快前沿直线脉冲变压器单级模块开关触发时延分散性实验研究

针对12支路并联的快前沿直线脉冲变压器单级模块,给出了模块的电路结构和关键器件参数,实验获得了12只多间隙气体开关的自击穿特性和触发特性。同时,还给出了快前沿直线脉冲变压器模块输出电流的初步实验结果,工作电压150kV时,次级短路放电电流幅值为235kA,电流前沿88.2ns(10%～90%)。次级带0.58Ω负载情况下,输出电流幅值114.5kA,电流前沿88.9ns(10%～90%)。利用微分环测量了12只开关的触发时延分散性,结果表明100次实验开关触发时延分散性近似符合正态分布,开关触发时延分散性对输出电流的影响不大,电流幅值和前沿的标准偏差分别小于2.0%,4.0%,电流波形的畸变主要以平顶为主。

一种多通道时钟分频和触发延迟电路的设计

在EAST分布式中央定时同步系统中,时钟分频和触发延迟电路是分布式节点的核心。为了完成对基准时钟信号进行多路任意整数倍的等占空比的分频,并对输入的触发脉冲进行多路任意时间的延迟输出,本设计中采用VHDL语言进行编程,实现了多路时钟分频信号的输出和多路延迟输出,特别是提高了奇数分频和触发延迟的时间精度,最后在QuartusⅡ9.0软件上对设计的波形进行分析,验证了该设计的可行性。

场击穿式TVS时延特性的测量与分析

触发真空开关(TVS)是脉冲功率技术中的重要控制元件,为满足对TVS时延及可靠性等提出的更高要求,研究了场击穿式TVS时延特性。时延分为触发时延和导通时延两部分,时延及其分散性主要受主间隙电压、触发能量和主电极极性配置等因素的影响。实验研究表明,极性配置对TVS时延特性有很大的影响,主间隙电压为正,TVS可靠性高且存在一个稳定工作区域,在这个稳定工作区内,主间隙电压对其触发时延影响不大,且触发能量增大能改善TVS时延特性。

FLTD大规模气体开关同步触发技术研究

针对FLTD型驱动源大规模气体开关同步触发问题,提出了一种单级FLTD模块内置触发支路、共用腔体FLTD组件触发延时线触发、单路FLTD级联触发的内置级联同步触发新方法,研究获得了内置级联触发方式下共用腔体内部触发脉冲产生和传输规律;建立了12级串联共用腔体FLTD实验平台,实验验证了内置同步触发方法可行性,实现了引入1路脉冲同步触发12级串联FLTD模块,大幅降低了引入触发脉冲数目和触发系统规模。实验结果表明:内置级联触发方法可实现单路FLTD内开关按理想时序触发,各级触发支路开关抖动小于2 ns,通过调节触发支路开关工作系数,可实现单路FLTD导通时序调控,时序系数范围为0.83~1.17。

LCR触发多级多通道火花开关的设计及其性能分析

为了进行电粉碎岩石和等离子体灭菌的实验研究,研制了一种LCR触发多级多通道火花开关。采用μs上升前沿的初级脉冲充电电源对低电感陶瓷电容充电,以火花开关作为短脉冲形成开关。在600Ω负载电阻下,测试了火花开关的工作性能。利用脉冲电源开展水中灭菌实验,考察了开关的工作性能。实验发现:当气体间隙总长为14mm时,开关的导通电压范围为29～45kV。当火花开关的工作电压为34kV时,火花开关平均导通时延和抖动分别为115μs和71μs;负载上峰值功率为1.776MW;电阻上获得的电压波形基本一致,电压幅值在33.4～34kV范围内,电压的上升时间范围为23～28ns;开关的能量损耗为8%,其中触发电路引起的能量损耗为2.163%。火花开关在累计工作2.5万次后,电极烧蚀均匀,厚度无变化。火花开关分别在有、无LCR触发电路情况下连续运行20次的对比实验证明,LCR触发方法能够显著提高多级多通道的火花开关工作的稳定性。

