触发器，其特殊之处在于：包括重频高压纳秒级脉冲触发电路、第一限流隔离电路、滤波电路、定向电路、分流泄压电路以及第二限流隔离电路；

4、重频高压纳秒级脉冲触发电路包括初级电容cp、初级触发开关s、可饱和脉冲变压器spt、次级电容cs以及次级接地电感lgs；

5、滤波电路连接在外部直流电源正极和负极之间；

6、第一限流隔离电路一端与初级电容cp一端、初级触发开关s一端连接，第一限流隔离电路另一端与外部直流电源正极连接；

7、分流泄压电路的两端分别与可饱和脉冲变压器spt的初级绕组高压端和低压端连接；

8、定向电路一端与初级电容cp另一端连接，定向电路另一端与可饱和脉冲变压器spt的初级绕组高压端连接；

9、可饱和脉冲变压器spt的初级绕组低压端、初级触发开关s另一端均与外部直流电源负极连接；初级触发开关s的控制端连接外部触发信号；

10、次级电容cs一端与可饱和脉冲变压器spt的次级绕组高压端连接，另一端与第二限流隔离电路的一端、次级接地电感lgs一端连接；

11、次级接地电感lgs另一端、可饱和脉冲变压器spt的次级绕组低压端均与输出地连接；

12、第二限流隔离电路的另一端作为输出高压端与负载连接。

13、进一步地，所述可饱和脉冲变压器spt的磁芯非饱和状态下的升压比为1:n，n取值大于1；初级电容cp的取值为大于等于1.5n2倍次级电容cs的取值。

14、进一步地，所述第一限流隔离电路包括依次连接的限流电阻r0、隔离电感l0及防反流隔离二极管d0；限流电阻r0一端与外部直流电源正极连接；防反流隔离二极管d0阴极与初级电容cp和初级触发开关s相连的一端连接。

15、进一步地，所述分流泄压电路包括二极管dp1与限流电阻rip；二极管dp1的阳极与可饱和脉冲变压器spt的初级绕组高压端连接，阴极与限流电阻rip一端连接；限流电阻rip另一端与可饱和脉冲变压器spt的初级绕组低压端连接。

16、进一步地，所述定向电路包括正向二极管dp2、反向二极管dp3及隔离电感lip；正向二极管dp2的阴极与隔离电感lip一端连接；正向二极管dp2的阳极、反向二极管dp3的阴极均与初级电容cp另一端连接；反向二极管dp3的阳极、隔离电感lip另一端均与可饱和脉冲变压器spt的初级绕组高压端连接。

17、进一步地，所述滤波电路包括滤波电容cg0、滤波电容cg1及滤波电容cg2；滤波电容cg0一端、滤波电容cg1一端均与外部直流电源正极连接，滤波电容cg0另一端与外部直流电源负极连接；滤波电容cg2一端与外部直流电源负极连接，另一端与滤波电容cg1的另一端连接，并且接地。

18、进一步地，所述第二限流隔离电路包括依次连接的限流电阻rsi和隔离电感lsi；限流电阻rsi的一端与次级电容cs另一端连接；隔离电感lsi的一端作为输出高压端与负载连接。

19、进一步地，所述n＝48；防反流隔离二极管d0的开通和关断时间小于等于100ns；二极管dp1的开通和关断时间均小于等于100ns，二极管dp1的通流大于等于2ka；正向二极管dp2、反向二极管dp3的开通和关断时间均小于等于100ns，正向二极管dp2、反向二极管dp3的通流均大于等于2ka；限流电阻rsi和隔离电感lsi的耐压均大于等于50kv/1μs。

20、同时，本发明还提供了一种上述带隔离保护的100kv级重频高压脉冲触发器的隔离保护方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

21、1】外部直流电源通过第一限流隔离电路向初级电容cp充电；

22、2】外部触发信号控制初级电容cp放电，可饱和脉冲变压器spt的磁芯处于非饱和状态，其次级绕组升压对次级电容cs充电，当次级电容cs充电达到峰值时，可饱和脉冲变压器spt的磁芯饱和，其次级绕组导通，此时，次级电容cs通过次级绕组放电，产生高压触发脉冲，通过第二限流隔离电路施加到负载触发电极上，实现触发电极重频触发导通；负载运行过程中产生的高压脉冲通过第二限流隔离电路限流和隔离后，施加到可饱和脉冲变压器spt的次级，然后耦合传导到可饱和脉冲变压器spt的初级，再通过分流泄压电路、定向电路进行保护。

23、进一步地，所述可饱和脉冲变压器spt的磁芯非饱和状态下的升压比为1:n，n取值大于1；初级电容cp的取值为大于等于1.5n2倍次级电容cs的取值。

24、本发明的有益效果：

25、1、本发明一种带隔离保护的100kv级重频高压脉冲触发器，解决了高压纳秒级脉冲触发器初级绕组的安全隔离保护和电磁兼容难题，实现了100kv级重频高压脉冲触发器安全可靠稳定运行，显著提高了重频高压纳秒级脉冲触发器重频连续无故障运行寿命及其前级供电电源的安全可靠性。

26、2、本发明一种带隔离保护的100kv级重频高压脉冲触发器，通过串接限流电阻rsi和隔离电感lsi，初级绕组高压端串接正向二极管dp2、反向二极管dp3及隔离电感lip，可饱和脉冲变压器spt的初级绕组高压端和低压端并联分流泄压电路，触发器输入供电母线正端串接限流电阻r0、隔离电感l0及防反流隔离二极管d0以及触发器输入供电母线负端并联滤波电容，可使重频高压纳秒级脉冲触发器在各种工况下安全可靠运行10万脉冲以上。

27、3、本发明一种带隔离保护的100kv级重频高压脉冲触发器的隔离保护方法，安全可靠、可大幅提升重频高压纳秒级脉冲触发器工作寿命。