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。

基于可饱和脉冲变压器的多路同步技术及其应用

多路同步的高电压脉冲有广泛应用前景。为此,对基于可饱和脉冲变压器的多路同步技术路线进行了详细阐述,并开展了实验验证。在此基础之上,提出了多次级可饱和脉冲变压器多路同步控制的新型LC发生器。在该发生器中,可饱和脉冲变压器先后承4重功能,极大地减小了系统的复杂程度。实验中,初级输入电压为910V时,输出电压幅值达到110 k V,系统总的升压倍数达121倍。此外,引入半导体断路开关,可使实验中输出脉冲的上升沿在20 ns以内。同时将半导体断路开关与电感储能型脉冲形成线相结合,提出了低阻抗方波脉冲的产生方案。研究结果表明:提出的技术方案确实可行,对脉冲功率技术向固态化、小型紧凑化以及可重复频率运行方向发展具有较大的探索意义。

可饱和脉冲变压器及其在脉冲调制器中的应用

提出了采用多路绕组分组并联结构和同轴结构的两种新型可饱和脉冲变压器(SPT),用来取代寿命较短的气体开关,作为脉冲电容器或几百kV级脉冲调制器的充电变压器兼主开关。采用磁芯自动复位机制的新型SPT,初步解决了普通SPT难以兼具高升压倍数和绕组低饱和电感的问题,实现独立脉冲变压器和磁开关的集成紧凑化。采用初次级绕组间反向互感压制的物理机制,实现SPT次级绕组饱和电感降低到其固有饱和结构电感以下水平的重要特性,为实现低饱和电感磁开关探索了一条新技术路线。新型SPT已在螺旋Blumlein脉冲形成线(HBPFL)型高功率脉冲调制器中获得了应用:其作为变压器实现HBPFL充电200kV的目标;其作为HBPFL主开关形成了幅度为180kV、脉宽135ns、前沿时间60ns的准方波电压脉冲。此外,提出并验证了新型SPT应用于百kV级集成紧凑化Marx发生器及多路高电压脉冲ns同步等领域的新技术路线。

基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源初步研究

设计了一台基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源,其核心部件为分数比可饱和脉冲变压器,用来实现固态磁开关、脉冲调制、电压升压等功能,再借助Marx技术、磁开关技术和反谐振网络调制技术建立全固态脉冲驱动源,初步实验结果表明当直流电源提供100 V的充电电压时,该全固态脉冲驱动源可输出14.4 kV左右的准方波信号,脉宽约194 ns,验证了该技术方案实现输出百纳秒准方波信号的可行性,为建立百MW长脉冲信号输出的全固态脉冲驱动源模块提供了设计思路。

大功率半导体开关RSD触发用脉冲变压器的设计与研究

从RSD的结构原理出发,提出了采用可饱和脉冲变压器触发RSD的方案。并结合RSD触发要求,提出了该脉冲变压器设计中需满足的关键因素及设计方法。实验证明,采用可饱和脉冲变压器触发RSD是可行的。该脉冲变压器的设计方法也为设计更高电压等级的脉冲变压器提供了借鉴。

μs级脉冲激励下磁开关磁芯磁特性

为测试磁开关磁芯在μs级脉冲激励下的磁特性,设计并制作了基于没有附加磁芯复位电路的单级磁脉冲压缩系统,3块被测磁芯分别代表铁基非晶、Ni-Zn和Mn-Zn 3种软磁材料。磁芯的磁滞回线由测量所得的磁开关两端电压和电流数据经计算得到,由磁滞回线可知这3种软磁材料在μs脉冲激励下的各种特性参数。通过分析比较这些特性参数可知:铁基非晶磁芯具有最大的磁通跳变,同样的V-s积和匝数时,铁基非晶磁芯所需体积最小;Mn-Zn铁氧体磁芯具有最小的能量损耗,适合高重复频率下的应用;Ni-Zn铁氧体磁芯饱和后的相对磁导率最低,适用于较高压缩增益的磁压缩电路中。

