基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关技术及其应用

介绍了基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关组成及其工作原理,可实现固态磁开关、脉冲调制以及电压升压等功能,并给出了该一体化磁开关的三种典型应用,一是应用在高压脉冲触发器中,可实现触发器电压大于100 kV,30 Hz重复频率下抖动小于5 ns;二是用于微秒准方波产生,实现了电压幅值大于50 kV,100 Hz长时间运行;三是作为低阻脉冲形成线的主开关,利用双开关调制产生百纳秒方波脉冲,以实现脉冲功率装置的轻量化。基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关是一种将磁开关和脉冲变压器集成紧凑的脉冲功率器件,能够兼顾变压器高升压比和磁开关低次级饱和电感,对实现脉冲功率器件的固态化、集成紧凑化具有重要的意义。

基于脉冲变压器的快前沿固态触发器

结合理论求解、仿真分析与实验验证,确定了影响脉冲变压器型触发器输出前沿的主要因素,并研制了一台能可靠触发真空沿面闪络开关导通的快前沿固态触发器。研究结果表明:影响触发器输出脉冲前沿的关键因素为脉冲变压器漏感、匝数比和半导体开关开通速度;不同绕制方式的脉冲变压器漏感差异很大,最小漏感绕法的变压器漏感值低1个数量级;选用开通速度优于15 ns的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)、绕制低漏感(小于0.5μH)的脉冲变压器,实现了前沿为20.4 ns(10%~90%)、幅值为16.5 kV的快前沿输出;控制SiC MOSFET的驱动脉宽在35~55 ns变化可以控制触发电流峰值在35~55 A范围内变化。

基于可饱和脉冲变压器谐振充电的快脉冲功率源研究

基于可饱和脉冲变压器建立1种新型谐振充电装置,将脉冲变压器提升电压作用与磁开关陡化脉冲作用相结合大幅度提高输出电压的前沿。通过分析新型谐振充电装置的工作模式,确定面向快丝阵Z箍缩早期行为研究需求的谐振充电装置的参数。新型谐振充电装置驱动气体火花开关自击穿时延抖动比采用传统谐振充电装置降低50%以上。初始充电电压19kV、电极间距5.5mm、1.01325×10^(5)Pa气压下自击穿时延抖动降低至13ns。在高气压下气体火花开关的击穿电压稳定性也有大幅度的提高。利用新型谐振充电装置改进应用气体火花开关陡化脉冲变压器输出电压前沿的脉冲功率源的技术方案,建立的小型脉冲功率源可以极低的时延抖动和较高的击穿电压稳定性输出快Z箍缩预脉冲水平的脉冲电流。低时延抖动的脉冲功率源有助于对金属丝电爆炸等丝阵Z箍缩早期行为开展精确的高时空分辨率的同步诊断。

脉冲变压器驱动SiC MOSFET型Marx同步特性

为实现全固态Marx发生器中多个SiC MOSFET开关的同步驱动,设计了一种基于脉冲变压器的驱动控制电路。多路驱动信号的同步性会影响到Marx发生器的输出波形参数,因此要求驱动信号具有快脉冲前沿、低抖动特点。根据SiC MOSFET驱动原理及要求,分析了SiC MOSFET驱动电路脉冲前沿的影响因素,分析计算其相关参数,进行仿真模拟验证。设计了共初级穿芯10级串联的脉冲变压器,初次级的匝数分别为1匝和9匝,次级经正负脉冲信号调理电路后驱动10级Marx电路。实测结果表明利用脉冲变压器原边漏感与谐振电容构成的谐振电路在断续模式下,驱动功率越大,脉冲前沿越快且同步性越好。该同步驱动电路的脉冲前沿为112 ns,脉宽1~10μs可调,频率10~25 kHz可调,满足固态Marx发生器参数调整需求。

脉冲变压器锥形绕组电压分布数值分析

采用数值计算方法 ,根据实际脉冲变压器锥形绕组的结构 ,建立了相应的匝间电容电感有限元计算模型及等效电网络分析数学模型 ,计算了脉冲电压激励下锥形绕组匝间的电压分布。结果表明 :高压端的振荡频率明显高于低压端 ;电压分布不均匀 。

