中物院快脉冲直线型变压器驱动源技术研究进展

快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)是一种可以直接获得小于100 ns脉冲上升时间的新型脉冲功率技术,在Z箍缩、闪光照相和高功率微波等领域具有重要应用。为此,介绍了近年来以流体物理研究所为代表的中国工程物理研究院在快脉冲LTD模块关键单元技术(如多间隙气体开关、触发系统和磁芯等)、单LTD模块以及多级LTD模块串联装置等方面的研究进展。研究结果表明,LTD具有结构紧凑、参数调整灵活、能量效率高等优点,是未来强流脉冲驱动器设计的优选技术路线。

1MV/100kA快脉冲直线型变压器驱动源装置设计

快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)技术是一种可以直接获得<100ns脉冲上升时间的新型脉冲功率技术,在Z箍缩、闪光照相和高功率微波等领域具有重要的应用前景。为了掌握LTD装置设计技术,基于已经研制完成的100kV/100kA快脉冲LTD原型模块,设计了输出电压/电流分别为1 MV/100kA的快脉冲LTD装置。装置由10级LTD模块串联而成,系统总储能为20kJ,次级采用真空磁绝缘传输线结构。装置直径约1.5m,长度约2.2m。根据10级LTD模块串联装置系统电路分析和数值模拟,结果表明在10Ω负载上的输出电压约为1.08MV,上升时间约51ns,脉宽为168ns。同时还针对磁绝缘传输线锥形和直筒形阴极结构建立了简化模型,采用PIC粒子模拟编码对其进行粒子模拟,结果表明,2种结构在负载端的输出电压均约为1MV,输出阻抗接近10Ω,同轴传输线间隙的电子流能够实现磁绝缘。

气体开关抖动对单模块快脉冲直线型变压器驱动源输出特性的影响

分析了快脉冲直线型变压器驱动源（FLTD）气体开关触发击穿延时的分布规律,利用MAT-LAB软件生成随机序列模拟开关击穿延时和抖动,在FLTD简化二阶电路的基础上,利用MATLAB分析了开关抖动对40个支路并联1 MA,100 ns FLTD模块输出电流脉冲前沿和幅值的影响。模拟计算结果表明：开关理想时,即抖动为0,输出电流峰值为996 kA,峰值时间为90 ns,10%-90%脉冲前沿为54 ns;开关自身抖动与开关之间分散性之和为10 ns时,输出电流脉冲前沿增加约14%,电流峰值下降约2%;开关自身抖动与开关之间分散性之和为20 ns时,输出电流脉冲前沿增加约38%,电流峰值下降约5%。

快脉冲直线型变压器驱动源同步触发系统

提出了一种基于单传输线脉冲成形技术的模块化快脉冲直线型变压器驱动源的同步触发系统的概念设计,主要由级数较少的Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线及触发引出电缆等组成。利用等效电路模型,研究了Marx发生器与脉冲形成线的配合关系,当发生器同时驱动多路形成线时,可以有效增加触发脉冲的数量,并能提高能量利用效率,但触发脉冲的幅值会降低。研究了水介质线阻抗与引出电缆数量对触发脉冲的影响,结果表明:随着电缆序号的增加,触发脉冲的幅值逐渐降低,并且水介质线的阻抗越高,幅值降低的速度越快。触发脉冲也可同时引出,驱动单路形成线输出60路时,触发脉冲的峰值约为293kV,前沿约11ns;当驱动5路形成线输出300路时,触发脉冲的峰值约为151kV,前沿约11ns。

快放电直线型变压器驱动源磁芯脉冲损耗特性

建立了快脉冲磁芯损耗特性测试平台,对比研究了50μm的DG6硅钢和25μm的2605TCA非晶两种材料磁芯损耗特性;采用一种新的特征参量(磁芯单位面积上激磁电压陡度)来规范磁芯的激磁电压条件,使得实验结果与快放电直线型变压器驱动源实际工作条件下磁芯性能具有可比性;通过测量初级漏电流及次级开路电压,获得了相同激磁条件下两种磁芯等效损耗电阻的大小,50μm的DG6硅钢磁芯损耗约为25μm的2605TCA非晶磁芯损耗的4倍;计算了两种材料磁芯总损耗中涡流损耗所占的比例,50μm的DG6硅钢磁芯涡流损耗占总损耗的75%,25μm的2605TCA非晶磁芯涡流损耗占总损耗的28%。

100GW快脉冲直线型变压器功率源

基于已经研制完成的100kV/100kA快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)原型模块,设计研制了输出电压/电流分别为1MV/100kA(功率为100GW)的快脉冲LTD装置。装置由10级100kV/100kA快脉冲LTD模块串联而成,总储能为20kJ,装置直径约1.5m,长度约2.2m。最终在±85kV充电电压下,二极管负载上获得的电流约为116kA,电压约为1.1MV,电压上升时间53ns,电压脉宽146ns,二极管阻抗约为9.4Ω。