全固态高重复频率磁脉冲压缩发生器

设计制作了全固态高重复频率磁脉冲压缩发生器,最高重复频率5kHz,脉宽70ns,通过调节初始储能电容上的电压可在500Ω阻性负载上获得4～40kV连续可调的输出电压。通过分析简化的磁压缩末级回路,分析了预脉冲产生的过程,得出了预脉冲的电压表达式,选取适当的磁芯相对磁导率,经过求解,得出在磁开关未饱和电感一定时预脉冲随负载阻值变化的曲线簇,从曲线中可以看出:随着负载的阻值的增大,预脉冲的峰值绝对值也增大;在负载恒定的情况下,增大磁开关未饱和电感的大小可以显著地减小负载两端预脉冲的峰值绝对值,这要求磁开关磁芯有更高的相对磁导率。

PPCP用固态脉冲电源的实验研究

介绍了一种采用半导体开关与磁开关、可饱和脉冲变压器相结合技术的固态脉冲电源,此电源可用于脉冲放电等离子体烟气治理。在理论分析的基础上建立了实验模型,通过实验验证了此类电源的可行性,解决了8支晶闸管开关串联的动静态均压及开通同步性问题,并对可饱和脉冲变压器及磁开关的工作特性进行了分析计算。电源在阻性负载上得到峰值电压37.5 kV、前沿101 ns、脉宽1μs的脉冲,重复频率300 Hz,输出功率10 kW。

基于DSRD的高重频固态脉冲源的研制

介绍了一种基于新型高功率超高速半导体断路开关—漂移阶跃恢复二极管(DSRD)和可饱和脉冲变压器的高电压高重频超高速全固态脉冲源。设计了脉冲源的电路拓扑结构,理论上分析了脉冲源电路的工作原理,研究获得了可饱和脉冲变压器匝数、磁芯截面积及负载阻抗等参数对脉冲源输出特性的影响的规律。实验结果表明:脉冲源在50 kΩ阻性负载条件下,输出脉冲峰值电压约38.2 kV,脉冲前沿约7.1 ns,脉冲宽度约14.1 ns,输出峰值功率约29.2 kW,可在400 kHz重复频率下稳定工作。

双线型脉冲调制系统中的双开关整形技术

基于分数比可饱和脉冲变压器(FRSPT)的低阻双线型脉冲调制系统难以获得理想方波输出,本文提出了一种双开关整形技术,在传统单开关的基础上,增加了整形开关,改变了脉冲形成过程,使双线型脉冲调制系统的方波质量得到了有效改善。本文对双线型脉冲调制系统中的双开关整形技术进行了理论计算与仿真分析,并对基于分立双脉冲形成线和Blumlein型平板PFN的两种不同的双线型脉冲调制系统开展了验证实验。结果表明双开关整形技术能够有效解决不同类型双线型脉冲调制系统中磁开关作为主开关时较大的饱和电感与快前沿准方波脉冲输出需求之间的矛盾。本研究能够为双开关整形技术在双线型脉冲调制系统中的应用中提供参考。

基于磁开关的固态近方波Marx发生器初步模拟设计

对基于磁开关Marx发生器的电路结构进行了改造,设计了一种能输出方波脉冲,且结构紧凑、原理简单的电路。对设计的这种输出功率达10GW的近方波Marx发生器进行了模拟研究。结果表明,所设计的脉冲发生器输出脉冲电压接近1MV,前沿约为20ns,半高宽为70ns,发生器全系统无需气体开关。从波形来看,输出脉冲平顶波动小于10%,能够满足实际应用需求。

全固态纳秒脉冲电源中变压器及磁开关的仿真优化

保障纳秒脉冲电源的性能有利于在大气压下产生稳定的低温等离子体。为了进一步探究材料对电源中各磁性元件性能的影响,优化磁性元件尺寸以提高电源紧凑性,本文首先明确分析了电源中各磁性元件在高压脉冲产生各阶段中的工作状态,重点总结了磁开关"开通"、"关断"两种状态的分布情况;结合磁性元件的功能和相关公式探究磁性元件的优化机理;利用OrCAD Capture CIS软件对双级磁压缩电路进行了仿真,针对各磁性元件编辑了不同尺寸和材料特性的锰锌铁氧体磁芯仿真模型,与同类相关文献对比了输出结果。结果表明:在体积上对脉冲电源中各磁性元件进行优化是可行的,最终能在负载端得到幅值为40kV、重复频率为5kHz的连续高压脉冲。