铁心式脉冲变压器的谐振充电特性

基于脉冲变压器的陡脉冲发生器是神光III能源模块主放电开关的触发方案之一。该类型触发器利用脉冲变压器对高压电容谐振充电,并通过陡化开关输出陡脉冲触发气体开关。分析杂散电阻和激磁电感对谐振充电变比和效率的影响,理论推导了环形铁心脉冲变压器的铁心体积最小值,并在实际工程中验证。设计了带载电容为1.08 nF,输出电压峰值为130 kV,绕组变比为65的干式铁心式脉冲变压器。研制了基于脉冲变压器谐振充电的气体开关触发器,其输出脉冲峰值大于120 kV,上升时间小于30 ns,能够稳定可靠地触发两电极气体开关。

快前沿直线脉冲变压器驱动源多间隙气体开关

进行了一种可用于快前沿直线脉冲变压器驱动源系统的多间隙气体开关的设计和实验,给出了开关的静态放电实验结果,获得了静态击穿电压平均值及标准偏差随气体压强的变化规律。开关充0.15 MPa干燥空气时,最高耐压可以达到200 kV。研究了开关在不同欠压比和不同触发脉冲幅值下的触发特性。开关工作电压150 kV、欠压比78.5%、触发电压70 kV时,开关的触发延迟时间34.4 ns,抖动1.6 ns。开关经过5 000余次放电,击穿点分布均匀,可以形成多通道放电。开关结构新颖,安装操作简便,装配精度大大提高,实用性强。

一种给脉冲形成线充电的带绕式高压脉冲变压器

研制了一种耦合系数0.8,次级输出电压500kV的空芯带绕式脉冲变压器,并进行了理论和实验的初步研究。此种变压器具有结构紧凑、体积小和电性能好的优点,已用作升压变压器给脉冲调制器的水介质Blumlein线充电。在调制器的真空二极管上已获得450kV,40kA、半高脉宽大于80ns的高电压脉冲。

基于多导体传输线理论的脉冲变压器锥形绕组电压分布数值分析

为了研究脉冲变压器锥形绕组在脉冲电压作用下的电压分布特性,采用多导体传输线方法,根据实际脉冲变压器锥形绕组的结构,建立了电气参数有限元简化计算模型及等效多导体传输线分析数学模型,以此模型计算了锥形绕组在脉冲电压激励下匝间的电压分布。计算结果表明,此模型可对脉冲变压器锥形绕组的电压分布进行有效计算,对绕组匝间绝缘设计有一定的参考意义。

脉冲变压器特快速暂态电压分布计算

为了研究在陡波前、高冲击电压作用下,脉冲变压器(PT)锥形绕组中的特快速暂态电压分布特性,文中建立了基于多导体传输线(MTL)理论的绕组分布参数模型。模型的电气参数通过有限元法(FEM)计算,用频域法计算了在多种情况下绕组的对地电压分布以及匝间电压分布,计算结果表明此模型可对锥形绕组的电压分布进行有效计算,对匝间绝缘设计有一定的参考意义。

快前沿直线脉冲变压器多间隙气体开关直流自击穿特性

针对一种用于快前沿直线脉冲变压器（FLTD）的堆栈式多间隙气体开关,研究了电极表面粗糙度、电场不均匀系数、放电电流、气体压强等因素对开关自击穿电压分散性的影响。电极表面粗糙度0.1-0.8μm时,击穿电压平均值没有明显变化,击穿电压分散性小于1.5%;电场不均匀系数为1.20和1.30时,电极烧蚀均匀,开关自击穿电压分散性小于2.0%;放电电流由1.1 kA增加到30.0 kA时,击穿电压的分散性增加了约2倍,电极烧蚀的作用明显增强;工作气压由0.04 MPa增加到0.30 MPa,击穿电压的分散性由1.5%增加到3.6%。初步分析了降低开关自击穿电压分散性的途径和方法。

1.2MV脉冲变压器设计及实验研究

介绍了1.2 MV脉冲变压器的设计方法,采用螺旋渐开式绕组逐渐增大绕组对磁芯的绝缘距离,用ANSYS程序模拟脉冲变压器中的场强分布情况,最大场强不超过18 kV/mm。通过实验研究有效解决了绕组对绝缘支撑的局部放电现象,得到了1.2 MV的高压脉冲输出,单次运行时间达到1 min,重复频率100Hz,验证了所采用的设计方法的可行性。

