同轴快沿脉冲源研制与测试

 利用脉冲高压陶瓷电容器和高气压小间隙开关，研制了60 kV同轴式高压快沿脉冲源。利用自行研制的薄膜式电容分压器和同轴式电阻分压器对快沿脉冲源的输出参数进行测量，分析了薄膜式电容分压器的测试原理，对电容分压中二级电阻分压器元件的参数进行了优化。当脉冲源负载为50 W时，测得脉冲源输出电压的前沿小于2.3 ns，半高宽约28 ns，符合IEC电磁脉冲的最新标准。     

300 kV高压脉冲发生器

介绍了脉冲X光机驱动源300 kV高压脉冲发生器的研制,高压脉冲发生器选择双边充电回路的Marx发生器结构,采用紫铜火花隙开关和隔离电感为发生器的结构元件,低感陶瓷电容为储能元件,这种结构不仅减小了回路电感,同时实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的高压脉冲发生器在75 负载上获得脉冲半高宽小于等于100 ns、幅值200～300 kV可调的输出电压。高压脉冲发生器内可直接安装X光管也可通过高压电缆与X光管连接,很好地满足了X光机的需要,研制的高压脉冲发生器具有性能稳定、结构紧凑、使用方便等特点。     

三谐振高压脉冲变压器

介绍了一种基于空芯变压器的三谐振高压脉冲变压器。通过对三谐振脉冲变压器无损等效电路的理论分析,给出了在回路本征频率1∶2∶3时,电路各参数的关系及输出电压解析表达式,此条件下负载电压最大值为空芯变压器次级高压输出电压的2.77倍。根据理论分析及电路模拟的结果,提出了适用于三谐振脉冲变压器的设计方法迭代模拟法,并采用迭代模拟的方法在研制的空芯变压器基础上研制了一台基于三谐振脉冲变压器的脉冲功率源,进行了实验研究。实验结果表明:所研制的三谐振脉冲变压器输出电压的最大值可以达到锥形高压绕组输出电压的2倍,系统最大工作电压约为600 kV,与理论分析的结果相吻合,说明将任意一台双谐振脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。     

固态高压脉冲形成线研究

 为了实现高压脉冲形成线小型化,开展了平板固态脉冲形成线研究。实验研究了两种作为储能介质的固态材料的高压体击穿特性、沿面闪络特性和频率响应特性,一种是特种复合材料,其相对介电常数在50～250之间,另一种是功能陶瓷,其相对介电常数在200～1 000之间。在此基础上,研制了两种平板固态脉冲形成线。特种复合介质固态脉冲形成线试验电压为3 kV左右,输出电压脉冲半高全宽（FWHM）可以达到58 ns;功能陶瓷介质固态脉冲形成线的试验充电电压超过120 kV,输出电压脉冲半高全宽为92 ns。     

200 kV/200 kA脉冲源的研制

研制了一台200 kV/200 kA脉冲源,脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 到1 的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关,使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 二极管发射特性研究,并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。     

200kV长脉冲功率源研究

介绍了采用脉冲形成网络（PFN）获得长脉冲功率源的基本原理,用PSpice模拟Marx型脉冲形成网络的结果,以及200 kV长脉冲功率源的设计过程。建立了一台对匹配负载输出200 kV的长脉冲功率源,功率源电路结构采用5级Marx-PFN型脉冲形成网络,网络阻抗为14 Ω左右。实验得到该功率源输出电压脉冲前沿小于500 ns,平顶宽度为3 μs,脉冲半高宽为4.3 μs,电压脉冲平顶波动小于1%,脉冲电压幅度为200 kV左右。     

利用脉冲循环产生高压多脉冲

依据电压脉冲在传输线中的传播特性,分析了将形成线和传输线构成封闭回路,使电脉冲在其中反复循环,从而在高阻负载上得到高压多脉冲输出的可能性,并进行了电路模拟研究。利用Blumlein脉冲形成线系统和400 kV高压电缆组成封闭回路,进行了高压实验研究,在高阻约1 kΩ负载上得到了大于200kV的多个脉冲输出,脉冲宽度120 ns、间隔不超过400 ns。研究表明,利用脉冲循环方法可以在较高阻抗的负载上产生MHz重复频率的高压多脉冲串,其脉冲质量与形成线开关状态密切相关。     

基于PFN-Marx技术的200 keV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40 Ω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。     

Marx型脉冲形成网络的研究

介绍了Marx型脉冲形成网络的基本原理, 用PSpice软件对整个脉冲形成网络进行了模拟, 通过优化网络器件参数, 获得了等电容条件下平整的波形输出. 研制了一台4级Marx型脉冲形成网络的脉冲功率源, 在充电电压为20kV的情况下, 在18Ω的匹配负载上获得了40kV的电压输出, 脉冲半高宽为3μs, 平顶宽度2μs.     

