一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器
阅读说明：本技术 一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器 (Magnetic switch pulse generator for electric pulse rock breaking ) 是由 祝效华 罗云旭 刘伟吉 陈梦秋 胡海 张有建 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器,包括电源、整流滤波模块、储能模块、开关模块、变压器、预击穿模块、磁开关模块和负载；电源给整个脉冲发生器充电,整流滤波模块对电源输入的电压波形进行整流和过滤；开关模块调节脉冲发生器的放电频率；电压经变压器升压、预击穿模块继续升压和上升沿陡化瞬时高脉冲电压击穿负载通道；储能模块储存能量,在预击穿模块击穿负载后经磁开关模块控制其向负载中注入瞬时脉冲能量；磁开关模块具有隔离负载两端的高压和高电流的作用。本发明可根据负载类型灵活选用和设计、可移植性强、破岩能耗效率高等优点。(The invention discloses a magnetic switch pulse generator for electric pulse rock breaking, which comprises a power supply, a rectifying and filtering module, an energy storage module, a switch module, a transformer, a pre-breakdown module, a magnetic switch module and a load, wherein the power supply is connected with the rectifying and filtering module; the power supply charges the whole pulse generator, and the rectification and filtering module rectifies and filters the voltage waveform input by the power supply; the switch module adjusts the discharge frequency of the pulse generator; the voltage is continuously boosted through the transformer boosting and pre-breakdown module, and a load channel is broken down by the rising edge steepening instantaneous high pulse voltage; the energy storage module stores energy, and after the pre-breakdown module breaks down a load, the pre-breakdown module controls the pre-breakdown module to inject instantaneous pulse energy into the load through the magnetic switch module; the magnetic switch module has the function of isolating high voltage and high current across the load. The invention can be flexibly selected and designed according to the load type, and has the advantages of strong transportability, high rock breaking energy consumption efficiency and the like.)
技术领域
本发明属于高能电脉冲破岩工具和能源领域，尤其涉及一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器。
背景技术
岩石破碎是建筑、道路、桥梁、能源(如煤炭、石油和天然气等)勘探与开发等工程中亟需要解决的问题。目前，最常用的岩石破碎的方法是传统的机械破岩法，但是传统的机械破岩法的成本高且对环境有一定的影响，因此急需提高岩石破碎的效率。随着社会科技的进步，涌现出一些新的破岩方法，如高压水射流破碎岩石、热能破碎岩石、火钻、电子束破碎岩石、激光碎岩、热熔钻进、热能机械能碎岩(热机碎岩)、电脉冲破岩技术、激光碎岩技术等。与其他破岩技术相比电脉冲破岩技术因其具有环保、岩石破碎过程易控制的优点被科学界广泛认可，但目前国内对其研究仍然停留在应用探索阶段。