电磁发射用高温超导空心脉冲变压器

为了研究高温超导空心脉冲变压器的可行性,建立了由5个超导双饼绕组组成的空心脉冲变压器模型。采用磁场计算与电路分析相结合的方法,即在用有限元法分析磁场并计算反映绕组间电磁耦合的电感矩阵的基础上列写电路方程,分析了两种不同的绕组联接方式。在理论计算的基础上,制作了由5个高温超导双饼绕组组成的实验用空心脉冲变压器。在实验变压器二次绕组短路的情况下进行了冲击试验。由于受到环流的影响,实验结果部分与期望值相符,对高温超导空心脉冲变压器的设计具有一定参考意义。

直线脉冲变压器技术回顾与展望

直线脉冲变压器是近年来发展最迅速的高功率脉冲驱动源。介绍了快放电直线脉冲变压器的应用前景、工作原理,回顾了直线脉冲变压器的技术发展历程,分析了不同时期的结构特点,阐述了开关、触发系统、磁芯等关键技术研究现状和今后研究重点。最后总结了直线脉冲变压器发展动向及可能涉及的相关技术。

高压强流脉冲变压器

在脉冲功率调制系统研究中 ,其核心技术之一是脉冲变压器的研制。本文描述了脉冲变压器的技术要求和结构参数设计 ,并给出了实验测试结果 :变压器的初级电感为 3 6μH ,耦合系数为 0 77。当初级输入电压为 60kV时 ,次级输出电压可达到 50 0kV。

带磁芯的高功率带绕式脉冲变压器的初步研究

对高功率带绕式脉冲变压器磁芯的设计进行了初步考虑,从理论上分析了在高功率带绕式空芯脉冲变压器中加入部分磁芯对变压器内部电磁场分布及耦合系数的影响。理论分析和实验结果均表明:磁芯对高功率带绕式脉冲变压器耦合系数的提高有显著作用,并能改善变压器内部的电磁场分布;设计的高功率带绕式脉冲变压器耦合系数可达0.88,与相同结构尺寸的带绕式空芯脉冲变压器相比,耦合系数提高10%。

基于超导脉冲变压器的脉冲电源剩余能量回收方法

针对基于高温超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源,提出一种提前主动回收剩余能量的方法。该方法通过利用一个桥式电容转换电路吸收放电初始阶段的漏感能量,而在负载电流脉宽达到要求后,利用回收的漏感能量使二次侧电感电压极性改变,进而快速切断负载电流,并将剩余能量转移至一次侧电感中。仿真和实验结果表明:该方法可以快速切断负载电流和回收剩余能量,而且负载电流的切断时刻可控。实验结果和仿真结果反映的规律与理论分析基本一致,表明了该方法的有效性。

脉冲变压器对超导电感脉冲输出能量的影响

为了实现超导磁储能脉冲电流输出,分析了用变压器升流技术实现超导磁储能脉冲功率输出方案(该方案通过控制开关及变压器升流以提高脉冲电流输出值)的可行性,着重讨论了变压器参数对能量输出效率的影响。分析结果表明调整变压器的参数能实现较高的能量输送率,增加变压器的耦合系数能减少并联保护电阻上的能量损耗;为获得较高的能量传输效率,应提高变压器原方电感与储能电感的比值KL。分析显示储能电感的模块化设计有利实现这一目标。

脉冲变压器锥形高压绕组电压分布实验研究

对脉冲变压器锥形高压绕组进行了脉宽为1μs,500 ns及100 ns三种不同脉宽的单脉冲实验,研究了不同输入条件下绕组中的电压分布特性,比较了空心、加内铁芯和加内外铁芯三种不同结构绕组中的对地电压及匝间电压的分布曲线。实验结果表明:在高频冲击电压条件下,脉冲变压器锥形高压绕组中的电压呈现非线性分布且存在明显的振荡过程,导致绕组首端的电压梯度增大,伴随脉宽减小电压波形发生明显畸变,冲击电压以波的形式在绕组中传播,从而引起匝间电压按照正弦规律起伏变化,匝间电压的极值通常出现在绕组首末端,加入铁芯有助于抑制电压谐振但同时增大了匝间电压。

基于超导储能型脉冲变压器的脉冲电源放电研究

为了实现超导电感磁储能脉冲电流输出,本文针对一种基于超导储能型脉冲变压器的脉冲功率输出模式展开研究。该模式使用非线性电阻作放电电阻。根据非线性电阻的特性,本文结合仿真研究了非线性电阻转变电压对系统能量转换效率的影响,并通过与线性电阻比较了使用非线性电阻的优势。仿真结果表明这种脉冲功率电源模式是可行的,通过选择合适的非线性电阻的转变电压,可以在当前技术条件下获得较高的脉冲电流输出和较高的能量转换效率。