闪光照相快放电直线型变压器脉冲源新进展

综述了国内外快放电直线型变压器驱动源(fast linear transformer driver,FLTD)闪光照相加速器的研究进展,包括美国圣地亚国家实验室(Sandia National Laboratory,SNL)双轴7 MV LTD型闪光照相装置、洛斯·阿拉莫斯国家实验室LANSCE装置C区与质子照相装置轴垂直的LTD型闪光照相装置、21级串联LTD-Minor URSA装置及32级串联正负极性可调的LTD装置的概念设计。同时,介绍了法国原子能部CEA/PAM 8 MV LTD型照相装置IDERIX和英国原子能武器中心为替代Mevex加速器拟研制的空气绝缘LTD的概念设计。最后,介绍了中国工程物理院和西北核技术研究所FLTD相关研究进展,结合西北核技术研究所现有技术条件和需求,提出了开展闪光LTD驱动源的初步设想。

1MA直线型变压器驱动源模块设计

介绍了输出电流幅值为1MA，电流上升时间为100ns的快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）模块的设计。模块由48个子块并联组成，每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发，每路高压脉冲（100kV／50ns）触发6个开关。电路模拟显示，在充电90kV条件下，输出电流幅值为1．04MA，电流上升时间为84．5ns（0-100％）和52ns（10％～90％）。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础，开关的工作条件与已研制成功的100kA—LTD模块中的开关工作条件近似，模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全，能够保证模块达到设计要求。

快脉冲直线变压器驱动源模块的原理及实验

介绍了直线型变压器驱动源（LTD）产生快脉冲的基本原理及技术优势，阐述了快脉冲LTD模块设计的要点，设计了输出脉冲上升时间小于100ns的快脉冲LTD模块，并进行了初步的实验研究。实验得到该LTD模块充电士16kV时，短路放电的电流峰值为23．7kA，电流振荡1／4周期为69.6ns；充电±50kV驱动0．850负载时，电流峰值为41．4kA，上升时间为36．8ns（10％-90％）和60．8ns（0-100％）。

300kA直线型变压器驱动源模块实验研究

介绍了14支路并联的300kA百ns直线型变压器驱动源单级模块的结构和关键部件。模块通过采用双端引出电极电容器以及小型多间隙串联气体火花开关,可以并联更多的支路数,减小回路电感,提高储能密度;通过采用非晶磁芯,减小磁芯损耗,提高模块耦合效率。实验研究了初级气体开关工作系数对模块输出的影响,实验结果表明:模块开关电压工作系数达到0.7,多间隙串联开关才能较好同步放电;给出了快直线型变压器模块的初步调试实验结果,在模块充电±90kV,开关气压0.32MPa情况下,匹配负载电流峰值可达到302kA,上升时间约100ns,负载上获得的峰值功率为23GW。

100kA快脉冲直线变压器驱动源模块

介绍了100 kA快脉冲直线变压器驱动源原型模块及其采用的200 kV多级多通道气体开关的设计和初步实验结果。该模块由20台100 kV/20 nF电容器按10个支路并联组成,其中每个支路包括2台电容器、1只多级多通道开关以及相应的传输线。模块直径约1.5 m,厚度仅为20 cm。采用B-dot探针诊断负载电流。当充电电压为±90 kV时,在1.1Ω负载上可得到102.2 kA的峰值电流,上升时间为53.6 ns,脉冲宽度为133 ns。实验结果表明,该快脉冲直线变压器驱动源模块具有较好的快脉冲输出能力。

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。

国际快脉冲直线变压器驱动源技术研究进展

快脉冲直线变压器驱动源(LTD)技术是近年来快速发展起来的一种新型脉冲功率技术。概述了近年来国际上快脉冲LTD技术的研究现状,介绍了快脉冲LTD在Z箍缩和闪光照相两个应用领域的发展,重点介绍了具有代表性的装置的概念设计及研究进展;对快脉冲LTD技术所涉及的开关、触发系统等关键技术进行评述,并在此基础上提出了进行快脉冲LTD技术研究需关注的重点问题及研究途径。

快前沿直线脉冲变压器驱动源模块中开关同步对放电电流的影响

介绍了4支路并联快前沿直线脉冲变压器驱动源（FLTD）模块的初步实验结果,在工作电压160 kV时,次级短路放电电流幅值达到103.4 kA,电流前沿为78 ns（10%～90%）。利用微分环测量了4只开关在工作电压120 kV时的同步情况,研究分析了开关同步对放电电流幅值和波形的影响。开关同步小于15ns时,放电电流幅值变化不明显,电流幅值的标准偏差约3.62 kA,电流波形没有明显畸变;开关同步15～25ns时,放电电流幅值略有下降,电流幅值的标准偏差约8.59 kA,电流波形有一定程度畸变;开关同步大于25ns时,放电电流幅值明显降低,电流的标准偏差显著增大,电流波形发生严重畸变。

