一种100 kV Mini-Marx发生器触发源的设计

根据100kV Mini-Marx脉冲发生器对触发源的技术要求,设计了一种基于VE4141型氢闸流管气体开关器件的高压脉冲触发源。该触发源系统输出高压脉冲幅度达到0～30kV、脉冲前沿小于15ns、脉冲宽度大于500ns,不仅可以接收光、电和手动信号触发,而且还可以通过接口来控制调整100kV Mini-Marx发生器的充电电压以及电压显示。采用固态IGBT半导体开关器件产生预触发和主触发脉冲,控制气体开关氢闸流管VE4141瞬间导通放电输出高压脉冲信号,触发后级Mini-Marx脉冲发生器产生不小于100kV的高压脉冲。

快前沿mini-Marx发生器研制

介绍了mini-Marx发生器的工作原理,总结了快mini-Marx发生器的设计原则。设计了一台10级单极性同轴结构的mini-Marx发生器。设计上将火花开关排成一排,借用前级开关强烈的紫外光以预电离下一级火花开关从而达到可靠运行,利用开关与屏蔽外筒间的结构电容来锐化高压脉冲的输出,同时采用紧凑性、低电感设计来获得快前沿的输出。发生器储能70 J,在70Ω负载上获得了前沿6 ns、脉宽40 ns、幅度210kV的高压脉冲。实验结果表明设计合理可行,达到了脉冲功率系统的小型化设计、获得了快前沿高幅度的高压脉冲。很好地满足了脉冲功率系统对快前沿高压脉冲的需求。用它直接驱动闪光X射线二极管,在距光源25 cm处获得了剂量大于7.7×10-6C/kg的闪光X射线。

基于级间自触发Marx电路的高压阻尼振荡发生器

为了增大输出电压的同时减小高压阻尼振荡发生器的体积和降低其成本,建立了一种4×4级间自触发Marx结构的阻尼振荡发生器模型。该模型每级的主开关采用基于电容触发方式的串联IGBT模块,只需提供一路隔离信号控制一级放电开关管的导通和关断,通过级间电容实现对相邻级放电管的栅极自动充电和放电,使其导通和关断。该模型提高了Marx单级的工作电压和简化了每级的驱动电路,并且通过加入缓冲电路,解决开关管动态、静态均压问题。基于这种拓扑结构搭建了一台高压阻尼振荡发生器样机,在电感负载上输出16 kV、振荡频率1 MHz的阻尼振荡波形,波形上升时间约为75 ns,重复频率500 Hz。样机体积小巧、工作稳定,验证了该方案的可行性。

一种紧凑型固态Marx发生器的研究

提出利用P型开关作为充电管、N型开关作为放电管串联形成半桥结构,将其门极也短接,以同一个信号同时驱动充电管和放电管。再利用共原边的串心磁环驱动方案,只需一个半桥电路就可以从原边同时传递驱动功率和信号,同步驱动所有充电管和放电管,大幅简化了脉冲电源结构和尺寸,降低了成本。以此搭建了24级固态Marx发生器,在10 kΩ阻性负载上,获得了10 kV、1 kHz、5μs的高压方波脉冲,验证了方案的可行性,该电源主电路的尺寸仅为20 cm(长)×13 cm(宽)×5.5 cm(高)。

100kV Marx发生器触发源的研制

根据100kV Mini—Marx脉冲发生器对触发源的技术要求，设计了基于VE4141型氢闸流管气体开关的高压脉冲触发源。该触发源输出参数为：高压脉冲幅度0～30kV、脉冲前沿小于15ns、脉冲宽度大于500ns，抖动小于4ns（极差）。该触发源不仅可以接收光、电和手动外触发信号，还可以通过接口控制调整100kV Mini—Marx发生器的充电电压以及电压显示。利用固态IGBT半导体开关产生预触发和主触发脉冲，控制气体开关氢闸流管VE4141瞬间导通放电输出高压脉冲信号，去触发后级Mini—Marx脉冲发生器产生大于等于100kV的高压脉冲。

500 kV全固态Marx发生器

500kV全固态Marx发生器采用Z型电路结构,以28个最大工作电压达22kV、满载最高连续重复运行频率达200Hz的绝缘栅双极型晶体管组件作为脉冲控制开关,采用以金属化膜电容器和线绕电感构成的梯形脉冲形成网络作为储能和脉冲形成器件。目前已实现500kV脉冲输出,在50Hz的重复频率下实现数十个脉冲的猝发输出。该发生器的输出脉冲电压峰值与已有文献报道的最高功率固态Marx发生器技术指标相近,输出脉冲电流峰值提高1倍,达到1000A,发生器输出脉冲功率峰值达到500MW。在采用电容器作为储能元件时,此Marx发生器输出脉冲宽度可在3～10μs范围内连续调整。