电脉冲破岩技术源于“闪电”原理；按脉冲放电通道的所处的介质将其分为电破岩和液电破岩。电破岩和液破岩区别在于脉冲电压上升时间的不同；当脉冲电压上升时间小于500ns时，放电通道在岩石内部产生，这时在通道内瞬间集量(约10～100J/cm3)，会产生高温(可达104℃量级)和高压(可达1000～10000MPa量级)，最终通道在高温和高压的作用下产生应力波，当应力波对岩石的作用超过岩石的自身强度时，岩石就被破坏，这种破岩模式为电破岩。当脉冲电压上升时间大于500ns时，会发生液电破岩，此时放电等离子在液体介质中产生一部分瞬时应力波，同时因液体介质产生气泡的溃灭会产生另一部分应力波，当这两部分应力波超过岩石的自身强度时，岩石就发生破坏。两种破岩方式存在一些共同特点：(1)都需要先在介质中开辟出放电通道；(2)在通道生成后，电路中的电能(电荷)瞬时注入介质中；(3)岩石破碎效率和注入通道的能量成正相关。
为了加快高压电脉冲破岩技术的应用和发展，需要结合具体的电脉冲破岩过程设计电脉冲发生装置。但目前鲜有人根据具体的电脉冲破岩机理提出增加电脉冲发生装置能耗效率的方法，这使得设计出来的电脉冲破岩装置的效率相对较低。因此，结合电脉冲破岩的具体过程设计相应的电脉冲发生装置对电脉冲破岩技术的工业应用和推广至关重要。
鉴于此，申请本专利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器，该脉冲发生器先通过瞬时的高压电脉冲在负载(岩石或液体绝缘介质)中开辟出放电通道，然后通过调节开关将存储的一部分能量注入已开辟出的放电通道中，最终实现岩石的高效破碎。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器，包括：
电源，用于作为脉冲发生器的能量源，提供充电电压；
整流滤波模块，连接在所述电源的输出端，用于对电源输出的充电电压进行整流和过滤；
开关模块，连接在所述整流滤波模块的输出端，用于控制脉冲发生器的放电频率；
储能模块，连接在所述整流滤波模块的输出端，经整流滤波模块整流和过滤后的充电电压对储能模块进行充电，储能模块储能；
变压器，其原绕组连接在所述开关模块的输出端并与所述储能模块并联，用于对电压进行初步升压；
预击穿模块，并联连接在所述变压器的副绕组，用于继续升压和陡化所述变压器初步升压后的电压；
负载，并联连接在所述预击穿模块的输出端，预击穿模块提供击穿负载的瞬时高脉冲电压并在负载内形成通道；
磁开关模块，连接在开关模块的输出端并与所述负载连接，用于控制所述储能模块向所述负载放电；所述磁开关模块在所述预击穿模块击穿负载前断开，预击穿模块击穿负载前后磁开关模块闭合；所述储能模块在磁开关模块闭合后经所述开关模块和磁开关模块向负载放电，实现破岩。
进一步地，所述开关模块包括开关、以及与开关连接触发电路，触发电路通过接收触发信号的数量和时间间隔来控制所述开关的通断，进而控制电脉冲发生器的放电频率。
进一步地，所述负载为液体介质或岩石；当负载为液体介质时，所述预击穿模块的脉冲陡化作用可相对弱化，保证较大的脉冲电压峰值；当负载为液体岩石时，所述预击穿模块要具有较强的脉冲陡化作用，同时保证较大的脉冲电压峰值。
进一步地，所述磁开关模块包括磁开关、以及与磁开关连接的复位电路，所述复位电路在所述储能模块对所述负载放电完成后控制所述磁开关断开。
进一步地，所述整流滤波模块和开关采用绝缘栅双极型晶体管驱动板实现。
进一步地，所述储能模块采用两个电容组实现，其中一个电容组连接在电源的两端；另一个电容组连接在开关的输出端和变压器的原绕组之间。
进一步地，所述变压器采用脉冲变压器。
进一步地，所述预击穿模块可采用LC电路和LC脉冲压缩电路实现，所述LC脉冲压缩电路中的电感采用可饱和电感。
进一步地，所述变压器和预击穿模块可采用变压器电路或磁开关电路实现；
所述变压器电路包括第一可调变压器和第二可调变压器，第一可调变压器的原绕组与开关模块连接，其副绕组通过一个电容与第二可调变压器的原绕组连接，第二可调变压器的副绕组通过一个电容与负载连接；
所述磁开关电路包括第三可调变压器、第一磁开关、第二磁开关和第三磁开关，第三可调变压器的原绕组与开关模块连接，其副绕组并联连接有第一电容和第二电容，第二电容与第一磁开关连接，第一电容的接地端与第二磁开关连接，第一磁开关和第二磁开关的输出端均并联连接有第三电容和第四电容，第四电容与第三磁开关连接，第三磁开关的输出端与电感和负载连接，第三电容的接地端与电感连接，负载与电感并联。
进一步地，所述预击穿模块可采用多个并联的气隙开关电路实现，所述气隙开关电路包括气隙开关、第一升压电容、第二升压电容、第一保护电阻和第二保护电阻，第一升压电容、第一保护电阻、第二升压电容和第二保护电阻依次首尾连接，所述气隙开关的两端分别连接在第一保护电阻和第二保护电阻的输出端；