一种全固态多匝直线型变压器驱动源的研制

针对脉冲电磁场生物医学应用中高电压大电流宽范围脉冲的应用需求,设计了一种多匝直线型变压器驱动源(LTD)。该LTD脉冲发生器的磁心采用多匝绕制的方式,可输出宽脉宽的脉冲。设计了各级LTD模块同向绕制的驱动供电及储能充电隔离方式,各级磁心隔离电压为LTD模块的工作电压。多匝LTD脉冲发生器共由10级LTD模块组成,各级LTD模块由18个储能电容及MOSFET放电开关并联,并设计了其同步驱动电路。通过对各主要器件的型号进行分析筛选,研制了模块化紧凑型多匝LTD全固态脉冲源样机,可输出脉冲参数为:电压幅值0~5kV,输出脉冲电流高达500A,脉冲宽度200ns^5μs,上升沿30ns,下降沿16ns,其脉冲宽度、幅值等参数均灵活可调,并且可通过增加LTD模块的数量,实现更高电压的脉冲输出。

支路开关自放电对大型多路并联FLTD脉冲源可靠性的影响

快脉冲直线型变压器驱动源(fast linear transformer driver,FLTD)是建设下一代大型Z箍缩装置最有前景的技术路线之一。大型FLTD脉冲源中数以万计气体开关的可靠运行是提高Z箍缩装置可靠性的重要因素。该文基于15 MAZ箍缩科学实验装置的FLTD脉冲源设计,采用Monte-Carlo方法建立考虑支路开关自放电及其载荷共享效应的FLTD脉冲源可靠性计算模型,分析开关故障模式及其触发策略对脉冲源可靠性的影响。结果表明,主支路开关自放电产生的故障电压会引起开关级联自放电,降低装置可靠性。若主支路开关工作系数设定在0.5~0.7范围内,FLTD脉冲源故障率可低于1×10^(-4)。此外,触发器及触发支路开关的高可靠性对于提升脉冲源可靠性至关重要,增加触发器脉冲数量、降低触发器自放电故障率能够有效提升脉冲源可靠性,当触发器脉冲数量提升至4倍后,FLTD脉冲源故障率有望降低至1×10^(-5)以下。研究结果为大型FLTD脉冲源的开关工作系数及触发策略的选取提供参考,具有重要的工程应用价值。

快放电直线变压器型驱动源用场畸变型低电感气体火花开关

快放电直线变压器型驱动源(FLTD)是组建大型脉冲功率源的新技术,作为其中的关键器件,气体火花开关的动态工作特性对FLTD驱动的负载电流参数有重要影响。为了减小开关电感,简化开关结构,设计了一种三电极场畸变气体火花开关。根据开关内部充电过程和触发过程电场分布的数值计算结果,优化了开关结构,并对开关的静态充电特性和动态触发特性进行了实验,获得了开关电感的估算值。不同气压下开关静态击穿电压稳定,分散性小;±80kV充电电压下,开关工作稳定,触发特性良好;电压工作系数>70%情况下(充气压力<相应自击穿电压下气压的130%),触发击穿延时<40ns,抖动<2.5ns。实验结果表明,设计的低电感气体火花开关结构简单,动态触发特性能够满足FLTD对气体开关的要求;更小的开关电感有望提高FLTD感应腔的输出电流参数。

直线型脉冲变压器模块的响应特性

介绍了短脉冲应用中磁芯的选取,设计了一台两路并联馈电的单模块直线型脉冲变压器驱动源(LTD)装置。在低压情况下测试了装置对不同脉宽信号的响应特性,在此基础上利用一级脉冲形成网络提供的输出阻抗约5Ω,脉宽约3μs的近似方波信号对装置进行了高压实验,得到了匹配负载情况下LTD次级上的输出电压波形,和脉冲形成网络的输出波形得到了很好的吻合。建立了相应的LTD电路模型,利用Laplace变换推导了模型对有限上升前沿脉冲的响应,证明了励磁电感偏小是造成实验中LTD装置输出电压幅值明显低于充电电压的主要原因,提出了改进方法并进行了实验验证。

触发时序对直线型脉冲变压器输出参数的影响

利用通用电路模型程序Pspice,建立了包含60级感应腔串联的单路直线型脉冲变压器(LTD)电路模型,次级传输线采用去离子水绝缘,计算分析了感应腔触发时序对LTD输出参数的影响。结果表明,控制触发时序能够显著改变LTD型驱动源的输出参数。当控制触发时序使得各级感应腔内的开关在闭合前承受一定过电压时,LTD输出电流比单级感应腔同等条件下的输出电流具有更短前沿和更高幅值。假定LTD开关过压击穿电压为400 kV,通过触发时序的优化可提高LTD装置输出性能:前沿从56.5 ns减少至12.5ns,峰值从1 018 kA提高至1 340 kA。

快脉冲直线变压器驱动源模块的原理及实验

直线型变压器驱动源（LTD）技术是一种新的脉冲功率技术，它产生的快上升沿（约100ns）的高功率脉冲能直接驱动负载而不需要任何脉冲压缩段。这里阐述了LTD模块的工作原理及基本电路模型，研制了输出脉冲上升时间小于100ns的快脉冲LTD模块，并进行了初步的实验研究。实验结果显示，该LTD模块具有产生快脉冲的能力，