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。

一种新型高功率轻小型化脉冲驱动源研制

为推进超宽谱脉冲产生装置轻小型化,采用同轴型Tesla变压器与脉冲形成线分离结构,利用高介电常数液体绝缘材料作为储能介质,通过理论计算和仿真设计提出了脉冲驱动源可行性技术方案,克服了高电压脉冲绝缘和阻抗匹配优化设计难题,研制了一种紧凑型低阻抗、高储能密度脉冲驱动源。试验结果表明,该脉冲驱动源输出功率为4.57 GW,脉冲宽度约为13.6 ns,装置总质量小于140 kg。在相同质量和体积情况下,与上一代驱动源相比,新型脉冲驱动源输出功率提高了2倍。经测试,该脉冲驱动源能长时间稳定运行,最高重复频率为100 Hz,可累计运行10^(5)次脉冲免维护。

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。

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。

基于磁开关技术的长脉冲驱动源初步研究

基于磁开关技术提出了一种高功率长脉冲驱动源方案,主要包括脉冲变压器、磁脉冲压缩、低阻抗脉冲形成网络、磁开关类型主开关,以及感应电压叠加器等关键子系统;研制了各关键子系统并开展了单独的实验调试,基于跑道型磁芯制作了闭环磁芯脉冲变压器,采用硬连接绕组方式制作了方便调节的两级磁压缩系统,利用陶瓷电容器制作了圆周对称的Blumlein型低阻抗脉冲形成网络,配合低阻抗脉冲形成网络研制了磁开关类型主开关,基于单端口馈电和角向传输线技术建立了四级IVA实验装置;在上述关键子系统调试基础上,开展了全系统的初步联合实验,验证了技术方案。

高功率微波脉冲功率驱动源研究进展

通过文献调研 ,阐述了高功率微波脉冲驱动源的研究现状、发展趋势及其所涉及的一些如开关、绝缘和材料击穿、脉冲形成和二极管等相关关键技术的发展状况 ,简要评估后得出一些相关结论 。

磁开关作为脉冲驱动源主开关的实验研究

使用矩形截面磁芯研制了一台磁开关作为脉冲驱动源的主开关,并利用电容器放电法对磁芯不同位置处的磁滞回线进行了测量。结果表明,短边和长边测量得到的磁滞回线均能够适应磁开关需求,不同的励磁位置对磁滞回线形状的影响有限。设计了基于该磁芯的磁开关,使用PSpice软件进行了数值模拟,结果与理论分析相一致。结合卷绕型带状脉冲形成线,对磁开关作为脉冲驱动源主开关进行了实验研究。结果表明研制的磁开关实现了主开关功能,在1.1Ω的低阻抗负载上获得了峰值电压9V、上升沿80ns、脉冲半高宽230ns的准方波脉冲输出。

固态脉冲功率驱动源主磁开关的特性

为了提高固态脉冲功率驱动源的工作性能,研究了使用磁开关作为主开关的关键参数。分析了磁芯体积、磁芯损耗以及饱和电感等关键参量对磁开关工作性能的影响。结果表明:对于选用的磁开关,当磁性高度为0.05m时,磁开关的封装系数取得极大值;平均磁路长度大于1m时,磁芯绕组的饱和电感变化缓慢。利用饱和波理论简要解释了磁芯饱和的物理过程,推导了磁开关输出脉冲上升时间因子表达式,结果表明:磁性材料厚度、电阻率以及磁芯内外层磁路长度差等参数是影响磁开关输出脉冲上升因子的重要因素。

固态化高功率长脉冲驱动源重频特性

基于固态化磁开关、低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加等关键技术,提出并研制了一台固态化高功率长脉冲驱动源。在前期通过2 GW单次实验验证技术方案的基础上,研制了中等电压等级的重复频率初级电源;改进了两级磁脉冲压缩系统的复位和绝缘特性;优化了系统整体电路结构,利用感应电压叠加器完成充电磁开关和脉冲升压的双重功能;设计了合理的复位路径,实现了各部分磁芯的在线直流复位;并开展了重频运行研究。在电阻负载上获得了输出功率2.1 GW、脉宽约170 ns、重复频率20 Hz及运行时间1 s的实验结果,脉冲波形的重叠一致性好。

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。

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。

固态化高功率长脉冲驱动源关键技术

基于固态化磁开关、低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加等关键技术,提出了一种固态化高功率长脉冲驱动源技术方案,该方案充分利用了绝缘规律,可实现模块化设计,具备提高系统稳定性、可靠性、重复频率和长时间运行的潜在优势。目前,针对系统方案进行了电路模拟计算,研制了各关键子系统,开展了全系统的初步联合实验,在假负载上输出了功率2.1GW、脉宽约170ns的高压脉冲,验证了技术方案的合理性。

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%。

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。

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。

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。

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。

1kV场效应管纳秒高压宽脉冲驱动源

MOS型功率场效应管具有大的脉冲开关电流(数十安培)、较高的漏源电压(达千伏)、小的导通内阻(欧姆量级)和较快的导通时间(数纳秒)。由于其输入输出电容大，故用其制作的脉冲源抗脉冲电磁干扰能力较强，也因此它的开关速度较慢。采用过驱动能提高MOS型功率场效应管的开关速度。就是使栅极驱动脉冲波形的前沿很快且上冲大大超过额定的栅源驱动电压。为此，在研制过程中，解决了用多个场效应管串、并联组合，形成具有纳秒级陡峭前沿的大电流开关；用多个脉冲变压器并联，对大电流开关输出的信号进行放大和成形；用脉冲变压器的技术解决了大功率脉冲功率合成等关键技术，采用稳定的开关器件等技术和工艺，解决低压电路抗高速高压强电干扰。实现了用固体器件—场效应管，替代国外氢闸流管部分用途的功能。

基于PFN-Marx技术的200keV脉冲X射线源设计与实验

基于PFN-Marx技术路线研制了200 kV脉冲驱动源,采用了超前触发技术,实现了在40Ω水电阻负载上输出电压约200 kV、前沿约25 ns、脉冲宽度约62 ns的脉冲高压。设计了工作电压为200 kV的“Washer-Needle”型二极管,在二极管电压210 kV、电流5 kA条件下,输出X射线脉冲宽度约40 ns,X射线焦斑直径1.2 mm,1 m处照射剂量约15 mR。

600kV直线变压器驱动源的设计与模拟

基于对125 kV直线型脉冲变压器驱动源（LTD）模块的实验研究,设计了脉冲形成线为Blumlein结构的150 kV LTD模块,并在此基础上设计了输出电压600 kV、四级模块串联运行的LTD装置.根据理论计算的结果选择了LTD次级线圈的尺寸,通过电路和3维模拟,分析了不同输入方式对输出脉冲波形的影响,结果表明：左端输入方式输出脉冲波形好于右端输入方式;与单边输入方式相比,双边对称输入方式得到的载脉冲波形的前沿更好.根据600 kV LTD装置的设计参数进行了电路模拟,在40 Ω匹配负载上得到的输出脉冲波形前沿（10%～90%）约30 ns、平顶约110 ns、后沿约30 ns、幅值约600 kV,满足绝缘耐压要求.