带反偏置的双路高压脉冲电源的研究

通过调节反向偏置电压可以改善电场渗透对质谱仪的影响,提高质谱仪的分辨率。为了满足质谱仪对脉冲电场的不同要求,提出了一种可以同时输出两路极性相反脉冲电场的脉冲电源,且高压正脉冲叠加幅值可调的直流负偏置电压。该电源只需一个充电源便可以产生正负两路脉冲电场。分析了串联开关同步驱动效果,随后通过增加补偿绕组和并联电阻优化了串联电容的分压不均的问题,并验证一个磁芯加多个副边绕组的方案可进一步降低充电电压不均。最终实现了4个电容器的充电电压与平均电压相差不超过0.1%。搭建了一台4级的电源样机,实验表明,其可以在容性负载上产生一路幅值为0～1.5 kV、脉宽为2～10μs可调的高压正脉冲且叠加幅值为0～-200 V的反向偏置电压,和一路幅值为0～-1.5 kV、脉宽为2～10μs可调的高压负脉冲,频率高达10 kHz,正负脉冲的前沿均小于30 ns,脉冲波形平稳。该脉冲电源结构紧凑,并且输出电压、脉宽、频率均连续可调。     

基于窄脉冲传输的脉冲展宽IGBT驱动电路

设计了一种采用高压隔离脉冲变压器传输窄脉冲,然后应用脉冲展宽电路实现宽脉冲驱动信号输出的无源IGBT驱动电路。采用正电压turn-on窄脉冲和负电压turn-off窄脉冲组合传输的方式以减小高压隔离脉冲变压器的体积和重量,脉冲展宽电路使IGBT在turn-on脉冲上升沿导通,在turn-off脉冲上升沿关断,且其具备储能功能,无需高压隔离辅助直流电源为其供电。脉冲信号发生电路和过流保护电路耦合设计,使IGBT在正常关断和过流保护关断情况下,其栅极都处于反压偏置状态,以提高IGBT关断的快速性和可靠性。将驱动电路用于级联Marx高压电路中IGBT开关的驱动,turn-on脉冲和turn-off脉冲的脉宽均选择为2 μs,结果表明,Marx电路在输出脉冲电压峰值为20 kV时工作稳定,且脉宽在3.5~50 μs之间连续可调,等离子体负载下的输出电压和电流波形显示,打火情况发生时,过流保护电路工作稳定可靠。该驱动电路可有效实现宽脉冲驱动信号的产生,具有较强的可靠性和实用性。     

一种脉宽可调的陡化后沿高压脉冲发生器

磁开关因其独特的饱和导通机制而在脉冲功率技术领域应用广泛,利用磁开关饱和前后电感差异大的特点,可以将其用作撬断开关来陡化脉冲后沿。利用金属氧化物压敏电阻的稳压特性,能在负载上得到具有一定平顶的脉冲准方波,进而可通过改变磁开关的伏秒积来进行脉宽调整。提出一种脉宽可调的高压脉冲发生器技术方案,利用压敏电阻产生高压脉冲准方波,用磁开关作为撬断开关来陡化脉冲后沿,并通过改变磁开关复位电流的大小来控制磁开关的复位深度,进而实现脉宽可调。首先进行了理论分析及软件模拟研究,然后基于模拟结果开展了初步实验研究。初步实验得到的负载电压波形后沿小于30 ns,脉宽可调范围大约30%,验证了磁开关的后沿陡化效果以及用于脉宽调整的可行性。     

爆炸驱动铁电体电源快脉冲产生技术

以发展轻小型高电压脉冲驱动源为出发点,提出采用爆炸驱动铁电体作为初级电源,通过电感储能与电爆炸丝断路开关进行脉冲压缩和功率放大,探索基于爆炸驱动铁电体电源的小型化高电压快脉冲产生技术。从爆炸驱动铁电体电源的全电路模型和铁电陶瓷材料特性出发,通过理论分析和仿真研究,分别对大电流模式和高电压模式的爆炸驱动铁电体电源的物理参数进行了设计,获得了铁电体电源工作模式和电路参数对产生高电压脉冲的影响规律,认为铁电体电源高电压模式更适合于与断路开关技术结合产生高电压快脉冲,并通过实验对该技术原理进行了验证。实验中铁电体电源输出电流约360 A、脉宽约3.8 μs,对17.5 nF电容器充电至75 kV,电容器放电后在电爆炸断路开关中产生峰值大于12 kA的脉冲电流,最终在X射线二极管负载上获得了电压峰值大于180 kV、前沿3 ns、脉宽30 ns、电流峰值3.4 kA的高电压快脉冲。     

一种调节Marx电源脉冲边沿的驱动电路北大核心CSCD

为了调节固态Marx发生器输出脉冲的边沿,提出了一种新型的的驱动电路,该方案通过调整充放电管的驱动电压,结合驱动电路的硬件结构,调节米勒平台时间,进而调整充放电管开通速度,实现了对于高压输出脉冲的边沿调节,其结构简单,不需要每级独立的控制信号。对于该电路中驱动电压和开关管开通速度的关系建立了模型进行了推导。结合理论分析结果设计了驱动电路的参数,仿真结果表明该驱动电路能够调节输出脉冲边沿。搭建带有设计参数下驱动电路的固态Marx发生器在容性负载下和阻性负载下进行了实验验证。利用该方案实现了对于6级Marx电路的3.6 kV输出脉冲在55~7.7μs的边沿调节,验证了该方案的可行性,并对比分析了不同阻性负载对于脉冲边沿造成的影响。实验结果表明:该电路在提高固态脉冲电源的边沿调节性能方面有独特的优势。     