级联STATCOM 直流侧电容电压失衡分析

在托卡马克磁体电源系统运行过程中,发现其对应的无功补偿装置级联静止同步补偿器(STATCOM)各相链节间存在直流侧电压失衡的现象,且随着补偿电流增大。这一失衡程度有增大的趋势,这一问题会影响装置的稳定可靠运行,严重时会直接导致装置停止运行。通过建立STATCOM的电路模型,结合其电路模型建立了相应的数学模型,研究了电网谐波、电容容量、损耗以及脉冲触发延时对电容电压失衡的影响。通过MATLAB/Simulink仿真软件验证,发现电网谐波、电容容量差异、开关触发脉冲延时差异、并联型损耗差异以及混合型损耗差异是造成STATCOM直流侧电容电压失衡的重要原因。

一种基于吸气电极的新型真空触发开关

针对真空触发开关触发时延和抖动大、使用寿命不长的难题,设计了一种基于吸气电极的新型真空触发开关,开展工作寿命测试实验和不同触发极性、主间隙电压和触发能量下的导通特性实验。实验结果表明:与纯金属电极开关相比,吸气电极开关的触发时延和抖动更小,工作寿命更长。负极性触发时的触发时延和抖动均远低于正极性触发。正极性触发的触发时延为1.7~3μs,抖动为300~700 ns,而负极性触发的触发时延为400~600 ns,抖动为30~70 ns。触发时延和抖动都随着触发能量的增大而减小,但当能量高于一定值后,触发能量对导通特性的影响趋于饱和。

针板型触发电晕稳定开关的特性

为了验证在空气状态下电晕稳定开关的重复频率特性,对自行研制的盘式触发三电极电晕稳定开关的工作特性进行了实验研究,并分析了实验结果。结果表明,在空气状态下,开关具有良好的触发特性,开关抖动和导通时延最小可以分别控制在4,36 ns;同时,还可以通过减小触发间隙,进一步减小开关的导通时延和增加开关的稳定性。

封闭式双间隙伪火花开关的触发及导通特性

伪火花开关是一种工作于巴申曲线左半支的低气压脉冲放电开关,具备耐受电压高、通流能力大、工作范围宽、寿命长、抖动低等优点,在脉冲功率装置中具有非常大的应用前景。为此研制了一款封闭式的双间隙伪火花开关,采用陶瓷–金属焊接密封方式,由改进型雪崩三极管纳秒脉冲电源和高介Ba TiO3陶瓷触发单元构成沿面放电式触发系统,触发稳定性极高。围绕伪火花开关的放电特性,主要研究了触发能量、阳极电压和工作气压对开关触发时延、抖动以及电压下降速率的影响规律。试验结果表明,触发系统极高的触发稳定性为伪火花开关触发时延抖动的降低提供了保障,最终可在间隙距离2.5mm的开关中将触发抖动降低至1ns以下;伪火花开关的电压下降速率受超密集辉光放电阶段发展过程的影响,而与空心阴极内部的过程无关,因此只受到阳极电压和工作气压的影响。此外,还分析了伪火花开关导通过程中电流过零点后发生淬灭的原因可能是开关阳极附近电子的产生速率低于消耗速率,使得反向放电通道的建立过程受阻,并采取了相应措施进行改善。

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。

场畸变气体开关寿命预测

气体开关是脉冲功率装置的关键元件之一,快速准确地预测开关的工作寿命,对于确定开关乃至脉冲功率装置的维修周期、预防事故的发生等具有重要的作用。选取自击穿电压和触发抖动表征开关性能,定义开关失效率,建立开关寿命计算模型,预估气体开关寿命。进行不同放电电荷量和电流峰值时的触发放电验证实验,结果表明,开关工作寿命可以分为稳定和失效2个阶段,所建模型能够有效地预测开关最大放电次数,即开关工作寿命。

不同驱动电流和电极尺寸下的等离子体断路开关性能

开展了驱动电流为45,75和105 kA以及阴极直径分别为20 mm和40 mm下的等离子体断路开关性能实验研究。结果表明:随着发生器驱动电流增加,负载电流上升时间逐渐减小,最高电压倍增系数逐渐增加。与阴极直径为20 mm的等离子体开关相比,阴极直径为40 mm的等离子体开关导通时间和负载电流上升时间增加,开关电压和电流转换效率降低。实验获得的最高电压倍增系数和电流转换效率分别为4.9和97%,负载电流上升时间小于100 ns。