所述预击穿模块的第一个气隙开关电路中气隙开关与触发电路连接，所述触发电路包括电压源、第一脉冲变压器、整形桥电路、缓冲电路、保护电路、可控硅、第二脉冲变压器、IGBT驱动板、信号延迟模块和触发信号模块，所述电压源与第一脉冲变压器的原绕组连接，第一脉冲变压器的副绕组与整形桥电路连接，缓冲电路与可控硅并联后与保护电路连接，第二脉冲变压器的原绕组与保护电路连接，其副绕组与气隙开关连接，所述可控硅、IGBT驱动板、信号延迟模块和触发信号模块依次连接，触发信号模块还与开关连接。
本发明结合了电脉冲破岩的具体过程和机理设计出的电脉冲发生器，破岩能耗效率高，同时可按照电脉冲破岩的模式和负载类型设计具体的灵活设计电脉冲发生器的电路结构。本发明的具有很强的针对性、灵活性和可移植性等优点。
附图说明
图1为本发明的电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器结构示意图；图中，1、电源；2、整流滤波模块；3、储能模块；4、开关；5、触发电路；6、变压器；7、预击穿模块；8、磁开关；9、复位电路；10、负载。
图2为磁性材料的磁滞回线示意图；图中，B为磁感应强度；H为磁场强度；Hs为磁场强度饱和值；Bs为磁感应强度饱和值Bs；Br为剩余感应强度；Hcm为矫顽力。
图3为本发明实施例2的电路原理图；图中，U0为电源；S为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板；C0为储能电容；Cs为脉冲变压器前端电容；TP为脉冲变压器；L1为谐振电感；C1为磁脉冲压缩电容；Lm为可饱和电感；C2为磁脉冲压缩电容；MS0为磁开关；I0为复位电路电流源；L0为电源电感；R0为负载。
图4为本发明实施例3的电路原理图；图中，U0为电源；S为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板；C0为储能电容；Cs为变压器前端电容；TRMV1为一级磁压缩变压器，C1为一级磁脉冲压缩电容；TRMV2为二级磁压缩变压器；C2为二级磁脉冲压缩电容；MS0为磁开关；I0为磁开关MS0的复位电路电流源；L0为电源电感；R0为负载。
图5为本发明实施例4的电路原理图；U0为电源；S为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板；C0为储能电容；Cs为脉冲变压器前端电容；TP为脉冲变压器；r1～r2n为保护电阻；C1～Cn为升压电容；G2～Gn为气隙开关；G1为三电极触发气隙开关，k和j分别为其触发电极的脉冲电压节点和接地节点；R0为负载；MS0磁开关；I0为磁开关MS0的复位电路电流源；L0为电源电感；u0为触发电路电压源；TR1和TR2为脉冲变压器；D1～D7为二极管；R1～R3为电阻；c1～c2为电容；E0为可控硅。
图6为本发明实施例5的电路原理图；图中，U0为电压源；S为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板；C0为储能电容；Cs为变压器前端电容；TP为脉冲变压器；C1～C2为一级倍压单元电容；MS1为一级倍压单元磁压缩开关；MS2～MS3为二级倍压单元倍压磁开关；C3～C4为二级倍压单元电容；MS0为磁开关；I0为磁开关MS0的复位电路电流源；L0为电源电感；R0为负载。
图1、3～6中，a、b、c和d为低电感电线节点；e、f、g和h为高压电线节点。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器，该脉冲发生器先通过瞬时的高压电脉冲在负载(岩石或液体绝缘介质)中开辟出放电通道，然后通过调节开关将存储的一部分能量注入已开辟出的放电通道中，最终实现岩石的高效破碎。
如图1所示，所述用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器包括电源、整流滤波模块、储能模块、开关、触发电路、变压器、预击穿模块、磁开关、复位电路和负载，所述电源、整流滤波模块、储能模块依次首尾连接，开关与整流滤波模块的输出端连接，触发电路与开关连接，变压器的原绕组连接在开关的输出端和电源的负极，变压器的副绕组、预击穿模块、负载并联连接后接地，开关的输出端还与磁开关连接，磁开关与复位电路连接，磁开关的输出端与负载连接。
所述电源为整个脉冲发生器提供能量输入，具体采用电压源实现，电压源输出电压波，电压波经过线路给各个模块提供工作电压以及充电电压；整流滤波模块将电源输出的电压波进行整流和过滤处理，可采用现有技术具有整流和过滤功能电路实现；经过整流和滤波后的电压给储能模块充电，储能模块进行储能能量，根据破岩的需求，此时需要储能大能量；经过整流和滤波后的电压在经过开关给变压器充电，变压器将整流和过滤后的电压进行初步升压后传输给预击穿模块，预击穿模块进一步对升压后的继续升压和陡化形成瞬时高脉冲电压，瞬时高脉冲电压可击穿负载并形成通道；开关输出的电压还传输至磁开关，磁开关连通，可将储能模块储存的大量能向负载放电，实现破岩，其中开关的断开与连接是通过触发电路控制，触发电路通过接收触发信号的数量和时间间隔来控制，触发信号可采用外部输入的光纤触发信号。