紧凑Tesla变压器型纳秒脉冲源

采用带有开路磁芯的Tesla变压器与单筒脉冲形成线一体化结构,研制了一台基于Tesla变压器的紧凑GW级纳秒脉冲源,该源包括一个40Ω脉冲形成线、内置Tesla变压器、初级电路及高压吹气主开关等,具有变比高、结构紧凑、能量传输效率高、便于重复频率运行等特点。给出了脉冲形成线、Tesla变压器和主开关等的工作原理、设计方法和模拟计算。实验结果表明,该脉冲源输出电压大于200kV,脉冲宽度约8ns,可以在重复频率100Hz、平均输出功率1GW情况下稳定运行,实验结果与理论设计相符。     

基于Boost闭环控制的恒峰值双极性脉冲发生器的研制北大核心CSCD

在肿瘤消融、污水处理等领域的脉冲功率技术应用中,研究发现双极性电脉冲往往比单极性电脉冲效果更佳,这极大地刺激了双极性高压脉冲电源的研发需求。设计了一台基于Boost闭环控制的恒峰值双极性脉冲发生器,该发生器结合boost电路与Marx发生器的特点,实现了具有升压功能的双极性脉冲的产生,且利用峰值检测电路对双极性脉冲发生器的输出峰值进行取样,并反馈到DSP处理器,实现峰值电压闭环控制,从而实现双极性脉冲恒定峰值的输出。为了验证提出的拓扑电路的可行性与稳定性,对5级恒峰值双极性脉冲发生器进行了仿真和实验研究。实验结果表明,当输入电压在100 V时,可产生重复频率5 kHz、脉冲宽度5~10μs、电压幅值为±2.0 kV的恒峰值双极性脉冲波形。该脉冲电源使用模块化设计,便于级联,结构紧凑,可灵活输出恒峰值的双极性或单极性正(负)脉冲。     

新型宽谱电磁脉冲试验系统

 研制了一套新型宽谱电磁脉冲试验系统,该系统采用全电感隔离型重复频率Marx发生器产生高压冲击脉冲,经双极脉冲形成线馈入宽带天线进行宽谱辐射。介绍了发生器工作原理和双极脉冲形成原理。实验结果表明：发生器输出脉冲电压500 kV,脉冲前沿20 ns,重复频率20 Hz,宽谱辐射因子195 kV,辐射中心频率200 MHz,频谱宽度37%。该试验系统结构紧凑、操作灵活,并具有方位辐射方向360°旋转和运程控制等功能。     

全固态高重频高压脉冲电源

设计了一款全固态高重频高压脉冲电源,主电路采用以IGBT为主开关的半桥式固态Marx电路,驱动电路采用磁芯隔离带负压偏置的同步驱动方案,并由FPGA提供充放电控制信号和故障诊断、保护。该方案既可实现对多级电容的低阻抗的快速并联充电控制,又可实现截尾功能以加快脉冲后沿获得方波脉冲,且可实现百μs以上的宽脉冲输出,可用来产生高压脉冲电场。此外,该电源还可在突发模式下输出脉冲个数和频率均可调的多个高频脉冲系列。实验表明,该输出电压幅值可高达40 kV,输出峰值电流可达100 A,重频可达30 kHz,上升沿和下降沿均低于100 ns,突发模式下重频可高达200 kHz。所设计的脉冲电源输出参数连续可调,且体积小巧。     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

 介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

全固态双极性纳秒脉冲电源研制及应用

研制了一种双极性交替的纳秒高压脉冲电源,进行了双极性纳秒脉冲放电产生等离子体研究。该电源先通过固态开关IGBT将直流电压截断成电压脉冲,通过可饱和脉冲变压器拓扑,实现升压并缩短脉冲上升沿。该电源可在一个周期内输出极性相反的2个脉冲,且时序可以灵活控制。通过优化调整器件参数,研制了两种不同输出性能参数的双极性纳秒脉冲电源:①峰值电压10 kV、爆发模式脉冲重复频率500 kHz（正负脉冲间隔2 μs）、连续重复频率1 kHz;②峰值电压25 kV、爆发重频200 kHz、连续重频600 Hz。测试电源的运行性能,发现电源存在温度升高的情况,但长时间（＞0.5 h）运行温度趋于稳定。10 kV电源连续运行在1 kHz时最高温度点50.5 ℃;25 kV电源连续运行在600 Hz时最高温度点60 ℃。利用该电源驱动线板电极阵列和表面介质阻挡放电结构,证实了该电源可以用于常压空气条件下产生大面积等离子体。