CN101588672B

CN101588672B - 一种二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路

Info

Publication number: CN101588672B
Application number: CN 200910022925
Authority: CN
Inventors: 杨兰均; 杜修明; 陈立; 刘鹏; 童金禄; 袁均祥
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xi'an Xijiao Ruili Electric Research Institute Co., Ltd.
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2009-06-11
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: CN101588672A

Abstract

本发明涉及大功率固体激光器氙灯泵浦的初级电源，公开了一种应用于大功率固体激光器氙灯泵浦的初级电源中的二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路。它包括：泄放电阻，连接在Marx触发器的输出端和二电极气体开关的阴极端之间的串联的隔直电容和放电间隙，所述泄放电阻的一端连接在隔离电容和放电间隙的公共节点，另一端连接在隔离电容的另一端或者直接接地。本发明主要解决了驱动大功率脉冲氙灯时，氙灯预电离回路的脉冲电压与触发主放电回路二电极气体开关的Marx触发器之间的隔离问题，保证大功率脉冲氙灯主放电回路的二电极气体开关触发与氙灯的预电离能够相互正常配合，使脉冲氙灯可靠运行。

Description

一种二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路

技术领域

本发明涉及大功率固体激光器氙灯泵浦的初级电源，特别涉及一种应用于大功率固体激光器氙灯泵浦的初级电源中的二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路。

背景技术

在强激光氙灯泵浦的初级电源***中，开关负责将能量从储能***传递到大功率脉冲氙灯负载，是整个初级电源***的关键部件。目前广泛应用的开关是引燃管，但随着强激光初级电源***向更大储能的发展，引燃管的通流能力已经无法满足需求，且自击穿几率较大，已不适合更大储能的初级电源***对开关的高可靠性要求。

二电极气体开关具有通流能力强、寿命长、工作稳定、没有重金属汞污染的优点。二电极气体开关在工作过程中需要一个幅值高、前沿陡的触发脉冲电压击穿气体开关的电极间隙使开关导通。

在大电流通过脉冲氙灯时，为了防止由于电流上升速率过快而导致氙灯被损坏，需采用一个预电离脉冲电压先击穿脉冲氙灯的长气体间隙，在脉冲氙灯中产生高电导的等离子体，为几百微秒后的大脉冲电流做好准备，增加预电离过程后，脉冲氙灯在通过大电流时的可靠性和寿命得以提高，另一方面如果没有预电离过程，脉冲氙灯存在导通延时，增加预电离过程后，脉冲氙灯的导通延时几乎不存在，预电离产生的等离子体使得脉冲氙灯后续放电稳定，多只脉冲氙灯放电的同步性增强，提高了激光放大器的效率。图1所示为未采用预电离技术的二电极气体开关大功率固体激光器初级电源的常用电路，其中Marx触发器作为二电极气体开关点火导通的触发器。

采用预电离技术可以大大提高大功率脉冲氙灯工作的可靠性和寿命，但是在预电离脉冲的作用下如果不采取隔离措施，如图1所示，虚框内为产生预电离脉冲的电源，增加预电离脉冲后，由于预电离脉冲是一个幅值40kV左右，上升前沿us级别的正脉冲，将直接作用在Marx触发器输出端，Marx触发器电路图如图2所示，其正常工作时充13kV左右正向直流高压，当正的预电离脉冲通过隔直电容后，由于电容电压不能突变，最后一级球隙将瞬时承受50kV以上的高压脉冲而直接击穿，同理球隙将依次反向顺序击穿，高压快Marx发生器反向导通后将出现误动作而输出高压脉冲，导致二电极气体开关被误触发，从而使预电离脉冲与主回路脉冲同时加在脉冲氙灯上，脉冲氙灯必然***，因此必须采取相应的隔离预电离脉冲的保护电路，以保证二电极气体开关触发过程与脉冲氙灯的预电离过程相互正常配合，也就是增加主放电对预电离脉冲的延迟时间，使得在主放电气体开关导通时，大功率脉冲氙灯仍维持导通，而预电离开关已断开，这样预电离支路电容器不会发生被反向充电的振荡，大电流驱动的脉冲氙灯可靠运行。

发明内容

针对现有技术的二电极气体开关在工作过程中MARX触发器可能出现的误动作及可靠性不高的问题，本发明的目的在于提供一种二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路，采用该输出保护电路，能有效将预电离脉冲与Marx触发器隔离，保证MARX触发器低的误动作概率及高的工作可靠性。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路，其特征在于，包括：泄放电阻，连接在Marx触发器的输出端和二电极气体开关的阴极端之间的串联的隔直电容和放电间隙，所述泄放电阻的一端连接在隔离电容和放电间隙的公共节点，另一端连接在隔离电容的另一端或者直接接地。