紧凑型重复频率快前沿Marx发生器研究

设计一种紧凑型重复频率快前沿Marx发生器,采用3.3nF陶瓷电容器作为储能电容,螺旋形空芯电感作为充电电感,通过各级气体火花开关迅速放电在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。将电容器、气体开关、充电及隔离电感设计为同轴一体化结构,整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内,通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。在考虑开关电极分散电容、回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。在理论分析的基础上,通过优化电路结构,完成了12级Marx发生器的设计与研制。在50Ω电阻负载上获得了电压150kV、脉宽30ns、上升时间10ns的脉冲波形,Marx发生器可60Hz重复频率运行,与模拟结果基本一致。

紧凑型电感隔离快Marx发生器

为了实现脉冲功率装置小型化和实用化,作为初级储能装置的Marx发生器,采用紧凑型结构设计的直接驱动装置成为研究热点。为探索紧凑型Marx直接驱动负载的可行性及相关的设计方法,设计了一台采用电感作为充电和接地器件的紧凑型气体绝缘快前沿Marx发生器并进行了相关实验。初步的实验结果表明,Marx放电正常,充电19kV时,在26Ω负载上可得到145kV的高压脉冲输出。可看出Marx发生器直接驱动有其自身的优势,需要注意的是发生器与负载的连接问题。

紧凑型Marx发生器高功率微波源研究进展

紧凑型Marx发生器不但体积小,重量轻,而且能量效率高,能以一定的重复频率运行,在窄带、宽带和超宽带高功率微波源中获得了广泛的应用。这种类型的高功率微波源是近几年来国内外的研究热点和重要发展方向。对国内外基于紧凑型Marx发生器的高功率微波源的研究进展进行了系统介绍,评述其输出参数和结构特点,并探讨其发展趋势,为正确把握基于紧凑型Marx发生器的高功率微波源的发展动态、科学探索其技术路线提供参考和依据。

Marx发生器同步性对PTS装置性能的影响

对PTS装置的24台Marx发生器进行了独立调试实验,实验结果表明:在充电电压60kV、工作欠压比62%条件下,24台Marx发生器的输出电压的时延在245～285ns的范围内,时延最大差异为40ns,时延抖动均小于10ns。通过对PTS装置控制时序和中间储能器充电电压波形的分析,认为Marx发生器输出电压的时延差异在50ns内,中间储能器上总的电压损失小于1%,对主开关的工作状态基本上没有影响。

用于Marx发生器电压测量的水电阻分压器

为了测量PTS单路样机Marx发生器的输出电压,设计并标定了一个二级分压的水电阻分压器。水电阻分压器设计中需注意在不同介质的分界面及三相点位置产生的局部高电场,采取适当的均压设计可避免绝缘击穿。水电阻分压器用比对法标定,短路实验和100Ω水电阻负载实验的标定结果相差约15%。分析认为误差的原因是标准分压器和Marx发生器输出端的连接线与主回路之间存在互感,造成短路负载情况下标准分压器的测量值低于实际值,导致标定结果出现较大偏差。改进实验线路后标定结果偏差<3%。

固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器

和传统Marx发生器单级由单一电容组成不同,脉冲形成网络Marx发生器的每一级是以陶瓷电容排列成网络形式组成脉冲形成网络,然后再通过串联叠加的方式实现电压叠加。由于采用了脉冲网络形成线,该型发生器可以产生质量较高的脉冲波形。对该型Marx发生器的充电方式、开关结构、结构布局等进行了研究,设计了两种较为紧凑的实验装置。开展的初步实验研究中,利用脉冲变压器进行充电,利用SF6气体绝缘,10级叠加结构在50Ω水电阻负载上获得了400 kV,100 ns的高压输出;20级结构在50Ω水电阻负载上获得了500 kV,70 ns的高压输出。

14级紧凑型重复频率Marx发生器研制

Marx发生器作为高功率微波辐射系统的驱动源,较易实现高输出峰值电压、结构紧凑、体积小,在系统小型化研究方面占据优势。介绍了紧凑型重复频率Marx发生器的结构特点,通过理论分析和实验研究,研制1台14级重复频率Marx发生器。采用正负双边恒流充电及全电感隔离,减小了能量损失,提高了Marx发生器工作重复频率。采用火花间隙开关和Marx绝缘一体设计,省略电容充电对地回路,使整个系统结构更加紧凑、简便,整个Marx发生器被放置在一个密封的金属圆筒内,圆筒内充SF6气体进行高压绝缘。通过调试,Marx发生器实现稳定、重复频率工作,充0.16MPa的SF6时,输出电压约为475kV,脉冲前沿约为20ns,可以在重复频率1～20Hz下稳定运行。

500kV固态Marx发生器IGBT多路驱动高压隔离供电电源的设计

为了解决固态Marx发生器中IGBT驱动供电问题,提出了一种具有高电压隔离的多路供电电源设计,首先对IGBT开关驱动供电的需求进行了分析,提出了供电电源设计方法,采用直交直转换供电方式,隔离使用级联变压器与原边多匝变压器。经过多次试验,验证了该设计方法可行,最后介绍了电源悬浮供电的特殊工作模式与关键技术工艺,并给出了实验数据波形,结果说明该种结构的电源性能稳定,满足隔离供电的要求,并且有良好的应用前景。