磁开关是通过复位电路来实现磁开关的断开复位，磁开关的实质是一种可饱和的电感，其具有磁滞效应，磁开关的工作原理依赖于其磁滞效应，磁性材料的磁滞回线如图2所示。将强磁性材料(包括铁磁性和亚铁磁性材料)样品从磁感应强度B＝0开始，逐渐增大磁化场的磁场强度H，磁感应强度B将随之沿图2中oab曲线增加，直至到达磁饱和状态。现增大磁场强度H，样品的磁化状态将基本保持不变，因此直线段bc几乎与H轴平行。当磁感应强度到达饱和值Bs时，对应的磁场强度H用Hs表示，oab曲线称为起始磁化曲线。此后若减小磁化场，磁化曲线从b点开始并不沿原来的起始磁化曲线返回，这表明磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化，这种现象称为磁滞。当磁场强度H减小为零时，磁感应强度B并不为零，而等于剩余感应强度Br。要使磁感应强度B减到零，必须加一反向磁化场，而当反向磁化场加强到-Hcm时，磁感应强度B才为零，Hcm称为矫顽力。如果反向磁化场的大小继续增大到-Hs时，样品将沿反方向磁化到达饱和状态e，相应的磁感应强度饱和值为-Bs。e点和b点相对于原点对称。此后若使反向磁化场减小到零，然后又沿正方向增加。样品磁化状态将沿曲线egkb回到正向饱和磁化状态b。egkb曲线与bnde曲线也相对于原点o对称。由此看出，当磁化场由Hs变到-Hs，再从-Hs变到Hs反复变化时，样品的磁化状态变化经历着由bndegkb闭合回线描述的循环过程。因此曲线bndegkb称为磁滞回线，因此，本实施例的磁开关采用磁开关的复位电路电流源作为复位电路，实现对磁开关的复位(断开)。
实施例2
本实施例提供了一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器的具体实施电路，其电路原理图如图3所示，它包括电源U0、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S、电容C0、Cs、C1、C2、脉冲变压器TP、电感L1、可饱和电感Lm、负载R0、磁开关MS0和电流源I0；电源U0提供充电电压，电容C0、Cs构成储能模块，电容C0作为储能电容，直接连接在电源U0上，因为储能模块储存大能量，因此电容C0可采用多个电容并联后形成储能电容组，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S构成整流滤波模块和开关，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S与电源U0连接，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S连接有触发信号，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S输出端连接储能模块的电容Cs，电容Cs与脉冲变压器TP的原绕组连接，电容C1、C2、电感L1和可饱和电感Lm构成预击穿模块，所述电容C1和电感L1组成LC谐振电路，可饱和电感Lm和电容C2组成的脉冲压缩电路；负载R0为液体介质或岩石，磁开关MS0与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S输出端连接，电流源I0作为磁开关MS0的复位电路。
下面对本实施例的工作原理进行说明：初始状态下，由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S组成的开关断开，电容C0充电，电容Cs和C1处于完全放电的状态。随后，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S在触发信号的控制下闭合，电源U0作用于脉冲变压器TP的原绕组，副绕组的电压为原绕组两端电压乘以变压比；此时，电感L1与电容C1形成一个LC电路；如果忽略电路中的寄生效应，电容C1和电感L1两端电压开始共振，最大共振到副绕组的电压值的两倍。在此期间，磁开关MS0尚未饱和，即LC电路近似无负载/无阻尼。采用可饱和电感Lm与电容C2结合进行磁脉冲压缩，从而降低负载R0电压的上升时间。在电感L1和电容C1的共振效应以及与磁脉冲压缩下电压迅速上升。可饱和电感Lm在电容C1和电感L1两端电压最大时饱和，产生较小的脉冲前沿上升时间和最大的负载R0电压。由于脉冲变压器TP的绕组方向，负载电压开始向负方向上升，使得磁开关MS0上的电压为正，其磁芯向正方向磁化。在负载电压上升到击穿的过程中，磁开关MS0阻塞了高脉冲电压，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S和磁开关MS0之间的共面低感应导线ab近似刚刚充电到输入电压。随着负载R0(岩石或液体介质)的击穿，负载电压急剧下降，从脉冲变压器TP流出的电流和C1和C2中储存的能量在介质内部的击穿通道中产生大量的热等离子体，脉冲变压器TP、电容C1和C2、电感L1和Lm以及负载R0之间的连接线efgh是抗高压的导线，保证电击穿发生在负载R0内部。磁开关MS0的电压仍然是正的，其磁心被进一步磁化到正方向，实现磁开关MS0在电弧熄灭之前达到饱和，缩短击穿时间。