故障芯片测试中功能模块划分方法研究

在未知结构的芯片故障检测方法中,将芯片按功能进行分块测试是一种有效的方式。重点研究了根据芯片正常工作的状态信号,按逻辑功能进行分块的方法。提出了基于芯片内部触发延时统计规律和基于有序真值表推演的两种划分方案。分析和讨论了两种不同的实现方案技术原理、适应场合及优缺点。最后进行了实现及测试,测试结果表明后一种方案划分的正确率更高。

FLTD三电极场畸变气体开关寿命特性

针对设计的一种场畸变气体开关,研究中间电极材料分别为不锈钢和黄铜条件下的烧蚀特性,结合开关寿命期间静态与触发特性的变化规律,获得决定开关寿命的关键因素,为三电极场畸变气体开关的性能优化提供理论支撑。研究结果表明,采用不锈钢和黄铜作为中间电极的烧蚀区域以及表面粗糙度均随着放电次数增加而增大,黄铜电极烧蚀较为严重且表面有明显的烧蚀圆斑,不锈钢电极则具有更高的表面粗糙度,阴阳极表面烧蚀存在明显差异,随着放电次数的增加,击穿点向电极边缘区域集中,影响开关的沿面绝缘特性,是导致开关寿命终结的主要原因。

±100 kV三电极场畸变气体火花开关

设计了一种用于直线变压器驱动源的三电极场畸变气体火花开关。开关采用SF6气体绝缘,开关尺寸和电感较小,实测开关电感约为67nH。在工作电压±80kV、工作系数为70%时,开关触发时延为40.0ns,抖动约2.8ns。对比研究了钨铜合金和黄铜两种电极材料对开关静态和触发击穿特性的影响,研究结果表明:铜钨合金电极开关的自击穿电压分散性、触发时延及抖动、自放电概率和电极表面烧蚀均小于黄铜电极,更适宜作为三电极场畸变开关的电极材料。

伪火花放电初始发展过程的仿真研究

伪火花放电是一种引燃于空心阴极结构,主放电通道呈现弥散特征的特殊低气压放电,在脉冲放电开关、电子束源等方面具有重要应用。为研究伪火花放电的初始过程,文中采用粒子模拟和蒙特卡洛碰撞方法(particle in cell/Monte Carlo collision, PIC/MCC),建立了与外回路元件相耦合的二维静电等离子体仿真模型。通过研究电子、离子、电势等参量的演变特征,区分出触发电子推进、汤逊放电、虚阳极形成和透入、空心阴极放电、电势陷阱形成、离子耗尽等一系列子阶段,并确认了到达阳极的电子包含高能和低能两个组分。此外,研究了气压和初始电子参数对触发时延和阳极电流峰值的影响规律。仿真结果表明:气压和初始电子参数通过作用于阴极孔附近的离子密度和阴极空腔内部的电子密度分别对触发时延和电子电流峰值产生影响;随着气压、注入电荷量、电子能量和注入时间的增大,以及触发极位置的前移,触发时延不断缩短;随着电子能量的增大和触发极位置的前移,电子电流峰值有可能减小;并且,各参数的变化规律均呈现出饱和趋势。最后,讨论了阴极孔附近的离子耗尽和空心阴极阶段电流淬灭的可能联系,以及外回路电感值和PIC方法对伪火花放电仿真结果的影响。

伪火花开关管放电过程的测试分析

伪火花开关管是一种新型的冷阴极脉冲功率开关,具有放电电流大、工作电路简单的特点,由于其无需预热,因而使用寿命长。本文给出了伪火花开关管工作的完整放电波形,研究了伪火花开关管放电理论的相关阶段;并通过实验、测试对其触发性能和放电性能的相关参数进行了测试分析。

200kV／100kA低抖动环轨式场畸变开关性能

对充气场畸变开关导通过程的分析表明低抖动高压强流开关的触发时延及其抖动与流注形成和传播途径的平均电场强度存在密切关系，开关结构设计中应使触发脉冲峰到达时流注形成和传播途径上具有较高的平均电场强度。同时，为了提高开关的电流承载能力，有效地结合了匀场火花隙和轨道开关的设计概念，研制了环形轨道式场畸变开关。