基于快Marx发生器的紧凑型重频脉冲驱动源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲驱动源。采用低功率电源(比如30 V电池)作为初始能源,重频高压充电电源集成大容量超级电容,可脱离外部电源重频对Marx发生器充电至100 k V,结合对高压充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现Marx发生器的重频高功率多脉冲输出;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF6气体绝缘等设计,最高建立电压800 k V、额定储能1.6 k J;高压充电电源和脉冲触发源采用真空灌封绝缘胶等紧凑设计,全系统集成后外形尺寸约0.9 m×0.45 m×0.45 m。在实验中获得了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压>400 k V、电流>21 k A的连续多脉冲输出,为研制更高性能的小型化重频脉冲驱动源奠定了基础。

Marx发生器驱动的电感储能型脉冲功率源

为研制电感储能型高功率脉冲源,实验研究了采用Marx发生器驱动电感储能-电爆炸丝断路开关的技术途径。研究表明,以等效电容1μF的Marx发生器作为能源,采用1.5μH的储能电感和上百根直径0.05mm、长560mm金属丝并联形成的断路开关,在Marx发生器等效输出电压>180kV时,可在约10Ω负载上输出峰值功率>40GW,能量传递效率>50%,脉宽近200ns,前沿约50ns的脉冲,从而证明该技术途径可较大幅度提高脉冲功率源的输出功率和能量传递效率。

全电感隔离型重复频率Marx发生器

介绍了发生器的结构特点，采用有限元数值方法对开关腔体内静电场进行了3维模拟计算，通过理论分析和实验研究，研制了1台12级重复频率Marx发生器，该发生器采用正负双边恒流充电方式及全电感隔离，其主要元器件间基本呈无感排列，结构简单、紧凑。实验结果显示：发生器输出电压为532kV，脉冲前沿约40ns，建立时间约32ns；开关腔内充纯净SF6气体，可以在重复频率1～50Hz下稳定运行。

基于Marx发生器的中小型电磁脉冲模拟器驱动源

为满足不同尺寸效应物抗强电磁脉冲(EMP)性能试验的需求,产生覆盖范围更全面、波形更理想的模拟电磁环境,对基于Marx发生器的一级脉冲陡化EMP模拟器驱动源的基本构成与工作原理进行了介绍。结合实际设计与调试经验,分析了设计该类装置时可能遇到的一些问题以及解决的方案。给出了研制的电压等级在100~600kV的中小型EMP模拟器驱动源的结构、参数与输出指标。通过紧凑型Marx发生器、低电感平板型薄膜电容器、低电感输出开关等关键部件与连接结构优化、器件参数选取,获得在驱动源接120~180Ω负载时可输出前沿1.2~2.7ns、半宽32~41ns的双指数波。

陡化前沿Marx发生器的设计与初步实验

设计了10级同轴结构的陡化前沿Marx发生器，实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。该系统采用3nF低电感电容器作为储能电容，采用固体电阻作为充电电阻，通过各级短间隙气体火花开关迅速放电及级间紫外光耦合在50Ω负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。在考虑开关电极分散电容、等效传输线效应及回路电感等因素基础上，利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型，并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。根据数值模拟结果设计加工了10级陡化前沿的Marx发生器实验装置。在较低充电电压下（7kV与11kV），得到了初步实验结果，输出电压波形大致为方波，相对于传统Marx发生器输出前沿缓慢的三角波有较大改善，半高宽为40～50HS，前沿时间为十几ns，幅值约为41kV和57．5kV，实验结果与模拟结果基本一致。

晶闸管Marx发生器电路及充放电特性

为满足新兴工业对中小储能功率脉冲电源日益增长的需求,设计了一种采用晶闸管作为主开关的Marx发生器,它由脉动直流电源供电,增加晶闸管组合模块就可方便地扩展级数提高输出电压,晶闸管组合模块有对负载的单向、双向和续流3种放电工作模式。该设计改进了充电拓扑电路,并给出了充电电阻及其功率的计算方法,有效地避免了负载上的预脉冲,实现了各储能电容充电电流的一致,有效地抑制了环流和提高了充电效率。变负载放电特性分析表明,感性负载时减小电感的输出能使电流脉冲幅值提高、脉宽变窄,特性曲线为设计和用户的使用提供了依据;容性负载时储能电容的实际等效参数对小容量的电容放电参数有较大影响,有必要减小回路的总电感,以获取陡前沿电压脉冲和窄电流脉冲。感性及容性负载的实验放电波形与仿真结果比较相符。所设计的Marx发生器在工业应用中既可用来产生较强脉冲磁场,又可用来产生放电等离子体。