然后，在击穿后不久，磁开关MS0饱和并通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S将储能电容C0连接到负载R0两端，从而实现负载R0两端的高电压到高电流(大能量)的转换。由于放电通道(等离子体通道)中电荷的时间常数较大，在这个转换过程中电弧不会熄灭。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S和磁开关MS0之间以及磁开关MS0和负载R0之间的连接是由共面低感应导线ab和cd构成的，从而保证了负载R0内部的电流迅速上升。磁开关MS0饱和后，储存在电容C0和Cs中的能量被转移到负载电弧中，等离子体通道因温度升高而迅速膨胀、产生应力波并最终实现岩石破碎。
当电容C0和Cs中的能量被转移到负载R0时，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S断开，储能电容C0再次充电，为电脉冲发生器的下一个脉冲做好准备。在此期间，磁开关MS0在由电流源I0提供电源的复位电路下被反向磁化，并达到非饱和状态，完成了电脉冲发生器破碎岩石的一个脉冲工作循环。
对于上述电路可以进行调节，如脉冲电压的放电频率由光纤触发信号的频率调节；脉冲变压器可由多级变压器组成，从而实现更高的脉冲电压峰值；预击穿模块中的磁压缩电路(Lm和C2)也可由多级变压器组成，最终达到更短的脉冲电压前沿上升时间的目的。
实施例3
本实施例提供了一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器的又一种具体实施电路，其电路原理图如图4所示，它包括电源U0、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S、电容C0、Cs、C1、C2、可控变压器TRMV1、TRMV2、负载R0、磁开关MS0和电流源I0；其中，电源U0、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S、电容C0、Cs、负载R0、磁开关MS0和电流源I0的功能及连接关系和实施例2相同，本实施例不在赘述，与本实施例2不同的是，本实施例提供一种新的变压器和预击穿模块的电路结构，变压器由可控变压器TRMV1和TRMV1组成；可控变压器TRMV1和电容C1组成一级变压和磁压缩电路；TRMV2和电容C2组成二级变压和磁压缩电路；预击穿模块7由变压器TRMV1、TRMV2、电容C1和C2共同组成，本实施例中的可控变压器TRMV1和TRMV2上绕组内部有磁芯。
下面结合图4对本实施例的工作原理进行说明：初始状态下，由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S断开，电容C0充电，电容Cs放电处于完全放电的状态。随后，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S在触发信号的控制下闭合，电源U0作用于可控变压器TRMV1的原绕组，副绕组的电压为原绕组两端电压乘以变压比。可控变压器TRMV1绕组的磁芯由未饱和状态慢慢转变为饱和状态，电容Cs也被慢慢充电。可控变压器TRMV1绕组的磁芯从未饱和到饱和的过渡过程中，其与电容C1结合对电压进行一级磁脉冲压缩，从而降低了负载电压的上升时间。在一级磁脉冲压缩期间，可控变压器TRMV2绕组的磁芯未饱和，通过调节电容C1和变压器TRMV1上线圈的匝数、磁通面积等变量使得当一级磁压缩电压达到峰值时，可控变压器TRMV2绕组的磁芯刚好达到饱和状态。可控变压器TRMV2绕组上的饱和电感与电容C2结合对电压进行二级升压和脉冲压缩，从而进一步提高脉冲电压的峰值、减小上升前沿脉冲时间，直到在负载R0两端的电压迅速上升，直至发生击穿。此时磁开关MS0上的电压为正，其磁芯向正方向磁化，在负载电压上升到击穿的过程中，磁开关MS0阻塞了高脉冲电压，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S和磁开关MS0之间的共面低感应导线ab近似刚刚充电到输入电压。随着负载R0(岩石或液体介质)的击穿，负载电压急剧下降，从可控变压器TRMV1和TRMV2流出的电流和电容C1和C2中储存的能量在负载R0介质内部的击穿通道中产生大量的热等离子体。可控变压器TRMV1和TRMV2、电容C1和C2以及负载R0之间的连接线efgh是耐高压的导线，保证了电击穿发生在负载R0内部。磁开关MS0的电压仍然是正的，因此其磁心被进一步磁化到正方向。