本发明的进一步改进在于：

所述隔直电容的另一端通过谐振电感连接在二电极气体开关的阴极端，放电间隙的另一端连接在Marx触发器的输出端。

所述放电间隙的另一端通过谐振电感连接在二电极气体开关的阴极端，隔直电容的另一端连接在Marx触发器的输出端。

本发明二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路与现有技术相比，具有以下优点：

1、采用该Marx触发器触发二电极气体开关的保护电路，可使得主放电回路气体开关的Marx触发器不受预电离脉冲电压的影响而误输出高压脉冲，以保证二电极气体开关触发导通时刻滞后于氙灯的预电离时刻几十至几百微秒，并且滞后的时间长短是可控制的，从而确保大电流驱动的脉冲氙灯可靠运行；

2、采用Marx触发器的隔离间隙和隔直电容之间接一个放电电阻到地，可以在短时间内泄放隔直电容储存的残留电荷，保证了Marx触发器输出脉冲幅值不会降低，从而保证了Marx触发器点火二电极气体开关的可靠性。

3、采用Marx触发器低压端以最短的距离接公共接地端，保证高压快脉冲触发器低压端的电压为零，避免了对高压快脉冲触发器工作稳定性的影响。降低了Marx触发器对周围的电磁干扰强度。

4、该Marx触发器的采用主储能电容等效电容为500pf～2000pf左右，在保证可靠触发二电极气体开关的前提下，采用较小的主储能电容可以有效降低输出能量，从而减小Marx触发器对周围的电磁干扰强度；选取隔直电容为500pf～2000pf左右，采用较小的隔直电容可以吸收较多Marx触发器的输出能量，从而降低触发回路的电磁干扰强度。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为二电极气体开关大功率固体激光器初级能源的常用电路图。

图2为Marx触发器的电路原理图。

图3为具有本发明的一种二电极气体开关的Marx触发器输出保护电路的应用电路图。

图4为图3中Marx触发器与输出保护电路的结构图。

图5为具有本发明的另一种二电极气体开关的Marx触发器输出保护电路的应用电路图。

图6为图5中Marx触发器与输出保护电路的结构图。

图1-图6中：C2、隔直电容；C3、耦合电容；L2、谐振电感；R1、泄放电阻；S、隔离间隙；G、公共接地端；D、MARX触发器接地端；K、MARX触发器输出端套管。

具体实施方式

实施例1

如图3、图4所示，为具有本发明的一种二电极气体开关的Marx触发器输出保护电路的应用电路。具体为在Marx触发器输出端依次串联隔离间隙S、隔直电容C2、谐振电感L2，并与二电极气体开关的阴极端连接；隔直电容和谐振电感的公共节点与地之间串联一个泄放电阻R1，泄放电阻R1必须能够承MARX触发器的输出脉冲电压而不出现任何故障；Marx触发器通过耦合电容C3自成回路。耦合电容C3跨接在气体开关阳极与MARX触发器的接地端之间。在保证绝缘距离的前提下，耦合电容C3的连接应尽量紧凑。MARX触发器整体置于一个同轴结构的封闭金属腔体内，采用燥空气作为绝缘气体和间隙的工作气体，隔离间隙、隔直电容以及泄放电阻均置于Marx触发器内部，这样一体化设计的好处是：首先隔离间隙可以利用Marx触发器内部气压来满足绝缘要求，省去每次给隔离间隙充气的麻烦；其次，体积小，结构紧凑。MARX触发器的接地端取为在保证绝缘距离的条件下离MARX触发器输出端最近的触发器外壳上。

采用串接隔离间隙后，使得Marx触发器不受预电离脉冲电压的影响而误输出高压脉冲，从而保证二电极气体开关触发过程与氙灯的预电离过程相互正常配合，隔直电容可以在纳秒级的触发脉冲到来时，不影响触发脉冲的幅值和陡度，但当开关导通后，微秒级的大电流脉冲则被隔直电容隔开，从而起到保护Marx触发器的作用。由于触发回路导通时间很短，在隔直电容上将留有部分残余电荷，从而降低了Marx触发器的使用效率，因此，在隔直电容的输出端接一个高阻值大容量的泄放电阻到地，在Marx触发器输出高压快脉冲时，不影响触发脉冲的幅值和前沿；Marx触发器不工作时，隔直电容上的残余电荷又可缓慢通过泄放电阻放电，为下一次工作做好准备。Marx触发器经过上述电路后，再串接一个谐振电感L2与二电极气体开关的阴极端端连接，谐振电感L2与二电极气体开关的等效电容产生谐振，可提高Marx触发器输出脉冲的幅值，通过选择合适的谐振电感L2，可将触发脉冲的幅值提高为原来的1.5～1.7倍。通过在MARX触发器的接地端与气体开关阳极之间跨接一个耦合电容C3，并将MARX触发器的接地端以最短的距离连接公共地端，可有效降低触发脉冲在Marx触发器低压端处产生的暂态电压幅值，降低了Marx触发器对周围的电磁干扰强度。

输出保护电路的参数选取范围如下：隔离间隙内部为稍不均匀场，其直流击穿电压大于50kV(不为被预电离击穿即可)，其脉冲击穿电压不大于70～75kV(保证能被Marx触发器可靠击穿)，充气绝压为1～5Bar；泄放电阻选择阻值为10MΩ～60MΩ，容量为120W～200W；隔直电容由四个电容量为5400pF的低电感电容器串联，每个电容的耐压为40kV，谐振电感选择长度为0.5～1m的高压导线，耦合电容耐压100～200kV，电容量0.5～10nf。

实施列1中，泄放电阻R1也可以并联在隔直电容两端，对于泄放电阻的要求除了要求其能够承受MARX触发器输出脉冲电压外，还要求其具有较大的容量，电阻值取为60～100MΩ，容量为200W～400W。

实施例2

如图5、图6所示，为具有本发明的一种二电极气体开关的Marx触发器输出保护电路的应用电路图。具体电路为：在Marx触发器的输出端依次串联隔直电容、隔离间隙、谐振电感和二电极气体开关的阴极端；隔直电容与隔离间隙间的公共节点通过泄放电阻接公共地端；Marx触发器通过耦合电容C3自成回路。MARX触发器仍采用应用实例1所用的结构，只是仅将隔直电容置于Marx触发器内部，隔离间隙和泄放电阻均外置，其优点为Marx触发器设计简单，造价降低，且便于隔离间隙与Marx触发器间的参数调整与配合。

隔直电容在主回路导通时保护Marx触发器内部电路不受能源***主回路大电流的影响，谐振电感在隔离间隙导通前可以通过谐振提高隔离间隙上的电压幅值。触发完成后，泄放电阻通过Marx触发器低压端的隔离电阻形成泄放回路，隔离间隙使得Marx触发器不受预电离脉冲电压的影响而误输出高压脉冲，从而保证二电极气体开关触发过程与氙灯的预电离过程相互正常配合，又防止预电离脉冲在Marx触发器反向导通瞬间对高精度直流高压发生器和光控10kV脉冲触发器造成损坏。

输出保护电路的参数选择如下：隔直电容采用电容量1750pf、耐压50kV低电感陶瓷电容器三并两串而成；泄放电阻采用阻值60MΩ左右；谐振电感为0.5～1米高压导线；隔离间隙充气绝压1～5bar，其自击穿电压50kV以上，脉冲击穿电压不超过70kV；耦合电容耐压100～200kV，电容量0.5～10nf。

实施列2中，泄放电阻R1也可以并联在隔直电容两端，对于泄放电阻的要求除了要求其能够承受MARX触发器输出脉冲电压外，还要求其具有较大的容量，电阻值取为60～100MΩ，容量为为200W～400W。

实施例3

本实施例电路原理图同实施例1，但Marx触发器主储能电容参数从20kV，10nf降至20kV、5nf，隔直电容参数选择为1000pf，耐压200kV。

由于Marx触发器主储能电容降低，其输出能量降低后，降低了对能源***其他设备的电磁干扰幅值；增大隔直电容后，在Marx触发器输出时，吸收更多能量从而降低了对触发电路的干扰幅值。

本实施例中谐振电感对应减小为0.4m以下的高压导线，其余输出保护电路参数选择范围同实施例1。

实施例4

本实施例电路原理图和安装结构同实施例2，但Marx触发器主储能电容参数从20Kv，10nf降至20kV，6nf，隔直等效电容从2625pf降至500pf。

同实施例3，降低主储能电容和隔直电容后，可以有效降低对触发回路及周边设备的电磁干扰幅值。

本实施例中谐振电感为小于0.4m的高压导线，隔直电容隔直电容采用2个耐压50kV，电容为1nf的低电感陶瓷电容器串联而成，其余输出保护电路参数选择范围同实施例2。

Claims

1.一种二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路，其特征在于，包括：泄放电阻、耦合电容、连接在Marx触发器的输出端和二电极气体开关的阴极端之间的串联的隔直电容和放电间隙，所述泄放电阻的一端连接在隔直电容和放电间隙的公共节点，另一端连接在隔直电容的另一端或者直接接地；耦合电容跨接在气体开关阳极与 Marx触发器的接地端之间。

2.根据权利要求1所述的一种二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路，其特征在于，所述隔直电容的另一端通过谐振电感连接在二电极气体开关的阴极端，放电间隙的另一端连接在Marx触发器的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种二电极气体开关的Marx触发器的输出保护电路，其特征在于，所述放电间隙的另一端通过谐振电感连接在二电极气体开关的阴极端，隔直电容的另一端连接在Marx触发器的输出端。