在击穿后不久，磁开关MS0饱和并通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S将储能电容C0连接到负载两端，从而实现负载R0两端的高电压到高电流(大能量)的转换。由于放电通道(等离子体通道)中电荷的时间常数较大，在这个转换过程中电弧不会熄灭。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S和磁开关MS0之间以及磁开关MS0和负载R0之间的连接是由共面低感应导线ab和cd构成的，从而保证了负载R0内部的电流迅速上升。磁开关MS0饱和后，储存在电容C0和Cs中的能量被转移到负载R0产生的电弧中，等离子体通道因温度升高而迅速膨胀、产生应力波并最终实现岩石破碎。
当电容C0和Cs中的能量被转移到负载R0时，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S断开，储能电容C0再次充电，为电脉冲发生器的下一个脉冲做好准备。在此期间，磁开关MS0在由电流源I0提供电源的复位电路下被反向磁化，并达到非饱和状态。这样就完成了电脉冲发生器破碎岩石的一个脉冲工作循环。
同时，对于上述电路可以进行调节，如脉冲电压的放电频率由光纤触发信号的频率调节；变压器和预击穿模块中含有可饱和电感的变压器和磁压缩电路也可有多级，以便实现更高峰值电压、更短的脉冲电压前沿上升时间。
实施例4
本实施例提供了一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器的又一种具体实施电路，其电路原理图如图5所示，它包括电源U0、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S、电容C0、Cs、触发电路、预击穿模块、脉冲变压器TP、负载R0、磁开关MS0和电流源I0；其中，电源U0、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S、电容C0、Cs、负载R0、脉冲变压器TP、磁开关MS0和电流源I0的功能及连接关系和实施例2相同，本实施例不在赘述，与本实施例2不同的是，本实施例提供一种新的触发电路和预击穿模块，所述预击穿模块是由升压电容C1～Cn、保护电阻r1～r2n和气隙开关G1～Gn共同组成，其中两个升压电容、两个保护电阻和一个气隙开关构成一个气隙开关电路，以第一个气隙开关电路为例，升压电容C1、保护电阻r1、升压电容C2和保护电阻r2依次首尾连接，气隙开关G1的两端分别连接在保护电阻r1和r2的输出端，n个气隙开关电路并联构成预击穿模块。所述触发电路是由电压源u0、脉冲变压器TR1、TR2、二极管D1～D7、电阻R1～R3、电容c1～c2、可控硅E0、IGBT驱动板、信号延迟模块和触发信号构成，所述电压源u0与脉冲变压器TR1的原绕组连接，脉冲变压器TR1的副绕组与由二极管D1～D4构成的整形桥电路连接，保护电阻R1、电容c2、二极管D7、保护电阻R3依次连接构成了保护电路，保护电阻R1与整形桥电路连接，实现对电容c2充电；电容c1、电阻R1、R2构成了缓冲电路，缓冲电路与可控硅E0并联后与保护电路连接，可控硅E0输入端连接有二极管D5、D6，可控硅E0输出端、IGBT驱动板、信号延迟模块和触发信号模块依次连接，触发信号模块还与开关连接，脉冲变压器TR2的原绕组与保护电路连接，其副绕组与预击穿模块中第一个气隙开关G1连接，气隙开关G1三电极触发气隙开关。
下面结合图5对本实施例的工作原理进行说明：初始状态下，由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S断开，电容C0充电，电容Cs放电处于完全放电的状态。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S在触发信号的控制下闭合，电源U0作用于脉冲变压器TP的原绕组，副绕组的电压为原绕组两端电压乘以变压比，电容Cs也被慢慢充电。脉冲变压器TP的副绕组由于触发电路中存在信号延迟，触发电信号并未产生。气隙开关G1～Gn在工作电压为脉冲变压器TP的副绕组的电压下不被击穿，电容C1～Cn处于并联状态，它们端部的电压均约等于脉冲变压器TP的副绕组的电压。电容C1～Cn处于被缓慢充电。
触发电路中，电压源u0在脉冲变压器TR1变压后先经二极管D1～D4组成整理桥，再经保护电阻R1-电容c2-二极管D7-保护电阻R3给电容c2充电。触发电路中电容c1-电阻R1、R2支路为缓冲级。当触发信号在信号延迟控制后经IGBT驱动板产生脉冲电压作用在可控硅E0上，触发信号的延迟控制时间应小于n级升压电容C1～Cn的充电时间。可控硅E0将由断开变为导通，则电容C2通过可控硅E0、脉冲变压器TR2原绕组放电。通过电磁感应原理，脉冲变压器TR2输出所需高压触发脉冲，由于二极管由于反偏处于断开状态，因此不能形成电容c2-可控硅E0-二极管D5～D7回路来放电的回路，二极管D7只在电容c2充电时提供通路。值得注意的是脉冲变压器TR2的输出电压大于预击穿模块中升压电容C1两端的充电电压和气隙开关G1的击穿电压。
当触发电路产生的脉冲信号作用在三电极触发开关G1上时，由于三电极触发开关G1的气隙节点kj间的气体被击穿。击穿后气隙开关G1的一端接地且升压电容C1两端电压差不能突变。气隙开关G2两端的电压由于升压电容C2两端的电压差不能突变以及电阻r1～r2隔离的作用变为2倍的脉冲变压器TP输出电压，气隙开关G2之间的气体也随之被迅速击穿。同理，以后各级的气隙开关之间的气体也依次因过压击穿，最后将电容C1～Cn串联起来产生较高的脉冲电压作用在负载R0两端。若忽略回路中电能损耗，负载R0两端的脉冲电压峰值约为n倍的脉冲变压器TP输出电压。
在上述过程中，磁开关MS0上的电压为正，其磁芯向正方向磁化。在负载电压上升到击穿的过程中，磁开关MS0阻塞了高脉冲电压，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S和磁开关MS0之间的共面低感应导线ab近似刚刚充电到输入电压。随着负载R0(岩石或液体介质)的击穿，负载电压急剧下降，升压电容C1～Cn之间的能量在介质内部的击穿通道中产生大量的热等离子体。升压电容C1～Cn、保护电阻r1～r2n、气隙开关G1～Gn和负载R0之间的连接线efgh是耐高压的导线，保证了电击穿发生在负载R0内部。在击穿后不久，磁开关MS0饱和并通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S将储能电容C0连接到负载R0两端，从而实现负载R0两端的高电压到高电流(大能量)的转换。由于放电通道(等离子体通道)中电荷的时间常数较大，在这个转换过程中电弧不会熄灭。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S和磁开关MS0之间以及磁开关MS0和负载R0之间的连接是由共面低感应导线ab和cd构成的，从而保证了负载R0内部的电流迅速上升。磁开关MS0饱和后，储存在电容C0和Cs中的能量被转移到负载R0电弧中，等离子体通道因温度升高而迅速膨胀、产生应力波并最终实现岩石破碎。
当电容C0和Cs中的能量被转移到负载R0时，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S断开，储能电容C0再次充电，为电脉冲发生器的下一个脉冲做好准备。在此期间，磁开关MS0在由电流源I0提供电源的复位电路下被反向磁化，并达到非饱和状态，完成了电脉冲发生器破碎岩石的一个脉冲工作循环。
同时，对于上述电路可以进行调节，如脉冲电压的放电频率由光纤触发信号的频率调节；触发信号的延迟控制时间用于给升压电容C1～Cn充电，但触发信号的延迟控制时间可小于n级升压电容C1～Cn的充电时间，即升压电容C1～Cn可不必充满电，这样做可以保证设计出的脉冲发生器具有更短的脉冲电压前沿上升时间。同时负载R0两端的脉冲电压峰值可以通过调节变压器和预击穿模块中由保护电阻r2n-1～r2n、气隙开关Gn和升压电容Cn组成的基本单元进行调节。
实施例5
本实施例提供了一种用于电脉冲破岩的磁开关脉冲发生器的又一种具体实施电路，其电路原理图如图6所示，它包括电源U0、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S、电容C0、Cs、预击穿模块、可控变压器TRMV、负载R0、磁开关MS0和电流源I0；其中，电源U0、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S、电容C0、Cs、负载R0、磁开关MS0和电流源I0的功能及连接关系和实施例2相同，本实施例不在赘述，与本实施例2不同的是，本实施例提供一种新的变压器和预击穿模块的电路，本实施例采用可控变压器TRMV、电容C1～C4、磁开关MS1～MS3构成了变压器和预击穿模块，可控变压器TRMV、电容C1、C2和磁开关MS1组成一级倍压和磁压缩单元，可控变压器TRMV的副绕组连接有电容C1、C2，且电容C1、C2并联，电容C2与磁开关MS1连接；磁开关MS2、电容C3、C4、磁开关MS3组成二级倍压和磁压缩单元，磁开关MS2与电容C3、C4连接，且电容C3、C4并联，电容C3与磁开关MS3连接；一、二级倍压单元共同组成了变压器和预击穿模块。本实施例中的变压器TRMV的上的绕组、磁开关MS0、MS1～MS3的实质都为可饱和电感，具有磁滞性质。
下面结合图6对本实施例的工作原理进行说明：初始状态下，由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S断开，电容C0充电，电容Cs放电处于完全放电的状态。可控变压器TRMV绕组磁芯被复位。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S在触发信号的控制下闭合，电源U0作用于可控变压器TRMV的原绕组，副绕组的电压为原绕组两端电压乘以变压比，可控变压器TRMV的绕组磁芯由未饱和状态慢慢转变为饱和状态，电容Cs也被慢慢充电。电容Cs充电结束后可控变压器TRMV的绕组磁芯中的磁通密度回到负剩余感应强度(即图3中的-Br处)处。电容Cs通过可控变压器TRMV给电容C1和C2并联充电。可控变压器TRMV绕组磁芯中的磁通密度开始向正向磁感应强度饱和值(即图3中的Bs处)增长，且当电容C1和C2被充电到最大值时可控变压器TRMV的绕组达到饱和。可控变压器TRMV的绕组电感急剧下降，与可控变压器TRMV副绕组并联的电容C1通过可用变压器TRMV的副绕组实现电压极性快速翻转，当电容C1两端电压达到负向峰值时，使得电容C2和磁开关MS1交汇点处的电压就由原来的零电位跃变到约2倍的负向峰值(若电容C1和C2的电容相等)，磁开关MS1饱和，电容C1和C2串联起来两端的脉冲电压(约2倍的负向峰值)作用在磁开关MS2两端。完成了电压的第一次倍压和脉冲压缩；在一级磁脉冲压缩期间，磁开关MS2未饱和，通过调节电容C1～C2和磁开关MS1上线圈的匝数、磁通面积等变量使得当一级磁压缩电压达到峰值时磁开关MS2刚好达到饱和状态。脉冲电压经磁开关MS2再经过电容C3～C4以及磁开关MS3进行二次升压和脉冲压缩，进一步提高脉冲电压的峰值、减小上升前沿脉冲时间。若电容C1和C2的电容相等、且电容C3和C4的电容相等时，负载R0两端的脉冲电压约为4倍可控变压器TRMV副绕组端电压。随后负载R0端部的电压迅速上升，直至发生击穿。
上述过程中，磁开关MS0上的电压为正，其磁芯向正方向磁化。在负载电压上升到击穿的过程中，磁开关MS0阻塞了高脉冲电压，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S和磁开关MS0之间的共面低感应导线ab近似刚刚充电到输入电压。随着负载R0(岩石或液体介质)的击穿，负载电压急剧下降，从可控变压器TRMV流出的电流和电容C1～C4中储存的能量在介质内部的击穿通道中产生大量的热等离子体。电容C1～C4的放电电流方向与其初始充电电流方向相反，相反方向的放电电流正好对可控变压器TRMV、磁开关MS1～MS3的磁芯进行复位。因此在可控变压器TRMV、磁开关MS1～MS3两端不必再外加额外的复位电路，电路得到简化。可控变压器TRMV、电容C1～C4、磁开关MS1～MS3和负载R0之间的连接线efgh是耐脉冲高压的导线，保证了电击穿发生在负载R0内部。磁开关MS0的电压仍然是正的，因此其磁心被进一步磁化到正方向，能保证磁开关MS0在电弧熄灭之前达到饱和。
在击穿后不久，磁开关MS0饱和并通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S将储能电容C0连接到负载R0两端，从而实现负载R0两端的高电压到高电流(大能量)的转换。由于放电通道(等离子体通道)中电荷的时间常数较大，在这个转换过程中电弧不会熄灭。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S和磁开关MS0之间以及磁开关MS0和负载R0之间的连接是由共面低感应导线ab和cd构成的，从而保证了负载内部的电流迅速上升。磁开关MS0饱和后，储存在电容C0和Cs中的能量被转移到负载R0电弧中，等离子体通道因温度升高而迅速膨胀、产生应力波并最终实现岩石破碎。
当电容C0和Cs中的能量被转移到负载R0时，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板S断开，储能电容C0再次充电，为电脉冲发生器的下一个脉冲做好准备。在此期间，磁开关MS0在由电流源I0提供电源的复位电路下被反向磁化，并达到非饱和状态，完成了电脉冲发生器破碎岩石的一个脉冲工作循环。
值得注意的是，上述电路可以进行调节，如脉冲电压的放电频率由光纤触发信号的频率调节；变压器和预击穿模块中的含有可饱和电感绕组的变压器和倍压和磁脉冲压缩电路也可有多级，最终实现更高峰值电压、更短的脉冲电压前沿上升时间的目的。
从上述实施例可以看出，按照本发明设计出电脉冲发生器电路结合了电脉冲破岩的具体过程和机理，破岩能耗效率高，同时可按照电脉冲破岩的模式和负载类型设计具体的灵活设计电脉冲发生器的电路结构。本发明的具有很强的针对性、灵活性和可移植性。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。